氷なのに熱い、超イオン氷の生成に成功
 氷、液体、蒸気、こうした水の相なら誰でも知っている。だが水は条件次第で、いくつもの構造に変化する。

 今回アメリカの研究グループが新しい水の相を作りだし、その構造を調べることに成功。その成果が『Nature Physics』(21年10月14日付)で発表された。

 その相の名を「超イオン氷」という。導電性の高い氷で、数千度という熱を加えることで形成され、しかも黒い。

 高温高圧の状態で存在する超イオン氷は、海王星や天王星の磁場に影響を与え、生命が生存できる条件にも関係していると考えられるそうだ。
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高温・高圧の状態で出現する超イオン氷

 超イオン氷は、まったく未知の相だったわけではなく、海王星や天王星といった惑星の奥深くにある高温・高圧環境で形成されている。

 ただし、これまでは水滴に衝撃をくわえたときチラッと目にできるだけだった。

 だが米シカゴ大学のヴィタリ・プラカペンカ教授らは、超イオン水を人工的に作り、それを維持しつつ内部構造を調べることに成功した。
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photo by iStock

粒子加速器とダイヤモンドとレーザーで惑星内部の環境を再現

 遠く離れた火星を目指そうという時代であっても、足元の地球内部にはそう簡単に辿りつけそうもない。地表から12キロも掘り進めば、凄まじい熱と圧力のために機械が溶けてしまうからだ。

 こうした環境では、岩石がプラスチックのように振る舞い、水のような基本的分子の構造でさえ変わり始める。

 もしそれを研究したいのなら、その場所までいけない以上、超高温・高圧環境を人工的に再現し、その上できちんと調べる方法を考案しなければならない。

 プラカペンカ教授らは、それをアルゴンヌ国立研究所にある巨大な粒子加速器を使って実現している。

 まずダイヤモンドの間に水をはさみ、高圧をくわえる。次にダイヤモンド越しにレーザーを照射して加熱。これで高圧・高温環境を再現する。

 そのときの水の状態を調べるには、粒子加速器で電子を光速近くにまで加速する。するとX線が生じるので、これをやはりダイヤモンド越しに照射。X線が散乱する様子を解析することで、内部の原子構造と特性をマッピングする。
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image credit:UNIVERSITY OF CHICAGO

水素の海に浮かぶ酸素の格子

 プラペンカ教授は、予想外の構造が現れたので、何か余計な化学反応でも起きたのではと疑ったという。水の実験ではよくあることだからだ。

 「でも、レーザーを止めて、水が常温に戻ると、黒い水が元に戻ったのです。つまり化学反応ではなく、可逆的な構造変化だったということです」と同教授は説明する。

 まず格子状の立方体を思い浮かべてほしい。その角には酸素原子があり、それぞれが水素原子で結ばれている。

 超イオン氷になると、この格子が膨らんで、酸素はそのままの位置にありながら、水素が移動するようになる。

 プラペンカ教授によると、「浮遊する水素原子の海に、酸素の格子があるようなもの」だ。

超イオン氷が水なのに黒い秘密

 この状態になると、氷の振る舞いも変わってくる。密度が下がり、光との相互作用が変化するのだ。だから色が暗くなる。

 ただ超イオン氷の振る舞いや特性は完全には解明されていない。新しい物質の状態なので、従来の予想とは違っている可能性もある。

 というのも、超イオン氷は50ギガパスカル以上の圧力(ロケット打ち上げ時の燃料内部のそれに相当)がなければ出現しないと考えられていたのだ。

 ところが、今回それが出現したとき、予想外にも20ギガパスカルしかかかっていなかった。つまり、まだまだ知られていない性質があるということだ。
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photo by Pixabay

地球外生命の探査にも関係

 さまざまな氷の相が出現する条件をきちんと把握することは、とりわけ惑星の形成を理解する上で重要なことだ。それは地球外生命の探査にも関係する。

 超イオン氷が作られる環境は、海王星や天王星などの内部にもあり、磁場の形成に大きな影響を与えていると考えられている。

 磁場は、生命にとってとても大切なものだ。たとえば私たちが地球で暮らせるのは、地球の磁場が有害な宇宙線や放射線を防いでくれるからだ。一方、そうしたバリアがない火星や水星には、それらが直接降り注いでいる。

 磁場が形成される条件を知ることは、宇宙のどこかにある生命を宿す惑星を探すときのヒントになるのだ。

References:Scientists find strange black ‘superionic ice’ that could exist inside other planets | University of Chicago News / written by hiroching / edited by parumo
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コメント

