空気よりも軽い氷が作れるという理論的予測、岡山大学の研究

2017年9月12日 12:01

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エアロアイス8xFAUの想像図 (コンピュータ・グラフィックス)。(画像:岡山大学発表資料より)

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 岡山大学の研究グループは、分子シミュレーションを用いて、「エアロアイス」と名付けられた、密度に下限を持たない、すなわち空気よりも軽くなり得る、水の結晶が存在し得ることを解明した。

【こちらも】岡山大、高圧高温化の生成シミュレーションで新種の氷を発見

 水は身近でありふれた物質であるが、科学的には奥の深い存在である。単成分の物質としては珍しく、固体結晶の種類が多彩で、既に発見されているものだけで17種類ある。

 例えば、「高温の氷」というものが存在する。氷VII、と呼ばれるもので、10GPaという超高圧力下において、数百度という高温で結晶を保つ。ちなみに、一般に知られている、市販の冷凍庫で作る事のできる氷は「氷I」である。

 氷を圧縮していくと、徐々に密度が高くなり、結晶構造は変化していく。2,000気圧で氷IIIができる。4,000気圧では氷V、6,000気圧では氷VIである。

 負の圧力で氷を伸長した場合にも氷の構造は変化すると考えられているが、これまで実験的に発見されている、氷Iよりも密度の低い氷は2種類しか存在しなかった。そこで、今回の研究では、その「密度の低い氷」がもっとないかを調べたのである。

 だが、負圧下における氷構造を、実験的に実際に作ることは極めて難しい。そこで研究チームは、分子シミュレーションにより、理論的にこの問題に挑んだ。参考にしたのは、氷と似た幾何構造を持つ、酸化ケイ素無機結晶であるゼオライトという物質である。

 結論として、ある種のゼオライトの構造をもとに設計した氷は、過去に実験的に作成されている低密度の氷よりも、さらに格段に低い密度を実現し、なおかつ安定的な物質であり得ることが分かった。この構造は、酸化ケイ素素材のエアロゲルに似ていることから、エアロアイスと命名された。

 エアロアイスは非常に低い密度を実現することができ、100xFAUと命名されたエアロアイス結晶の密度は、空気よりも軽くなるという。

 これを実際に作る方法はまだ未知であるが、今後、実験的な挑戦が盛んに行われるようになることが期待される。なお、研究の詳細は、米国物理学協会(AIP)の国際科学雑誌The Journal of Chemical Physicsに掲載された。(藤沢文太)

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