最近、ニューヨーク州ブライトンのレーザーエネルギー研究所で、世界で最も強力なレーザーの 1 つが水滴を吹き飛ばし、水の圧力を数百万気圧に、温度を数千度に上昇させる衝撃波を作り出しました。わずか 1 秒で水滴を通過した X 線は、人類がこれらの極端な条件下で水を垣間見ることを初めて提供しました。
X線は、衝撃波内の水が過熱された液体または気体にならなかったことを明らかにしました.逆説的ですが、隣の部屋のスクリーンに目を細めた物理学者が予想していた通り、原子は固まり、結晶氷を形成しました。
カリフォルニア州ローレンス・リバモア国立研究所のマリウス・ミロット氏は、「銃声が聞こえ、すぐに何か興味深いことが起こっていることがわかります」と述べています。 Millot は、Lawrence Livermore の Federica Coppari と共同で実験を主導しました。
今日 Nature に掲載された調査結果 、奇妙な性質を持つ水の新しい相である「超イオン氷」の存在を確認します。冷凍庫や北極で見られるおなじみの氷とは異なり、超イオン氷は黒くて熱いです。その立方体は、通常の 4 倍の重さになります。それは 30 年以上前に初めて理論的に予測されました。これまで観測されたことはありませんでしたが、科学者たちは宇宙で最も豊富な水の形態の 1 つかもしれないと考えています。
太陽系全体では、少なくとも、地球、エウロパ、エンケラドスの海で揺れる液体を含む、他のどの段階よりも多くの水が超イオン氷として存在し、天王星と海王星の内部を満たしている可能性があります。超イオン氷の発見は、これらの「氷の巨人」の世界の構成に関する数十年にわたる謎を解決する可能性があります。
「ice Ih」として知られる、一般的な氷に見られる水分子の六角形配置を含む 科学者たちは、氷の結晶の当惑する 18 のアーキテクチャをすでに発見していました。 2 つのフォームがあるアイス I の後、Ih そして私はc 、残りは発見順にIIからXVIIまで番号が付けられています。 (はい、Ice IX はありますが、Kurt Vonnegut の小説 Cat's Cradle の架空の終末物質とは異なり、不自然な条件下でのみ存在します。 .)
超イオン氷がアイス XVIII のマントを獲得できるようになりました。それは新しいクリスタルですが、ひねりがあります。これまでに知られている水の氷はすべて、無傷の水分子でできており、それぞれに 1 つの酸素原子が 2 つの水素に結合しています。しかし、超イオン氷は、新しい測定結果が確認したように、そうではありません。それは一種のシュルレアリスムの辺境、部分的に固体、部分的に液体の中に存在します。個々の水分子がバラバラになります。酸素原子は立方格子を形成しますが、水素原子は自由にこぼれ、酸素の硬いかごの中を液体のように流れます。
専門家は、超イオン氷の発見はコンピューターの予測を立証するものであり、材料物理学者が特注の特性を備えた将来の物質を作成するのに役立つ可能性があると述べています。また、氷を見つけるには、超高速測定と温度と圧力の微調整が必要であり、実験技術が進歩しました。氷 XIII、XIV、XV を発見したユニバーシティ カレッジ ロンドンのクリストフ ザルツマン氏は、次のように述べています。 「確かに大きな影響を与えるでしょう。」
あなたが誰に尋ねるかに応じて、超イオン氷は、水のすでに雑然としたアバターの配列への別の追加であるか、さらに奇妙なものです.フランス国立科学研究センターとピエール・マリー・キュリー大学の物理学者リヴィア・ボヴェは、水の分子がばらばらになるため、それはまったく新しい水の相ではない、と述べています。 「これは物質の新しい状態です」と彼女は言いました。「これはかなり壮観です。」
氷の上に置かれたパズル
1988 年に Pierfranco Demontis が主導した原始的なコンピューター シミュレーションで、水が既知の氷相のマップを超えると、この奇妙でほとんど金属のような形になると予測されて以来、物理学者は何年も超イオン氷を探してきました。
極度の圧力と熱の下で、シミュレーションは水分子が壊れることを示唆しました。酸素原子が立方格子に閉じ込められると、「水素は結晶内のある位置から別の位置にジャンプし始め、再びジャンプし、再びジャンプします」とミロットは言いました.格子サイト間のジャンプは非常に速いため、水素原子はイオン化され、本質的に正に帯電した陽子になりますが、液体のように動いているように見えます。
これは、超イオン氷が金属のように電気を伝導し、水素が電子の通常の役割を果たしていることを示唆しています。これらのゆるい水素原子が噴出すると、氷の無秩序、つまりエントロピーも増加します。次に、そのエントロピーの増加により、この氷は他の種類の氷の結晶よりもはるかに安定し、融点が上昇します.
