二つのダイヤモンドの間に水を押し込めると、圧力は10ミリ秒で大気圧の2万倍にまで上昇します。X線レーザーは毎秒100万枚の画像を撮影します。すると不思議なことが起こります。水が固体になるのです。室温で。本来は固体になるはずがないのに、実際に固体になるのです。
それはアイスXXIと呼ばれています。 アイスXXI そしてそれは、まさに私たちが知る氷の21番目の相です。152個の水分子が繰り返し単位として含まれる正方晶系の結晶構造です。これまでこのようなものは観察されていませんでした。 韓国標準科学研究所 彼らはそれをヨーロッパのXFEL ドイツにある、世界で最も強力なX線レーザー。 それは氷ですが、私たちが知っている氷とは違います。
圧力が冷気を置き換えるとき
冷凍庫はもう忘れてください。氷XXIを作るには、ダイヤモンドの硬度を利用して巨大な圧力を発生させる装置、ダイヤモンドアンビルセルが必要です。 この研究はネイチャーマテリアルズに掲載された。 これは驚くべきプロセスを説明しています。水はわずか10ミリ秒で2ギガパスカル（大気圧の約2万倍）まで圧縮されます。その後、1秒間かけて圧力がゆっくりと解放されます。このサイクルは1000回以上繰り返されます。
一方、ヨーロッパのXFEL これはハイスピードカメラのように機能し、マイクロ秒ごとに画像を撮影して分子変化のフィルムを作成します。まるで水が成長して何になりたいかを決める様子を見ているかのようですが、その決定はダイヤモンド以外のものなら粉々に砕け散ってしまうほどの圧力下で、ほんの一瞬のうちに行われます。
他に類を見ない構造
氷XXIの興味深い点は、室温で形成されるという点だけではありません。その分子構造が、他の20種類の既知の氷相のいずれにも似ていない点です。その構造は正方晶系（押しつぶされた立方体のような）で、膨大な数の繰り返し単位を持ち、各セルには152個の水分子が含まれています。ちなみに、通常の氷（飲み物に入れる氷I）は、はるかに単純な六角形構造をしています。
どのように説明していない イ・グヌ、物理学者 韓国研究院 研究の筆頭著者であるJ.S.バッハ氏は次のように述べています。「水を急速に圧縮すると、本来であれば氷VIに結晶化しているはずの圧力でも液体のままでいられる。液体H₂Oが結晶化する構造は、液体の超圧縮度に依存する。」
実際には、 氷XXIは遷移段階であり、道路上で制御された事故によって氷VIに水が運ばれる。、氷の衛星の深部を満たすと思われるエキゾチックな氷の一種。 チタノ e ガニュメーデース水は室温で急速に圧縮される必要があるため、「意図した」形状に整列する時間がありません。 その結果、写真に撮れるだけの時間だけ持続するこの中間構成が生まれます。
なぜ地球外の氷を研究するのか？
氷XXIの発見は単なる学術的な研究ではありません。極度の圧力下での水の挙動を理解することは、氷の惑星や衛星の内部で何が起きているのかを想像するのに役立ちます。 レイチェル・ハズバンドによると、この研究の共著者であり、物理学者である DESYセンター ドイツ語に、
「私たちの研究結果は、より多くの高温準安定氷相とその遷移経路が存在する可能性があることを示唆しており、氷の衛星の組成に関する新たな知見をもたらす可能性があります。」
チタノ土星の最大の衛星である土星の地下には、地球のすべての海を合わせたよりも多くの水が貯まっている可能性がある海がある。 ガニュメーデース木星の衛星である氷VIは、氷の地殻の下に100キロメートルの深さの海を秘めていると考えられています。このような環境では、水は氷VIのような特異な形状をとったり、氷XXIのような中間状態を経たりするほどの圧力がかかります。
目に見えないものを見るレーザー
L 'ヨーロッパのXFEL ハンブルクにある（X線自由電子レーザー）は、普通のレーザーとは違います。全長3,4キロメートルのこの装置は、従来のX線源の10億倍の輝度を持つX線パルスを生成します。各パルスの持続時間は数フェムト秒（10億分の1秒の100万分の1）で、原子レベルで起こるプロセスを捉えることができます。
氷XXIの場合、この速度は決定的に重要でした。極圧下での水の変化は数ミリ秒で起こります。このプロセスをフレームごとに「凍結」できる機器がなければ、この中間相の形成を記録することは不可能だったでしょう。 過去に他の物質の異常状態について報告したように高度な画像技術により、数年前までは理論的な仮説に過ぎなかった現象が明らかになりつつあります。
サクラ・パスカレッリ、科学ディレクターヨーロッパのXFELは、「科学者に水に関する革新的な研究の提出を呼びかけている私たちの取り組みであるウォーター・コールから、また素晴らしい成果が生まれ、大変嬉しく思います。今後も多くの刺激的な発見が見られることを楽しみにしています。」とコメントしています。
水は未だ謎だ
奇妙に思えるかもしれませんが、水（H₂O、水素原子2個、酸素原子1個）は宇宙で最も複雑な物質の一つです。化学式はシンプルですが、温度と圧力によって20種類以上の異なる固体構造をとることができます。それぞれの相は、密度、結晶構造、光学的挙動といった独自の特性を持っています。
の発見 アイスXXI これは、圧力-温度図の隅々に、私たちがまだ探究していない未知の相が隠されている可能性を示唆しています。イ・グンウーは次のように述べています。
水は宇宙で最も謎めいた物質の一つです。なぜこれほど単純な二つの元素から、これほど多くの異なる相が生まれるのでしょうか？氷の結晶相には、まだ未知の相が存在すると考えられています。「未知」というのは、未発見ではあるものの、存在する可能性があるという意味です。
研究は継続中です。次のステップは、水の結晶化経路に沿って他の準安定相が存在するかどうか、そしてそれらが太陽系の氷惑星の機能について何か新しいことを教えてくれるかどうかを理解することです。
十分に硬いダイヤモンドと十分に速いレーザーが存在する限り、私たちは室温でも水を圧縮し、他に何ができるかを調べ続けるでしょう。