1

1. 匿名処理班

  • 2021年10月30日 20:12
  • ID:Vcvd9qg.0 #

何故か、西城秀樹の「炎」を言う曲を思い出しました

2

2. 匿名処理班

  • 2021年10月30日 20:32
  • ID:cuv7z0Na0 #

ttps://natgeo.nikkeibp.co.jp/atcl/news/19/051000268/

これかな?
『水から金色に輝く液体金属を生成することに成功』のときにコメントしたやつ。

まあすごいことだ。
この高圧技術は日本がトップで「ダイヤの圧縮面」の精度がダントツ。
しかも削って納品してるのが下町の工場とか。

3

3. 匿名処理班

  • 2021年10月30日 20:41
  • ID:jl4kU2hX0 #

なるほどわからん

あひゃひゃひゃ♪ヽ(゜∀。)ノ

4

4. 匿名処理班

  • 2021年10月30日 20:43
  • ID:6BN6Eec20 #

superionic iceの別称がice XVIIIなんだって
18番目の(水の)構造
どこまで増えるかな

5

5. 匿名処理班

  • 2021年10月30日 20:52
  • ID:ThgslCaw0 #

ふむふむ・・・ふむふむ・・・???ワカラン

6

6. 匿名処理班

  • 2021年10月30日 21:06
  • ID:etjEKikp0 #

これ実現出来たら火力発電や内燃機関の効率が爆発的に上がり
例えば現在の電池性能が数千倍にも能力上がる可能性あるな

7

7. 匿名処理班

  • 2021年10月30日 21:18
  • ID:KaFOeFwb0 #

石墨を高温圧縮してダイヤにするのを水でやってみたってこと?

8

8. 匿名処理班

  • 2021年10月30日 21:47
  • ID:uXZTtb5b0 #

※4
人間も温度と圧力かけたらhuman IIやhuman IIIに変化するのかな
そろそろ進化したい

9

9.

  • 2021年10月30日 22:05
  • ID:cDqqkJz70 #
10

10. 匿名処理班

  • 2021年10月30日 22:16
  • ID:IrMTnFEk0 #

※8
進化するにはそれに応じた石が必要だよね
海王星の石とか

11

11. 匿名処理班

  • 2021年10月30日 23:12
  • ID:cuv7z0Na0 #

ダイヤと石炭は同じ炭素から出来ていると聞いたことがあるだろう(C60も)。
炭素は原子の並び方などでその様子を変えるんだ、これを同素体という。

似たような物質には燐(白、赤など)硫黄(斜方・単斜・ゴム状)などがある。
理科実験でやったことがあるかもね。

同じことは、たった一つの元素だけでなく化合物でもできる。
酸化ケイ素は石英、水晶、ガラス(シリカガラス)と形態が変わる。
(このガラスを溶かすのは次の話)

さて今度は水。
水は、蒸気、水、氷に変わるけど、物質には気体、液体、固体の状態がある。
こちらは三態と呼ばれる、鉄でもそうだし、金属の水銀なんかは常温で液体だ。
(原子や分子の運動状態変化といえる)

12

12. 匿名処理班

  • 2021年10月30日 23:13
  • ID:cuv7z0Na0 #

つづき

さあ、少しややこしくなるよ。
同素体も三態も一気圧でのいまある物体のはなし、
もし気圧を変えたり温度を変えたりしたらどうなるかな?(触媒や電流、レーザーほかも使う)。
今回は水を使ったそういう研究。

「液体金属になった水」をつくったり、あるいは、まだ知らない変化をするかも。
その変化や性質、あるいは変化が起こる圧力・温度などの状態を調べようという実験。

先にかいた、ダイヤや水晶はものすごい圧力や高温で出来たことがわかってる。
今回の実験では「ものすごい高温でも融けない氷」をつくることに成功したんだ。
これは海王星などの核に存在すると予想されてたけど、実験でも確認できたわけ。

あとは誰か補足してください。

13

13. 匿名処理班

  • 2021年10月30日 23:36
  • ID:p1w1VCtP0 #

超イオン氷か
取り敢えず水素水的な怪しい商品が出て来ても「そんなもんそこらの工場で作れる訳ない」とハッキリ言えるな

14

14. 匿名処理班

  • 2021年10月31日 00:06
  • ID:Hl9ZGqyn0 #

「猫のゆりかご」の「アイス・ナイン」が思い浮かんだ

15

15.

  • 2021年10月31日 01:32
  • ID:Uz11y1jg0 #
16

16. 匿名処理班

  • 2021年10月31日 04:51
  • ID:ieVT3xfL0 #

>>6
状態変化だから超高温高圧下じゃないと溶けて水に戻るよ
実験室外での利用は今のところ難しいんじゃないかな

17

17. 匿名処理班

  • 2021年10月31日 05:15
  • ID:cQ0.UyQ00 #

次は超聖氷をお願いします

18

18. 匿名処理班

  • 2021年10月31日 08:20
  • ID:0bNT96OH0 #

高い圧力をかけると氷兇箸靴箸い状態になるのはよく知られていたけど、20万気圧でこうなるのか。

しかし
>まずダイヤモンドの間に水をはさみ、高圧をくわえる。次にダイヤモンド越しにレーザーを照射して加熱。これで高圧・高温環境を再現する。

こんな実験方法をよく考えつくもんだなあ。こういう技術的な着想も研究者には必須なんだろう。

19

19. 匿名処理班

  • 2021年10月31日 11:56
  • ID:rGhIOTPv0 #

※7
その延長ですね。
炭素じゃなくて、水の変化を調べてます。
圧力をかける部品にメチャ硬いダイヤを使って。
さらにレーザーでエネルギーを加えたり、電気で電荷を起こしたりとか。

日本では水に少し元素を混ぜてタールを合成しました。
これは地球の深いところで「岩の中に有機物が出来る」ことを証明したことになります。
そしてこれは「石油は生物由来でなくてもできる」「最初の生命は地中で誕生したかも」ということにつながります。
とても面白い実験です。

20

20. 匿名処理班

  • 2021年11月02日 02:13
  • ID:MALnTZfp0 #

酸素格子が自由水素で結びついている?
金属結合を生み出す自由電子みたいに
面白いな

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