氷には、冷凍庫や氷河で見られるものよりもさまざまな形があります。 1900 年以来、科学者たちは 20 以上の氷の相を観察してきましたが、その多くは極端な条件下で形成されました。増え続けるリストには、熱い氷だけでなく、電気を通す氷さえも含まれています。
氷は、固体および結晶質の水の相の名前であり、繰り返しの分子構造を持っていることを意味します。過去 10 年間にわたり、コンピューター シミュレーションにより、考えられる氷の形状が何万も予測されてきました。私たちの地球上では珍しいものですが、冷たい不定形の彗星の尾から、熱くて砕けそうな氷の惑星の核に至るまで、地球外の環境にエキゾチックな氷が存在する可能性があります。
物理学者は改良された実験技術を使って水をテストし、驚くべきことを発見し続けています。 「水を採取し、それを圧縮する方法、つまり少し速く、少し遅く、適切なタイムスケールで上下に圧縮すると、まったく予想外の動作が見られることがあります。」とカリフォルニアのローレンス リバモア国立研究所 (LLNL) の研究科学者、マリウス ミロー氏は述べています。
古い仮定を捨て、新しい技術を適用することで、科学者たちは過去 1 年間で 3 種類の新しい氷を発見しました。そのうちの 2 つは、これまでに観察された中で最も複雑な氷相です。ケンブリッジ大学の物理学者クリス・ピカード氏は、「現時点では注目に値する時代のようだ」と語った。 「彼らは実際に、こうした構造物をさらに多く発見しています。」
スペース・オディティ
水の形状により、非常に多用途に使用できます。その分子構造は、さまざまな可能な構成で組み立てることができます。
各水分子は、電磁力によって広がった 4 本のアームを持つ中央ユニットのように見えます。中心単位は酸素原子です。 2 つの水素原子が結合しており、余分な手足のように突き出ているのは、残った 2 対の自由電子です。
マーク・ベラン/クアンタ・ マガジン
最も一般的な氷の形態では、これらの構成要素が結合して籠のような六角形の構造を形成します。この配置の広さにより、一般的な氷は液体の水よりも密度が低くなります。これが氷が浮く理由であり、水域が上から下に凍って水中生物が冬を越せる理由です。
ただし、水に圧力をかけると、その形状が圧縮され、無限にある可能性のあるパターンで重なり合う可能性があります。スイス連邦工科大学ローザンヌ校の物理学者、リヴィア・ボーブ氏は、水は非常に多くの異なる形態をとる可能性があるため、環境によって「水の物理学と化学は完全に異なる可能性がある」と述べた。 「トポロジカルに美しいですね。」
2018年、ヨーロッパと日本の国際研究グループは、未発見の氷の形態を予測することを目的として、水分子の動態に関する野心的なコンピューターシミュレーションを作成した。その結果、75,000 を超える相のカタログが作成されました。各相は、温度と圧力の異なる組み合わせにさらされたときに水分子が結合するわずかに異なる方法によって特徴付けられました。
リヴィア ボーブのチームは最近、氷の衛星の核に存在すると考えられる一種の「プラスチック」氷を発見しました。
Livia E. Bove の提供
実際には、科学者はこれほど多くの段階に近い場所が見つかるとは期待していません。構造が数学的に可能であるからといって、それが自然界に形成されることを意味するわけではありません。 LLNL の物理学者、フェデリカ・コッパリは、「新しい相の存在に関する主張がシミュレーションのみに基づいている場合、常に多少の不確実性が伴います」と電子メールで書いています。
一部のフェーズでは、形成するのに途方もない量のエネルギーが必要になります。すぐに倒れてしまうほどもろいものもある。科学者は、実現可能と思われる予測のみに絞り込もうとします。シミュレーションに携わったピカード氏は、「フィルタリングにより、より少ない数に絞り込まれます」と述べた。 「しかし現実には、そのフィルターをどのように配置するか正確にはわかりません。」
To discover the forms that ice actually takes, scientists head to the laboratory.
