「熱い氷」がある世界：超高圧で「第15相の氷」を生成
写真は普通の氷。Flickr/darrenhester
水の氷は、圧力を変えることで相変化を起こし、さまざまな高圧相氷になる。図は縦軸に温度(摂氏と絶対温度)、横軸に圧力(GPa：1 GPaは大気圧の1万倍)。例えば、10GPaでは数百度という高温の氷VIIが存在する。画像と説明はWikipedia
安定した氷の「相」として、予測されながら唯一確認されていなかった「XV相」の氷と呼ばれるものが、このほど初めて実験室で生成された。
氷の相とは、水分子がどれだけ緊密に、どのような構造で配列されているかに基づいて氷を分類したものだ。これらは発見順に命名されている。今回のXV相の氷の発見により、これまでに確認された氷の形は全部で16になった(「I相」の氷には2種類ある)。研究者らはかねてからXV相の氷の存在を予言していたが、これまで確認されていなかった。
ただし、地球上で見られる氷のほとんどは、I相の氷のうち「Ih相」と呼ばれるものだ。hは六角形の「六角晶」を表すhexagonalの頭文字で、雪の結晶が六角形なのはこのためだ。
「われわれは、水の相図から疑問符を取り除いた」と、英オックスフォード大学のChristoph Salzmann博士は語る。相図(状態図、phase diagram)とは、任意の気圧と温度のときに分子がどのような振る舞いをするか図示したものだ。
Salzmann博士は、9月2日(米国時間)付で『Physical Review Letters』誌のオンライン版に掲載された論文の共著者の1人だ。
未確認だったXV相の氷を生成するため、Salzmann博士のチームは、別の「VI相」の氷の温度を下げていった。温度を130ケルビン(摂氏約マイナス143度)まで下げ、気圧を1ギガパスカル(約1万気圧)に保ったところで、VI相の氷の中の無秩序な水素原子の結びつきが、突如として、規則正しい緊密な構造になり、XV相の氷が生成された。今回発見されたXV相の氷に比べれば、地球上の通常の氷など、てんでグスグスということになる。
[英文Wikipediaによると、VI相は室温程度の270K／1.1Gp。XV相はVI相が「プロトン秩序化」状態されたもの。氷にはアイスルールと呼ばれる制約があり、氷の中の水素原子(プロトン)の存在する平衡位置は絶対零度でも秩序化せずランダムであり熱力学第3法則(絶対零度ではすべての原子は秩序化しエントロピーはゼロに近づく)に合わないが、ある種の操作でプロトン秩序化が可能という]
XV相の氷の構造。/ Christoph Salzmann
従来の予測では、XV相の氷は強誘電体、すなわち電荷を伝えうるものと考えられていた。氷にこのような特性があれば、惑星の地形に関わる出来事の際に、興味深い影響を及ぼしたかもしれないとSalzmann博士は言う。だが実際にできたXV相の氷では、電荷がすべて無効になるような形で水分子が配列されていた。
XV相の氷は高圧・低温の環境で安定するため、それが存在できるのは宇宙のどこか――氷に覆われた惑星なり衛星なりの地中深くとか――だろうとSalzmann博士は語る。地球上では、XV相の氷が安定した状態を保てるほど高圧の環境は、同時に超高温にもなってしまうので、XV相の氷は存在しえない、と同博士は言う。
なお、氷の相と言えば、カート・ボネガットのSF小説『猫のゆりかご』[邦訳早川書房刊]に登場する、[文明の破壊につながる新開発の氷]「アイス・ナイン」が有名だ。この小説は、実際の「IX相の氷」の発見以前に書かれたもので、アイス・ナインの性質はIX相の氷とは一致していない。[この小説が出版された1963年には、氷の相が8種類までしか知られていなかった。]
アイス・ナインは常温で固体だったが、IX相の氷は、今回のXV相の氷と同様、高圧・低温の環境でしか存在しえない。