しかし、これはすべて想像するのは簡単で、信頼するのは難しい.最初のモデルは単純化された物理学を使用し、実際の分子の量子的性質を巧みに利用していました。その後のシミュレーションでは、より多くの量子効果が折り畳まれましたが、相互作用する複数の量子体を記述するために必要な実際の方程式は回避されました。代わりに、彼らは概算に頼っており、シナリオ全体がシミュレーションの単なる蜃気楼である可能性を高めています.一方、実験では、この丈夫な物質でさえも溶かすのに十分な熱を発生させなければ、必要な圧力を加えることができませんでした.
しかし、問題が煮詰まるにつれ、惑星科学者たちは、水が超イオン氷相を持っているのではないかという独自の疑念を抱くようになりました。位相が最初に予測されたちょうどその頃、探査機ボイジャー 2 号が太陽系の外縁部に到達し、氷の巨人である天王星と海王星の磁場について奇妙なことが明らかになりました。
太陽系の他の惑星の周りのフィールドは、明確に定義された北極と南極で構成されているようで、他の構造はあまりありません。回転軸に合わせて中心に棒磁石があるだけのようです。惑星科学者はこれを「ダイナモ」と呼んでいます。惑星が回転するにつれて導電性流体が上昇して渦を巻き、巨大な磁場を発生させる内部領域です。
対照的に、天王星と海王星から発せられる磁場は、2 つ以上の極があり、より塊状でより複雑に見えました。彼らはまた、惑星の自転にそれほど厳密に整列していません。これを生成する 1 つの方法は、ダイナモの原因となる導電性流体を惑星のコアに到達させるのではなく、惑星の薄い外殻に閉じ込めることです。
しかし、これらの惑星がダイナモを生成できない固体コアを持っている可能性があるという考えは、現実的ではないように思われました。これらの氷の巨人に穴を開けると、最初にイオン水の層に遭遇することが予想され、それが流れ、電流を伝導し、ダイナモに参加します.単純に言えば、さらに深い物質は、さらに高温で流体になるようです。ジョンズ・ホプキンス大学のサビーン・スタンレー氏は、「私はいつも、天王星と海王星の内部がしっかりしているはずがない、と冗談を言っていました。 「しかし今、彼らが実際にそうかもしれないことが判明しました。」
アイス オン ブラスト
ついに、コッパリ、ミロットと彼らのチームがパズルのピースをまとめました。
昨年 2 月に発表された以前の実験で、物理学者は超イオン氷の間接的な証拠を構築しました。彼らは、カットされた 2 つのダイヤモンドの尖った端の間に室温の水滴を絞りました。圧力が約ギガパスカル、つまりマリアナ海溝の底の約 10 倍にまで上昇するまでに、水は氷 VI と呼ばれる正方晶に変化しました。約 2 ギガパスカルで、それは氷 VII に切り替わっていました。これは、科学者が最近、天然ダイヤモンド内の小さなポケットにも存在することを発見した肉眼で透明な、より密度の高い立方体です。
次に、レーザーエネルギー研究所でオメガレーザーを使用して、ミロットと同僚はまだダイヤモンドアンビルの間にある氷VIIを標的にしました.レーザーがダイヤモンドの表面に当たると、材料が上向きに蒸発し、効果的にダイヤモンドを反対方向に飛ばし、氷を通して衝撃波を送った.ミロットのチームは、彼らの超高圧氷が摂氏約 4,700 度で溶けることを発見しました。これは、超イオン氷の予想とほぼ同じであり、帯電した陽子の動きのおかげで電気を伝導することがわかりました.
