「アイスNo.7」とは一体何でしょうか？

北極圏で半袖が着られるようになったというニュースが報道されて以来、このままでは海が陸地を大規模に侵略し、人が建てた家屋を食い尽くす日も遠くないのではないかと、海の状況を心配する声が上がっている。その時、ある人が素晴らしいアイデアを思いつき、この問題の解決策は簡単だと指摘しました。それは、地球上のすべての海を凍らせる方法を見つけることです。

その時までに地球は氷の球になるかもしれない

このアイデアはあまりにも突飛で、SF映画でさえこのような形では演じられないと思うかもしれません。でも、実は、本当にできるんです、「7号氷」1個で十分なんです。では、この「アイスNo.7」とはいったい何なのでしょうか？本当に地球上の海がすべて凍ってしまうのでしょうか？

地球上に本当にそんな魔法の氷があるのでしょうか？

氷には多くの相がある

7番アイスに関しては、疑問がたくさんある人も多いはず。凍った水から作られた氷も、人間によって等級分けされるのはなぜでしょうか?私たちは日常生活でこの言葉を聞いたことがありません。実際、科学者たちはかなり早い段階から氷の分類を始めました。分類する理由は、顕微鏡的観点から見ると、異なる種類の氷の間には確かに大きな違いがあるからです。

当然ですが、表面から観察するだけでは、さまざまな種類の氷の違いを見分けることは困難です。氷の結晶構造をミクロの世界で解析する必要があります。

この基準によれば、私たちが日常よく目にする氷は、1号氷に属します。内部構造から六角形の氷とも呼ばれています。

氷の分子構造の模式図1

もちろん、当初人々は、自然界の氷はすべてがまったく同じであるという意味で「大量生産」されるものだと考えていました。しかしその後、温度と圧力が変化すると、水分子間の水素結合が異なる格子構造と強度を示し、多くの複雑な氷相が現れ、それぞれの氷相が独自の特徴を持つことが判明しました。

現在の研究によれば、人類は12種類以上の氷結晶構造を発見しており、そのほとんどは実験室で得られたものである。なぜなら、自然環境においては、人々の要求を満たす圧力と温度を同時に発現させることは難しいからです。このうち、自然界で自然に形成され存在できるのは、六方晶氷 Ih と立方晶氷 Ic だけです。

水の3つの状態の条件の模式図

このように、単純な加圧によって水素秩序氷2号が得られた1900年から、人々は氷の相を探究し始めました。しかし、観測機器の品質が悪かったため、氷2号の構造は1964年まで単結晶X線回折によって解析されませんでした。

その後、実験装置がどんどん完成し、観測装置もどんどん進歩するにつれて、今日お話しする氷No.7を含め、さらに多くの氷相が発見されました。では、氷No.7はどのようにして発見されたのでしょうか?それはいったい誰なのでしょうか？

7号氷は普通の氷と見た目が違いますか？

魔法の「アイスNo.7」

まず、科学者が氷の相を研究する際、氷を分類して命名するために数字を使用するが、通常は氷の後にローマ数字を追加することを指摘しておく必要があります。たとえば、氷 7 は氷 VII と表現されます。したがって、Ice 7 であろうと Ice VII であろうと、本質的には同じものを指します。

情報によると、氷７の発見者であるクロッツ氏らは、氷ＶＩを９５Ｋ以下の環境で減圧すると高圧相の氷ＶＩＩが得られることを実験室で発見した。そしてその後、一部の研究者は、氷7は22kbarの圧力下で安定して存在できると主張しました。氷7の内部構造は、相互に構造化された2つの立方氷格子で構成されており、副格子間を接続する水素結合は存在しません。

アイス7の分子構造の模式図

一般的な氷1号と比べると、氷7号の密度が非常に高く、氷1号の約1.5倍であることがわかります。この観点から見ると、氷7号は私たちが想像していたよりもはるかに「固体」です。また、氷No.7の凝固点は氷No.1よりも高くなります。

ご存知のとおり、一般的に水は温度が0℃以下になると固まります。しかし、Ice No. 7 は異なるアプローチの代表例です。 4.9℃で固まります。気温だけから判断すると、日常生活に非常に現れやすいようです。

通常、水は0度で凍ります

しかし、温度だけでは十分ではありません。前回の記事で述べたように、氷の相の変化は圧力と温度の複合的な影響によって影響を受けます。氷7号の凝固温度は比較的高いですが、その圧力要件も非常に高くなります。

研究データによると、7号氷を凍らせるには30億パスカルの圧力が必要ですが、標準大気圧はわずか101.325キロパスカルです。たとえマリアナ海溝の最深部まで地表まで到達したとしても、30億パスカルという数字には程遠い。

