実験中に予期せぬ新しい形の氷を発見

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この研究は、水のような単純な分子について科学者たちがまだどれほど学ばなければならないかを示しています。

ケネス・チャン著

普通の凍った水を振って冷やすと、ただしかき混ぜることはありませんが、別のものに変わります。それは、ユニークな特性を持つ分子がごちゃ混ぜになって作られた、新しく発見された氷の形です。

英国のユニバーシティ・カレッジ・ロンドンの化学教授で、木曜日にサイエンス誌に発表された氷についての論文の著者であるクリストフ・ザルツマン氏は、「これはまったく予想外であり、非常に驚​​くべきことだ」と語った。

水は何世紀にもわたって科学者によって熱心に研究されてきた単純な分子です。2 つの水素原子が中心の酸素原子から 104.5 度の角度で V 字型に突き出ています。

今回の新たな発見は、水という分子がなければ生命の存在が不可能であることが、まだ明らかにされていない科学的な驚きを隠していることを改めて示した。 この実験では、太陽系の他の場所や宇宙全体に存在する可能性のある氷の形態を明らかにするために、比較的単純で安価な装置が使用されました。

日常生活では、私たちは 3 つの形態の水に遭遇します。蒸気のような気体ガス、流れる液体の水、そして硬くて滑りやすい氷です。 私たちの日常の氷は、水分子が六角形に並び、その六角格子がきれいに重なってできています。 六角形の構造はしっかりと詰まっていないため、氷は液体の水よりも密度が低く、浮遊します。

地球上で一般的に起こる温度と圧力の順列の外側では、水分子が他の結晶構造に押し込まれる可能性があります。 科学者たちは現在、20 種類の水の結晶形態を知っています。 昨年、20番目の氷の形が発見された。

さらに、研究者らは、分子がごちゃ混ぜになった2種類の氷、いわゆるアモルファス物質を記録している。 非晶質氷の 1 つは水よりも密度が高いため、高密度非晶質氷として知られています。 もう 1 つは水よりも密度が低い、低密度の非晶質の氷です。 無定形の氷は地球上には存在しませんが、宇宙空間、彗星、星間雲、木星の衛星エウロパのような氷の世界に広く存在する可能性があります。

水にも液体と固体の両方があるタイプがあります。 2018年、科学者たちは固体であると同時に液体である「超イオン水」の生成を発表しました。

ザルツマン博士と彼の同僚は、水の氷のカタログを追加するつもりはありませんでした。 代わりに、彼らは非常に小さな氷の結晶を研究したいと考えました。なぜなら、何かの極小の断片は、同じもののより大きな断片とは非常に異なる特性を持っていることがあるためです。

そこで、ザルツマン博士の研究グループの博士研究員であり、サイエンス論文の筆頭著者であるアレクサンダー・ロスフィンセン氏は、氷を砕き始めた。 まず水の氷を液体窒素で華氏マイナス320度まで冷却し、鋼球と一緒に容器に入れました。 次に、極低温で冷えたままの氷と鋼球を機械が毎秒 20 回前後に振り、氷を小さな断片に粉砕します。このプロセスはボールミリングとして知られています。

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その後、ロスフィンセン博士は容器を開けました。

「なんと、全く予期せぬことが起こったのです」と、現在ネイチャー・レビュー・ケミストリー誌の副編集長を務めるロス・フィンセン博士は語った。

中の白い物質は砕いた氷のように見えましたが、変形していました。

材料はより高密度になり、結晶構造の多くが破壊され、非晶質材料が生成されました。 しかし、その密度は、すでに知られている高密度および低密度の非晶質氷とは一致しませんでした。 興味深いことに、それはその中間に位置しました。 実際、それは液体の水とほぼ同じ密度でした。 これまで、結晶または非晶質にかかわらず、固体の氷はすべて、液体の水よりも密度が大幅に高かったか、低密度でした。