水の固体状態は見た目ほど単純ではない

氷は冷凍庫の製氷皿や冬の湖ではおなじみの存在に見えるが、物理学者たちはそれを自然界で最も驚くべき物質の一つとして捉えつつある。Quanta Magazine の新しい報道によれば、科学者たちはこの1年だけで3種類の新しい氷を特定し、その中にはこれまで観測された中でも最も複雑な氷相の2つが含まれている。これらの発見は、すでに20を超える既知の結晶氷相を含む、拡大し続けるカタログに加わるものだ。

重要なのは、氷の種類が多いということだけではない。水は条件によって、実に幅広い固体構造を自ら組み上げられるらしい、という点だ。研究者たちは現在、コンピューターシミュレーションが数万もの可能な氷の形を予測していると述べている。もちろん、それらがすべて実験室や自然界で見つかるわけではない。だが、従来の仮定が許していたよりもはるかに豊かな相空間の中で研究が進んでいたことは示唆している。

なぜ氷は物理学者を驚かせ続けるのか

その理由は、水そのものの幾何学にある。Quanta は、水分子を酸素原子1個と水素原子2個の結合体として説明し、さらに2組の自由電子が分子の実質的な形を電磁力によって4本の腕を持つような構造へ広げていると述べる。この構造が、水に反復する結晶配列を作るうえでの特異な柔軟性を与えている。

通常の氷では、これらの分子はゆとりのある六角形構造を作る。この開いた配列のため、一般的な氷は液体の水より密度が低く、氷が浮き、湖が上から下へ凍る。だが圧力をかけると、水はまったく異なるパターンに圧縮されうる。温度を変え、圧力を変え、あるいはそれらを加える速度を変えると、分子は新しい結晶状態へ落ち着くことがある。

ローレンス・リバモア国立研究所の Marius Millot は Quanta に対し、水の圧縮のされ方が少し違うだけでも、まったく予想外の挙動が現れうると語った。このコメントは、この分野が加速している理由をよく示している。実験技術が向上し、古い前提を捨てるにつれて、研究者たちは、作ることも検出することも難しかったために見えなかった構造を次々と見つけている。

1年で3つの新形態

報道によると、この1年で3種類の新しい氷が発見された。そのうち2つは、これまで見つかった中でも最も複雑な相に数えられる。ケンブリッジ大学の Chris Pickard は現在の時期を特筆すべきものと表現し、研究者たちがこうした構造をさらに多く見つけていると述べている。

この速度が重要なのは、新しい相が見つかるたびに理論予測が検証され、洗練されるからだ。水は長いあいだ、より単純な物質と比べて奇妙な振る舞いをするとして知られてきた。確認済みの氷の形が増えるにつれ、物理学者たちは、自分たちのシミュレーションが極限条件下での分子組織の真の可能性を捉えているかどうかを、よりよく確かめられる。

増え続ける一覧は、この分野の雰囲気も変えている。珍しい氷相を稀有な珍品として扱うのではなく、科学者たちは、それらをまだ部分的にしか地図化されていないより広い景観の一部として捉え始めている。もし、可能性として数万の形を示すシミュレーションが方向としてでも正しいなら、現在の発見は終着点ではなく初期段階を示しているのかもしれない。