海溝の最深部では圧力が110MPaに達することがある

もちろん、世の中にはさまざまな不思議が存在します。科学者たちは当初、アイス7が自然環境で見つかることは決してないだろうと考えていましたが、予想外に、2018年にアメリカの研究チームが偶然ダイヤモンドを発見しました。ダイヤモンドは貴重ですが、本質的に特別なものではありません。問題は、ダイヤモンドにレアな氷7が出現することです。

このダイヤモンドは偶然にも氷7の凝縮の実験室になったことが判明しました。アイス7の圧力要件を満たすだけでなく、本体内に閉じ込めることで温度を一定以下に維持することもできます。この場合、かなりミニサイズのアイスNo.7が誕生しました。

ダイヤモンド中の氷7の回折パターン

科学者たちはこの発見に興奮したが、心配する者もいた。多くの想像上の描写では、アイス7の存在は人類にとって良いことではないからです。それどころか、犯罪者によって地球を破壊するための武器として使用される可能性もあります。

たった 1 つの氷 No. 7 で本当に地球の海を凍らせることができるのでしょうか?

その時までに、人類は泳ぎ方を学ぶ必要さえなくなるかもしれない。

氷7は海を凍らせることができるか？

実際、氷 7 が海洋を凍らせることができるという主張は、「根拠のない作り話」とはみなされません。なぜなら、氷 7 の特性はこの仮定に適合しているからです。

科学者の研究によれば、氷7号が自然条件下で形成され、当時の気圧と気温が氷結し続けるための条件を満たしていたとしたら、この氷はその「地点」から激しく外側に広がったはずだ。わずか1時間で、周囲1,600キロ以内の地域も完全に凍結する可能性があります。

コンピューターシミュレーションによるIce 7

そのため、適切な条件と時間の下で、人々に第 7 氷塊を与えれば、実際に海全体を凍らせることができると信じる人もいます。しかし、上記の紹介を通じて、温度だけでは不十分であり、氷7の形成に必要な圧力は地球表面に存在しないことが誰もが理解しています。

この場合、たとえ誰かがアイス7の完全な破片を海に投げ込んだとしても、海がすぐに凍るという予想される光景は発生しないでしょう。氷7号が進入した時点ですでに溶けていた可能性が高い。

始める前に終わってしまいました…

もちろん、そのような環境が地球上に存在しないという事実は、他の惑星にも存在しないことを意味するものではありません。科学者の研究によれば、地球から20光年以上離れた太陽系外惑星には氷7を育む可能性があるという。結局のところ、この惑星の圧力と温度は、氷タイプ 7 の要件を満たすことができます。さらに重要なのは、その表面には陸地がないように見えますが、完全に海に囲まれていることです。

つまり、理論的には、Ice 7 には海を凍らせる能力があるのです。しかし、これを実現するには前提条件が多すぎて、地球がそれらを満たすことができないのは明らかです。つまり、たった一枚の氷で地球の海を凍らせるのは不可能なのです。

「私を凍らせたい？もっと練習して！」

特筆すべきは、よく話題になる「急速冷凍」の特殊能力を持つ7号氷のほかに、発見されて以来、たびたび話題になっている魔法の18号氷があることです。

超イオン氷相 - 氷18

氷 7 号が室温で凝縮できることが衝撃的であるならば、氷 18 号は再び私たちの認識を覆すことになるだろう。 1988年にはすでに、氷相の研究に熱中していた物理学者たちが「高温凍結」についての予測を立てていた。

信じられないことのように思えますが、高温と高圧が同時に存在する極限環境では、酸素イオンを固体の立方格子の中に閉じ込めることができると彼は考えています。水素イオンに関しては、自由に移動することができます。

氷18の分子構造の模式図

この場合、氷の結晶構造はより安定し、融点は高くなります。この予言は30年後にようやく確認されました。

2018年にLLNLの物理学者ミロット氏らが超イオン氷の存在を示す最初の手がかりを発見したと報じられた。彼らは液体の水を圧縮し、数ナノ秒以内に固体の氷に変えました。伝導率は短期間で数百倍に増加し、これは水氷が「超イオン」状態に変化したことを意味します。

超イオン氷はどのように見えるでしょうか?

物理学者の予測と同様に、氷 18 は圧力が 249 ～ 278 GPa、温度が 2000 ～ 3000K のときに滑らかに出現する可能性があります。この状況から判断すると、この氷はまさに「灰からの再生」を遂げたと言えるでしょう。

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