超イオン氷のバルク特性に関するこれらの予測が確定したことで、コパリとミロットが率いる新しい研究は、その構造を確認する次のステップに進みました。 「何かが結晶であることを本当に証明したいのなら、X線回折が必要です」とザルツマンは言いました。
彼らの新しい実験では、氷 VI と VII が完全にスキップされました。代わりに、チームは単純にダイヤモンドの金床の間でレーザーを吹き付けて水を砕きました。 10 億分の 1 秒後、衝撃波が波及し、水がナノメートル サイズの角氷に結晶化し始めると、科学者はさらに 16 のレーザー ビームを使用して、サンプルの隣にある鉄の薄いスライバーを気化させました。結果として生じた高温のプラズマは、X 線で結晶化水をあふれさせ、X 線は氷の結晶から回折し、チームはそれらの構造を識別できるようになりました。
水中の原子は、長い間予測されていたがこれまでに見られなかった構造であるアイス XVIII に再配置されました。アイス XVIII は、酸素原子が各面のすべての角と中心にある立方格子です。 「これはかなりのブレークスルーです」と Copari 氏は言いました。
「この相の存在が量子分子動力学シミュレーションの成果物ではなく、現実のものであるという事実は、非常に心強いです」と Bove 氏は述べています。
そして、シミュレーションと実際の超イオン氷の背後にあるこの種の成功したクロスチェックは、物質物理学研究者の究極の「夢」がすぐに手の届くところにあることを示唆しています.大学に拠点を置く発見チームのメンバーである Raymond Jeanloz は、次のように述べています。カリフォルニア、バークレー。 「コミュニティ全体が近づいています。」
新しい分析はまた、超イオン氷はある程度の電気を伝導しますが、どろどろした固体であることを示唆しています。時間の経過とともに流れますが、真にチャーンするわけではありません。天王星と海王星の内部では、流体の層が惑星の約 8,000 キロメートル下で停止する可能性があり、そこでミロットのチームが生成したような動きの鈍い超イオン氷の巨大なマントルが始まります。これは、ほとんどのダイナモ活動をより浅い深さに制限し、惑星の異常なフィールドを説明します.
太陽系の他の惑星や月は、超イオン氷を可能にする温度と圧力の適切な内部スイートスポットをホストしていない可能性があります.しかし、多くの氷の巨大な太陽系外惑星が存在する可能性があり、この物質が銀河全体の氷の世界の内部で一般的である可能性があることを示唆しています.
もちろん、実際の惑星には水だけが含まれているわけではありません。私たちの太陽系の氷の巨人も、メタンやアンモニアなどの化学種を混ぜています。自然界で超イオンの挙動が実際にどの程度起こるかは、「水を他の物質と混ぜたときに、これらの相がまだ存在するかどうかに依存するだろう」とスタンレー氏は述べた.これまでのところ、それは明らかではありませんが、他の研究者は超イオンアンモニアも存在するはずだと主張しています.
チームは、研究を他の物質にまで拡大するだけでなく、超イオン結晶の奇妙でほとんど逆説的な二重性に焦点を合わせ続けることも望んでいます。酸素原子の格子を捉えることは、「明らかに、私がこれまでに行った中で最も挑戦的な実験です」とミロットは言いました。彼らは、格子を通過する陽子の幽霊のような隙間の流れをまだ見ていません。 「技術的にはまだそこまで到達していませんが、この分野は非常に急速に成長しています。」
