激しい論争を巻き起こした「アイスX」の制作秘話

冷凍庫にある氷は通常、水分子が六角形に配列した単一の形状で、雪の結晶には常に 6 つの頂点がある。しかし、周囲の圧力と温度に応じて、自然界には最大 20 種類の氷が存在する。たとえば、氷 VII と呼ばれる種類の氷は、地球のマントルから除去されたダイヤモンドの中に閉じ込められていることが発見されている。科学者たちはまた、氷惑星の中心部の奥深くに、氷 X と呼ばれる謎の相が浸透していると理論づけている。

研究室でこうした珍しい相を作り出すのは骨の折れる作業だが、過去数十年間、世界中の科学者が努力を惜しまない。ネバダ大学ラスベガス校の研究グループは、氷 VIIt と呼ばれる新発見の相と、捉えどころのない氷 X を観察したとされている。氷 X は、水分子間の独特の結合で他の相と一線を画している。科学者によると、氷 X は大気圧の 30 万倍で発生したという。これは私たちにとっては極めて高い圧力だが、この珍しい氷の存在としては記録的な低圧である。

「私たちはとても興奮し、驚きました」と筆頭著者で物理学者のザカリー・グランデ氏は言う。「多くの人が信じていませんでした」。最初の検出以来、研究チームは結果を確認するのに3年を費やした。研究者らは先週、その研究をフィジカル・レビューB誌に発表した。

しかし、他の専門家は、この結果が本当に氷Xを示しているのかどうかについて懐疑的だ。

「この研究は、圧力下で氷 VII が異常な変化を起こすというこれまでの報告を裏付けるものだった」と、この研究には関わっていないイリノイ大学シカゴ校の物理化学者ラッセル・ヘムリー氏は電子メールで述べている。しかし、氷 X の形成を新たな研究で確認するには、さらなる証拠が必要だと彼は考えている。

水分子は、2 つの水素原子と 1 つの酸素原子で構成されています。各水分子は、隣接する分子に強く引き付けられます。この分子間の引力により、水分子の間隔がさまざまな形で広がり、2 つの酸素原子間の水素の位置が左右されます。この原子の配置によって、氷の相が決まります。

氷 X は、すべての相の中で最も極端な相であると言えるでしょう。結晶格子全体にわたって、すべての水素が 2 つの酸素の真ん中にきちんと位置する唯一の相です。氷 VII や氷 VIIt などの他の相では、水素は隣接する酸素の 1 つにランダムに寄り添います。

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氷Xの出現を正確に特定するのは、薄い氷の上を歩くのと同じくらい難しい。その特徴は、酸素に対する水素の位置である。しかし、水素は周期表で最も軽い原子であるため、ほとんど目に見えない。ほとんどの実験技術は、水素原子を直接観察するのではなく、水の水素-酸素結合を調べることで水素の位置を推測する。

グランデ氏と同僚は、酸素原子の振動からその存在を推測し、これまでで最も低い圧力で氷Xを出現させたと主張している。研究者らは、2つのダイヤモンドの間で氷を砕き、固体を定期的にレーザーで加熱する「調理して見る」方法を採用した。レーザーは混ざり合った結晶を溶かし、氷を異なる原子構成に再結晶化させた。

5ギガパスカル（大気圧の5万倍）で、研究チームは氷VIItと名付けた新しい中間相を検出​​した。氷VIIとは原子の配置が異なっていた。氷VIItをさらに30ギガパスカルまで圧縮すると、その構造は再び変化した。水素原子と酸素原子の振動エネルギーを測定することで、研究者らは氷Xが加わったと推測した。また、水素と酸素の結合が強固になったことにも気づいた。これは氷Xのもう1つの特徴である可能性がある。

カーネギー科学研究所の物理学者で、この研究には参加していないアレクサンダー・ゴンチャロフ氏は、研究者らが氷Xをでっち上げたという説に異論を唱えている。同氏は過去にも同様の測定を行ったが、このような低圧では氷Xの証拠を見つけられなかったと述べている。同氏のチームは以前、氷Xは60ギガパスカル程度の圧力でのみ出現することを実証している。

振動エネルギーデータは氷Xの決定的な証拠ではなく、誤解されやすいとゴンチャロフ氏は付け加える。むしろ、氷Xの最も「確実な証拠」は、固体の結晶構造を明らかにすることができるX線または中性子回折測定であると同氏は言う。しかし、これらの方法は実行が難しく、科学者が氷自体に手を加えて水素原子を観察可能にする必要があるかもしれない。

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氷Xの発見に関する新たな主張は、疑わしいものと同じくらい頻繁に行われている、とゴンチャロフ氏は言う。これまでのところ、1980年代に初めて氷Xが発見されたとされて以来、彼自身の研究を含め、氷Xの発見を反駁の余地なく証明した研究はない、と彼は言う。

しかし、この分野では氷Xの存在を疑う者はいない。「もちろん存在します」とゴンチャロフ氏は言う。「物理モデルは非常に明確で、真実は自らを物語っています」。同氏は氷Xの理論をアルベルト・アインシュタインの相対性理論の予測と比較する。当時は他の科学者もそれを信じていたが、何年も経ってから新世代の科学者が彼の仮説を裏付ける実験を行った。ブラックホール、重力波、時空に関するアインシュタインの考えの証拠を発見した天体物理学者のように、将来の氷X実験者たちは他の科学者を説得し、理論が正しいことを証明しなければならない。