常識を超えた不思議な水

2022年8月28日

氷が液体のように、高温ガスが固体のように振る舞う

サンダーボルトプロジェクトと兄弟関係にあるようなユーチューブチャンネルに「See the Pattern」というチャンネルがあります。

概要には「このチャンネルでは、私たちが電気力に支配された宇宙に住んでいることを示唆する証拠を探ります。これらの発見の背後にある科学に焦点を当てるだけでなく、私たちの祖先がすでにこの情報を入手していたという証拠も検証します」と説明されています。
専門的な内容の動画が多いのですが、今後このユーチューブチャンネルからも翻訳記事を紹介していきます。

［要旨］
地球は水の豊かな世界です。生命を維持するためには、水が不可欠だと考えられている。天文学者が宇宙を深く覗き込むと、ますます多くの水が発見された。実際、どこを見ても水があるのだ。しかし、そのほとんどが液体ではなく、ガスとして太陽の表面やクエーサーを取り巻く雲の中に、また固体として冥王星のような岩より硬い場所に存在し、広大な山脈を形成している。
新しい実験により、水はこのスペクトルの両端で非常に奇妙な振る舞いをすることが明らかになった。一方は氷が液体のように振る舞い、もう一方は超高温ガスが結晶性固体のように振る舞うのだ。詳しく見ていきます。

水……私たちが知っているのとは違う！
Water… Not as we know it!

地球は水の豊かな世界です。
生命を維持するためには、水が不可欠だと考えられています。
天文学者が宇宙を深く覗き込むと、ますます多くの水が発見されました。
実際、どこを見ても水があるのです。
しかし、そのほとんどが液体ではなく、ガスとして太陽の表面やクエーサーを取り巻く雲の中に、また固体として冥王星のような岩より硬い場所に存在し、広大な山脈を形成しているのです。
新しい実験により、水はこのスペクトルの両端で非常に奇妙な振る舞いをすることが明らかになりました。一方は氷が液体のように振る舞い、もう一方は超高温ガスが結晶性固体のように振る舞うのです。
それでは、詳しく見ていきましょう。

ニューヨーク州ブライトンの研究室で、世界で最も強力なレーザーのひとつが水滴を吹き飛ばしました。

すると衝撃波が発生し、水の圧力は数百万気圧に、温度は数千度まで上昇しました。同時に、Ｘ線を照射し、水の根本的な構造を明らかにしました。

水は過熱状態の液体や気体になるというよりむしろ、原子が固まり、結晶性の氷になったのです。

この研究により、超イオンの氷が存在することが初めて確認され、非常に奇妙な性質を持つ新しい水の相が明らかになりました。

超イオン氷は、地球上の氷とは異なり、黒く、高温です。

その密度は、通常の氷の４倍にもなります。

この氷は、30年以上前に予測されていました。この状態では、水の分子はバラバラになり、酸素イオンは等間隔で格子状に結晶化し、水素イオンは酸素格子の中で自由に浮遊しています。

超イオン水は、自由に動き回る水素イオンによって、一般的な金属とほぼ同じ導電性を持ちます。超イオン水が初めて実験的に証明されたのは1990年代のことで、超イオン氷が実験的に確認されるまでには、さらに30年近くを要しました。

これまで知られていた水の氷はすべて、１個の酸素原子が２個の水素原子に結合した、そのままの水分子でできていました。

超イオン氷はそれとはまったく違います。超イオン氷は、一部は固体、一部は液体の中間的な状態で存在します。個々の水分子はバラバラになっています。酸素原子は立方格子を形成しているが、水素原子はこぼれ落ちて、酸素原子の固い骨組みの中を液体のように流れています。極端な圧力と熱を加えると、酸素原子は立方格子に固定されます。水素は結晶内のある位置から別の位置へ、そしてまた別の位置へというようにジャンプし始めます。これらの水素原子はイオン化し、非常に速く動くので、水のように動いているように見えます。

このことから、電気も通すと考えられますが、ここでは水素イオンが通常の電子の役割を担っています。この水素原子が緩やかに動くことで、氷の乱れが大きくなり、次々に、他の氷の結晶よりも安定性が高くなり、融点が高くなるのです。実験では、超イオン化した氷は予想通り4700℃で融解し、陽子の動きによって電気を通すことが確認されました。また、Ｘ線回折の結果、酸素の立方格子という結晶構造も確認されました。

現在、科学者たちは、太陽系全体では、おそらくもっと多くの水が超イオン氷として存在していると考えています。天王星や海王星の内部には超イオンの氷があるかもしれないし、地球やエウロパ、エンケラドスの海には液体の氷が漂っている（スロッシング＝容器内の液体が外部からの比較的長い周期の振動によって揺動すること）かもしれません。

科学者たちは、氷の巨人サイズの太陽系外惑星の多くにも超イオンの氷が含まれている可能性を推測しており、銀河系全体で非常に一般的である可能性を示唆しています。また、このようなガス惑星には、メタンやアンモニアなど他の化学物質も混じっています。したがって、超イオン的な振る舞いが自然界で実際にどの程度起こっているかは、まだ未解決の問題であり、水を他の物質と混ぜたときにこれらの相がまだ存在するかどうかにかかっています。科学者たちは、超イオン的なアンモニアも存在するはずだと主張していますが、これは実験的には確認されていません。まるで、この発見では奇妙さが足りないかのように、別の実験では、水の非常に不思議な特性を発見しましたが、極端な温度では発見されませんでした。

一般的な氷は、分子が六角形の格子の中に規則正しく並んでいる結晶性の物質です。液体の水を急激に冷やしたり、普通の氷を圧縮したり、紫外光子や高エネルギーの電子やイオンを当てると、アモルファス氷（規則的な酸素原子の配列をもたない、ガラスのような構造の氷）ができることがあります。

このため、宇宙の深部ではアモルファス氷が支配的であり、宇宙全体で最も一般的な水の構造である可能性が高いと考えられています。一般に、アモルファス氷ができるのは130K（－143℃）以下です。

この温度では、水分子は結晶構造を形成することができません。紫外線を照射したアモルファス氷が、極低温で液体のような挙動を示すことを、研究者らが新たな実験で発見しました。

この発見により、プレバイオティクス分子（生命の起源に至るプロセスに関与すると考えられている分子）の生成メカニズムの解明につながると期待されます。

研究チームは、−263℃に冷却した基板上に、水、メタノール、アンモニアの混合ガスを噴霧しました。
同時に、紫外線を照射しました。氷ができた後、温度が上がるにつれて氷の状態を顕微鏡で観察しました。

驚いたことに、氷は−210〜−120℃の間で、まるで沸騰した水のように泡を立てていたのです。この気体を分析したところ、水素であることがわかりました。研究者らは、メタノールとアンモニアが紫外線によって分解され、水素が生成されたと考えています。この気泡によって、氷は液体のように振る舞うようになり、粘性は固い蜂蜜に近いと推定されます。

次に、純水に目を向けて実験を繰り返しました。

すると、今度はアモルファス状の水の氷の島が観察されました。そして、温度を上げると、氷の島は形を変え、基板の上に広がり始めました。

これは、氷が液体のように振舞っている証拠です。この実験から、星間物質の氷は液体のように振る舞い、プレバイオティクス分子を含む有機化合物の生成を促進する可能性が示唆されました。

いつものように、勇気をもって、好奇心をもって、真実は次の機会まで私たちを待っています。

最後までお読みいただき、ありがとうございました。