氷について考えるのをやめて火について考え始める温度があります。 100℃で水は沸騰します。 1,000℃では、どんな水たまりもずっと前に水蒸気に変わっています。 そして 2,000 ℃を超えると、常識的には水は水でなくなるはずです。 かなりの程度、原子と粒子の混合物になります。しかし、常識は天王星の内部に存在したことはありません。
パリの原子力・代替エネルギー委員会の物理学者、アレクシス・フォレスティエ率いる科学者チームは、2,000℃を超える固体の水という、矛盾しているように思えるほど極端な条件下で新たな形態の氷を観察した。実験では、約 2,357 ℃に相当する 2,630 ケルビン、および 219 ギガパスカルの圧力に達しました。 地表の大気圧の200万倍以上。結果は、 物理的なレビューレター、理論的には予測されていたが、これまで明確に観察されていなかった氷の構造が明らかになりました。
この「氷」の鍵は一言で言えば「圧力」です。地球上で水を加熱すると、その分子はエネルギーを獲得して分離し、液体は最終的に蒸気に変わります。しかし、同時に水を異常な力で圧縮すると、挙動が変わります。 圧力により、通常の状態のように粒子が分離することが防止されます。 そして酸素原子が異常に近くに留まるように強制します。
いわゆる氷の巨人の内部で起こり得ることと同様の現象を再現するために、フォレスティアのチームは、2 つのダイヤモンドの先端の間に小さな水のサンプルを導入しました。ダイヤモンドアンビルセルとして知られるこれらの装置を使用すると、微量の物質を想像を絶する圧力まで圧縮することができます。 次に、レーザーを使用して温度を上げ、シンクロトロンからの X 線ビームを使用して原子がどのように組織化されるかを観察しました。 彼らが発見したのは、hcp として知られる構造でした。 六角形最密充填 （またはコンパクトな六角形構造）。飲み物に入れるキューブのような氷ではありません。この名前は、酸素原子が結晶格子内でどのように配置されているかを説明しているだけです。
この形態の氷は超イオンとして知られる物質の状態内に現れるため、この発見はさらに奇妙です。日常の氷のことを考えると、不可能に思えることがその中で起こります。: 酸素原子は比較的固定されたままで固体構造を形成しますが、水素原子核はその中をより自由に移動できます。、液体のように動作します。ある意味、固体と液体の性質を併せ持つ物質です。
この研究の著者らは、圧力と温度が上昇するにつれて、hcp 構造が、fcc (面心立方構造) と呼ばれる別の既知の超イオン氷の形態に対して優位性を獲得したことを観察しました。 に 155ギガパスカルおよび1,727℃ 両方の構造の混合物が現れました。に 197ギガパスカルおよび1,977℃、hcp 氷に対応するシグナルははるかに明白でした。最後に、 219ギガパスカルおよび2,357℃、fcc Ice シグナルが実質的に消失している間、hcp 構造は明らかに支配的です。、fcc Ice シグナルは実質的に消失していますが、hcp 構造は明らかに支配的です。
この現象は単なる実験室の奇妙な現象ではありません。天王星と海王星の内部で何が起こっているのかを理解するのに役立ちます。どちらの惑星も氷の巨人と呼ばれています。 ただし、「アイスクリーム」という言葉を低温と関連付けると誤解を招きます。 その深部では、圧力と温度の組み合わせにより、地球の表面には自然には存在しない物質の状態が生成されることがあります。超イオン氷もその 1 つであり、その内部の構成要素である可能性があると考えられています。
そしてここで特に興味深い結果が現れます。超イオン水は、水素原子核が酸素構造の中を自由に移動できるため、電気を通すことができます。 この能力は天王星と海王星の磁場の生成に関連している可能性があります。これは非常に奇妙です。それらは惑星の回転軸に対して傾いており、地球の磁場の幾何学よりもはるかに不規則な幾何学構造をしています。
新しい hcp 構造は、これらの世界で物質と電荷がどのように移動するかについてのいくつかのモデルの修正を余儀なくされる可能性があります。その電気伝導率が fcc 氷の電気伝導率と異なることが判明すれば、それらの磁場がどのように生成されるかについての私たちの理解も変わる可能性があります。しかし 科学者たちはまだ、新しい氷のすべての特性を正確に知っているわけではありません そしてその安定性、導電率、機械的挙動を決定するには新たな実験と理論計算が必要であると彼らは指摘している。
さらに、この発見にはちょっとした皮肉もあります。研究者らは以前の実験を検討し、130ギガパスカル以上で観察されたX線回折シグナルがおそらくすでにhcp氷に対応していることを発見した。 氷はそこにありました。彼らはそれを認識する方法をまだ知らなかっただけです。 新しい研究は、約200ギガパスカルを超えると、この構造が超イオン氷の最も安定した形態になる可能性があることを示唆している。
そうです。彼らは 2,000 °C 以上の温度で氷を作成したと言えます。しかし、実際の話はさらに魅力的です。彼らは、圧力が惑星の内部に典型的なレベルに達すると、温度だけでは水がどのような状態になるかを判断するのに十分ではないことを示しました。 地球では、氷を加熱すると溶けます。 天王星と海王星の深さでは、おそらく水には別の答えがあるかもしれません。氷が熱に勝ったわけではない。 問題は、惑星の圧力の下で、氷は私たちの直感に従いなくなるということです。
