高温と極度の圧力により、結晶氷と液体の水の両方の性質を持つ氷が作られる。
科学者たちはついに、プラスチック氷を観測した。これは固体の氷と液体の水が混ざり合った一種の混成相で、海王星や木星の衛星エウロパのような氷惑星の内部で形成される可能性がある。
プラスチック氷では、個々の分子は固体のように結晶格子内で固定された位置に保持されながら、液体のように回転することが可能である。
異星の海の奥深くに存在すると考えられていた奇妙な種類の氷が、ついに存在することが証明され、研究者たちは初めて、高温高圧下で形成され、固体の氷と液体の水の両方の特性を示す「プラスチック氷」と呼ばれる水のハイブリッド相を直接観測しました。
2月12日付けのNature誌に報告された
この観測結果は、太陽系内外の惑星、そしてその一部は生命居住可能な可能性を秘めた惑星の内部構造とプロセスを研究者がより深く理解するのに役立つ可能性がありプラスチック氷は「液体と結晶の中間のようなもので、握ると柔らかくなるのが想像できるでしょう」と、パリのCNRSの物理学者リヴィア・ボーヴ氏は説明する。
プラスチック氷と呼ばれるのは、典型的な結晶氷よりも容易に成形または変形できるためで、科学者が可塑性と呼ぶ特性を示すとボーヴ氏は説明する。「まるで、まだ固体のままでも、穴を（押し込んで）抜け出せるようなものなのです」地球の表面の氷の大部分は、氷角、氷河、雪など、蜂の巣のような六角形の格子に水分子が並んでできている。
科学者はこの一般的な氷を氷 lh として分類している。しかし、氷 Ih に加えて、異なる圧力と温度条件で形成される少なくとも 20 種類の他の既知の氷相がある。
星の内部でも発生する可能性
20,000 バール以上の圧力、または 1 平方センチメートルあたり 20,000 キログラム以上の圧力では、氷格子は圧縮されて氷 VII となる。これは、分子がルービック キューブの立方体のように整列した高密度の立方構造の多形である。氷 VII は、地球のマントルから発生したダイヤモンドに閉じ込められているのが発見されており 、他の惑星の内部でも発生すると考えられている。
また、カート ヴォネガットのファンは、 1996 年に氷 IX が発見されたというニュースに興味があるかもしれないが、氷 IX には海洋全体を凍らせるほどの恐ろしい力はない。
液体のように自由に回転
存在が理論上のみ想定されている氷相も存在します。15年以上前、コンピューターシミュレーションにより、氷VIIを加熱し超高圧にさらすと、個々の水分子は固体のように固定された位置を占めながら、液体のように自由に回転し始めることが示されました。
この仮説上の相は氷VIIと同じ立方晶構造をとっていたため、プラスチック氷VIIとして知られるようになりました。しかし、当時はそのような高圧下での実験は技術的に不可能だったため、プラスチック氷の存在を裏付ける確固たる証拠は長年にわたり科学者の手に負えませんでした。
ボーヴ氏らは今回の研究で、フランス・グルノーブルのラウエ・ランジュバン研究所が所有する、極圧下における分子の運動を測定できる比較的新しい装置を利用した。実験では、水サンプルに中性子ビームを照射し、最高326℃、最高6万バールの圧力にさらした。
入射した中性子はサンプル中の水分子と相互作用し、水分子の運動量と回転量に応じてエネルギーを増減した後、検出器に向かって散乱した。散乱した中性子のエネルギーを測定することで、ボーヴ氏のチームは分子の運動を特徴づけ、形成された相を特定することができた。
177℃以上、約3万バール（地球の海の最深部の圧力の約28倍）を超える温度で、ボーヴ氏のチームは立方晶格子を持つ氷の相を観測した。この相は水分子が液体の水とほぼ同じ速度で回転していた。彼らはこの相を塑性氷VIIと特定し、その存在を最終的に確認した。
しかし、観測されたある詳細は予測とは異なっていました。水分子は自由に回転するのではなく、ぎくしゃくした動きで回転しているように見えました。ボーヴ氏によると、分子が回転すると、隣接する分子との水素結合が切断され、すぐに向きを変えて別の分子と結合するのです。
シアトルにあるワシントン大学の惑星科学者、バティスト・ジュルノー氏は、太陽系にあるエウロパ、タイタン、その他の氷衛星の初期形成段階、つまり高圧内部からすべての水が逃げ出す前に、プラスチック氷VIIが存在していた可能性があると述べています。
海洋惑星への成り立ちを知るために
今回の新たな観測結果は、これらの衛星がどのようにして今日の海洋惑星へと進化したのかを解明する上で役立つ可能性があると、同氏は指摘しています。
太陽系の外では、この奇妙な氷は太陽系外惑星の巨大な海の底に眠っているかもしれない。
中には数千キロメートルもの深さがあり、生命が存在する可能性のある惑星もあると、ジュルノー氏は言う。可塑性氷VIIが格子に塩分をどれほど容易に取り込むかを調べることで、この奇妙な相の存在が太陽系外惑星の海底と上空の海との間の塩分交換を促進しているかどうかを判断できる可能性があると、ジュルノー氏は言う。そうなれば、海により多くの栄養分が供給されることになる。