プレッシャー
2018年、ヨンジェ・キム氏は韓国標準科学研究院（KRISS）の博士研究員として、極度の圧力下で室温の水がどのようにして氷に変化するかを研究していた。この実験では、2 つのダイヤモンドの間に水滴を絞り、高速イメージングやその他の分析技術を使用してその変化する分子構造を研究することが含まれていました。
実験のデータを調べているうちに、キム氏は最初は間違いのように見えたものに気づきました。ほんの数十ミリ秒の間、氷はその構造を失い、次の段階に移行する前に分子の混乱に溶け込んだように見えました。キムさんは汗や泥で水が汚染されているのではないかと心配した。 「あの段階では興奮よりも不安の方が大きかった」と彼は言う。彼はその観察結果をチームの他のメンバーと共有しましたが、それをフォローアップする時間がなくなってしまいました。
2025年、KRISSの研究者はキムのダイヤモンドシステムを使用して同じ実験の改良版を実行し、奇妙な構造を再現することに成功した。それは非常に複雑だったので、最初はほとんどランダムに見えました。 「しかし、一歩外に出てみると、その構造が巨視的に見えてきます。それには周期性があります。」
研究者らは、そのセットアップをドイツの欧州X線自由電子レーザー施設に持ち込んだ。この施設には、長さ3.4キロメートルのトンネルを通して電子を加速し、特殊な磁石を通して電子を送りX線バーストを生成するレーザーが設置されている。 「X 線のビームが明るいほど、結晶構造のより良い写真が得られます」とピッカード氏は言いました。
科学者らは氷に高出力のX線レーザービームを照射し、ビームがどのように散乱するかを測定した。氷のほとんどの相は、結晶パターンがいくつかの分子の後に繰り返されるため、ほんの数方向に反射する光線を送ります。しかし、このサンプルは、およそ 15 の異なる経路に沿って光を送りました。科学者たちが画像を分析したところ、結晶パターン内の分子の数はなんと 152 個でした。チームによる構造の観察により、氷の相はローマ数字で「ice XXI」という正式な名前が付けられました。
さらに、新しいフェーズはまったくの驚きでした。チームはピカード氏のグループが予測した何万ものフェーズを調べて一致するものを探しましたが、見つかりませんでした。氷 XXI の繰り返し構造は、シミュレーションが探索の上限とするサイズを超えていたことが判明しました。 「彼らは基本的に、私たちが見つけたものよりもはるかに複雑なものを発見しました」とピカード氏は言いました。
KRISS チームには知られていないが、岡山大学のグループは、やはり 2018 年に作成された別のより狭いシミュレーションで実際にその構造を予測していた。より焦点を絞ったシミュレーションでは、まだ発見されていない氷の追加の 2 つの相が予測された。
変更点
KRISS の研究者と現在 LLNL にいるキムの研究者は、氷の新しい相を発見することを目指していたわけではありません。むしろ、彼らは、水がどのように相から相へと移行するかに関連する、水の別の奇妙な特性を調査したいと考えていました。相転移の古典的な理論では、あらゆる系は最低エネルギー状態に戻ると予測されています。しかし、水は常に予測に従うわけではありません。
たとえば、キムのサンプルは、ダイヤモンド装置による圧迫に反応して、最も安定した状態に直接ジャンプすることはありませんでした。その圧力レベルでは、氷 VI と呼ばれる形状になります。代わりに、水から氷 XXI、そして氷 VII へと飛び跳ねました。これらの中間段階は準安定状態と呼ばれ、その存在は、一部の相転移が一度にではなく段階的に起こることを示しています。
水の準安定状態は、オストワルドの階段則と呼ばれる相転移理論を裏付けています。この理論は、ドイツの物理化学者でアルバート・アインシュタインの同僚であるヴィルヘルム・オストワルドにちなんで名付けられました。 （アインシュタインは当初、オストワルドの研究室への就職を断られましたが、その後二人は友人となり、最終的にオストワルドはアインシュタインをノーベル賞に推薦しました。）オストワルドのステップ則は、システムが熱力学的に最も安定した状態ではなく、最も近くて最も到達しやすい位相状態に移行し、その後行き詰まってしまうことがあることを示唆しています。 「よく逆説的ですが、最も簡単に形成できる状態が、最も不安定な状態になることもあります」とピカード氏は言いました。
東京大学の小林弘樹氏率いるグループは、プレプリント記事で報告されているように、さまざまな技術を使用して氷 XXI を再現することで、すでに氷 XXI の発見を追跡調査している。その過程で、彼らは近くにある相 (現在は氷 XXII と呼ばれています) を発見しました。これはさらに複雑で、304 分子ごとにのみそのパターンを繰り返しています。
同グループは、より低い温度で、氷 IV を確実に生成する方法も考え出した。氷 IV は、非常にとらえどころのない氷の準安定相であり、民話で旅行者を誘惑する幽霊のような光にちなんで、「ウィスプ」という名前が付けられている。
科学者たちはより多くの準安定状態を観察するにつれて、オストワルド理論のこの応用が、氷の中だけでなく、医学で使用される結晶を含む他の種類の結晶において相転移がどのように機能するかを正確に説明しているという証拠を収集している。医薬品の段階を変更すると、その有効性が変化する可能性があるため、工場はそれを防ぐ必要があります。 「時には、薬物がある段階から別の段階に変化し、バッチ全体が台無しになることがあります」とピカード氏は語った。オストワルドの理論は、それがいつ起こるかを予測するのに役立ちます。
レッツ ダンス
2025年、ローザンヌのボーブのチームは、小さいながらもある意味奇妙な氷の準安定相を発見した。 Nature に掲載された研究によると 、彼らはプラスチックの氷VIIの最初の観察を報告しました。これは、氷が摂氏約 500 度まで加熱されたときに現れる氷の高圧相である氷 VII の一種です。
