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水とほぼ同じ密度の奇妙な新しい氷が発見された

氷の入ったコップに水を注ぐと氷は水に浮く。これは、氷の密度が液体である水よりも小さいためだが、今回新しく発見された氷は水とほぼ同じ密度を持っているとのことだ。

2月3日付けの科学誌『Science』誌に、「Medium-density amorphous ice」と題して掲載された論文の中で、水の入ったコップの中に入れてもすぐに溶ける事がなく、浮きも沈みもせずにゆらゆらと揺れ動く不思議な氷のことが紹介されている。

この新しい氷は、アモルファス氷と呼ばれる特殊なものである。つまり、通常の結晶性の氷のように、水分子がきれいなパターンで並んでいるわけではない。アモルファス氷は他にも知られているが、標準的な条件下での水の密度より低いか高いかのどちらかである。研究チームは、この新しい氷を「中密度アモルファス氷(MDA)」と命名した。MDAが、水にまつわる科学的な謎の解明につながるのではないかと期待する科学者もいる。

この新しい氷を作るための方法は、驚くほどシンプルな方法だ。77ケルビン(摂氏約-200度)に冷却した氷とステンレス球を入れた容器を揺するという単純なもので、鉱物加工で材料をすりつぶしたり混ぜたりするのに使われる「ボールミル」としてよく知られている。研究者たちも、まさかこんな手法で新しいアモルファス氷ができるとは思っていなかったようだ。「『氷をボールミルにして、どうなるか見てみようじゃないか。』と言ったんです。」と、 UCLの化学者で研究の共著者であるChristoph Salzmann氏は述べている。

ボールミルを使って、結晶化した氷を1秒間に20回ほど揺すった。金属球は氷に「せん断力」を与え、白い粉末に分解されたと、Salzmann氏は説明する。

この粉末にX線を照射し、跳ね返ってくるX線を測定する方法(X線回折法)で分析したところ、アモルファス氷ができたことが示唆された。また、ボールミルによる粉砕を模倣したコンピューターシミュレーションを行ったところ、ボールの力に反応して氷の層がランダムな方向に滑り、無秩序な構造を作り出せることがわかった。

「MDAの発見は、液体の水の性質について多くの疑問を投げかけるものであり、MDAの正確な原子構造を理解することは非常に重要です」と、計算機によるモデリングを行った共著者のMichael Davies博士は述べている。「私たちは、MDAと液体の水の間に驚くべき類似性を見いだしました。」

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通常の結晶質の氷(左)を、低温のステンレス球で揺らすと、無秩序な固体に変化する様子をコンピュータシミュレーションで明らかにした。シミュレーションで氷の層をランダムにずらすと、水分子(赤とグレー)が再配列して、アモルファス氷(右)と呼ばれるごちゃごちゃしたスクラムになった。 (Credit: University of Cambridge)

普通の氷をつぶして作ったものなので、液体の水との関係は不明だ。液体の水を冷やすことで直接生成できるのかどうかも不明だ。すべてのアモルファス氷が、このように液体状態との関係を共有しているわけではない。

もし、この新しい氷が液体と結びついていれば、水の奇妙な性質について科学者がよりよく理解できるようになるかも知れない。水が不可解なのは、液体としての常識に反しているからだ。例えば、ほとんどの液体は冷やすと濃くなるが、水は4℃に近づくと濃くなり、さらに冷やすと濃くなくなるのだ。

多くの科学者は、水の奇妙さは過冷却液体としての挙動に関係していると考えている。純粋な水は、氷点下をはるかに下回る温度でも液体のままである。そのような条件下では、液体の水は高密度の液体と低密度の液体の2つの異なる相で存在すると考えられており、その2つの性質によって、より一般的な条件下での水の振る舞いを説明できると考えられている。しかし、その考えにはまだ不明な点が多い。

カリフォルニアのローレンス・リバモア国立研究所の物理学者であるMarius Millot氏は、Nature誌に対し、この結果は「かなり説得力がある」と述べている。「これは、水についてまだ解明しなければならないことがあるということを示す好例です。」

主執筆者であるケンブリッジ大学のAngelos Michaelides教授は、次のように述べている。「一般に、アモルファス氷は宇宙で最も豊富な水の形態であると言われています。今、そのうちのどれだけがMDAなのか、そしてMDAがどれほど地球物理学的に活性なのかを理解するための競争が始まっているのです。」と述べています。


論文

参考文献

研究の要旨

アモルファス氷は様々な宇宙論的プロセスを支配しており、液体の水の異常性を説明する鍵となる物質である可能性がある。低密度と高密度のアモルファス氷の間にはかなりの密度差があり、その中間に液体の水が存在することが、現在の水の理解の基礎になっている。しかし、私たちは、普通の氷Ihを低温でボールミルすると、この密度差の中に構造的に異なる中密度アモルファス氷(MDA)ができることを示した。この結果は、MDAが液体の水の真のガラス状態である可能性、あるいは、激しくせん断された結晶状態である可能性を示している。特に、MDAを低温で圧縮すると再結晶エンタルピーが急激に上昇することから、H2Oが高エネルギーの地球物理学的物質であることが明らかになった。

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masapoco

TEXAL管理人。中学生の時にWindows95を使っていたくらいの年齢。大学では物理を専攻していたこともあり、物理・宇宙関係の話題が得意だが、テクノロジー関係の話題も大好き。最近は半導体関連に特に興味あり。アニメ・ゲーム・文学も好き。最近の推しは、アニメ『サマータイムレンダ』

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