Scientists discover a strange new form of ice that could help explain the interiors of Neptune and Uranus

フランスの研究チームが、天王星や海王星の内部に存在する可能性がある「超イオン氷」という特異な結晶構造を、初めて特定した。この氷は常識的な氷とは全く異なり、固体と液体の性質を同時に持つ状態で、遠い氷惑星の謎めいた内部構造の解明に向けた重要な手がかりになると考えられる。

超イオン氷は、莫大な熱と圧力が加わる惑星の深部でのみ存在する物質だ。通常の氷と異なり、この状態では酸素原子は固い格子状の結晶構造を保ちながら、水素原子核がその間を液体のように自由に流動する。この性質により、極端な環境下でも電気を伝導できるようになるのである。科学者たちはこうした超イオン氷の存在をすでに理論的に予測していたが、実際にどのような結晶形をとるのかについては、これまで謎のままだった。フランスの原子力・代替エネルギー庁（CEA）を率いるアレクシス・フォレスティエ博士らの研究チームは、この不可思議な物質の実体を解き明かすため、ダイヤモンドアンビルセルという超高圧装置を使った実験に取り組んだ。微小な氷のサンプルを二つの極めて硬いダイヤモンドに挟み、レーザーで1800ケルビン以上に加熱しながら、同時に地球の大気圧の200万倍を超える圧力を加え続けたのである。

欧州シンクロトロン放射光施設でのX線回折分析により、酸素原子が「六方最密充填」と呼ばれる六角形のパターンで結晶化していることが明らかになった。従来の研究では立方晶系という別の結晶形が想定されていたが、圧力が200ギガパスカルを超え温度が1800ケルビン以上の領域では、この六角形構造が優位な相として現れることが判明したのである。この発見の重要性は、氷巨星として知られる天王星や海王星の内部メカニズムの理解にあると考えられる。これらの惑星は奇妙な磁場を発生させることが知られているが、その磁場生成に超イオン氷が関与している可能性が指摘されている。新たに特定された六角形の結晶構造が立方晶系とは異なる電気的・機械的性質を持つとすれば、惑星内部の物理モデルが大きく修正される可能性も考えられるのである。

製造業との直接的なつながりが見えにくいかもしれないが、この研究で用いられたダイヤモンドアンビルセル装置や、極微小な試料を扱う精密加工技術、X線分析に必要な検出器や光学機器、そして高精度な加熱・冷却システムなど、多くの要素部品・材料・計測装置がこうした先端科学の実験を支えている。宇宙探査が深まるにつれ、新たな測定・実験手法の開発が増していく傾向にあり、その過程で日本の素材メーカーや精密部品供給企業が基盤技術として求められる場面が一層増えることになると考えられるのである。

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