1726031017
2024-09-11 02:38:06
冷蔵庫に氷を取り出すとき、または氷の結晶が点在する寒い冬の景色を眺めるとき、私たちは氷、または科学的には六角形の氷 (Ice Ih) として知られる物質に触れています。しかし、氷には約 20 種類あり、それぞれが皆さんが知っているものとはまったく異なるとしたらどうでしょう。氷の 1 つの形態は非常にユニークで、海王星や天王星などの天体のマントルの奥深くにしか存在しません。超イオン氷としても知られる Ice XVIII をご紹介します。
モーリス・ド・コーニング教授は、超イオン氷の複雑さと、それが地球上で観察される奇妙な特性についてさらに明らかにする可能性を説明する研究を発表しました。 私たちの太陽系の「氷巨星」。
超イオン氷の興味深い現象
では、超イオン氷が特別なのはなぜでしょうか?
氷 XVIII は、決して普通ではありません。5,000 ケルビン (約 4,700 度) という高温と、地球表面の大気圧の 330 万倍を超える約 340 ギガパスカルの圧力という、極限の条件下で生成されます。
地球にはこのような過酷な環境はないが、氷の巨星の奥深くにはそのような環境がある。 ネプチューン そして 天王星巨大な重力場のためです。
超イオン氷内では、水は典型的な分子構造を維持しません。酸素原子は硬い格子を形成しますが、水素原子は電子を奪われ、正に帯電したイオンとして自由に浮遊します。
「銅のような金属導体のようなものだが、正イオンが結晶格子を形成し、負に帯電した電子が自由に動き回っている」と、同大学の著名な教授であるデ・コニング氏は説明する。 グレブ・ワタギン物理学研究所 ブラジルのサンパウロにあるカンピナス州立大学で、
超イオン氷はなぜ重要なのでしょうか?
超イオン氷または氷 XVIII は、そのユニークな配置により科学者を魅了しています。これらの自由に浮遊する水素イオンが酸素格子内を移動する方法は、天王星と海王星の異常な特徴、特に磁場の特異な動作を説明できる可能性があります。
磁場が自転軸と一直線になっている地球とは異なり、 天王星と海王星 磁場軸は著しく傾いており、それぞれ自転軸から 47 度と 59 度傾いています。
この不整合は長い間、科学者を困惑させてきた。デ・コーニング氏の研究では、これらの陽子が超イオン氷を通過することが原因かもしれないと推測されている。
「陽子が酸素格子を通して伝導する電気は、なぜこれらの惑星の磁場の軸が自転軸と一致しないのかという疑問と密接に関係しています。」と彼は説明する。
「氷の巨星」のマントルの奥深く
この理論をさらに調査するために、デ・コーニング氏と彼のチームは従来の実験を放棄し、高度なコンピューターシミュレーションに目を向けました。
研究者たちは密度汎関数理論（DFT）を用いて氷XVIIIの機械的特性をモデル化し、海王星と天王星内の厳しい条件下で氷XVIIIがどのように挙動するかを理解した。
この作業は簡単ではありませんでした。氷 XVIII をシミュレートするには、約 80,000 個という膨大な数の分子を考慮する必要がありました。
計算には最先端の計算技術、ニューラル ネットワーク、機械学習アルゴリズムが使用されました。
主な目的は、結晶構造内のさまざまな種類の欠陥が大規模な変形、ひいては謎の磁場とどのように相関するかを発見することだった。
結晶欠陥およびその他の欠陥
では クリスタルの世界欠陥は通常、通常の原子配列を乱す欠陥として見られます。しかし、超イオン氷の場合、これらの欠陥がその謎を解く鍵となる可能性があります。
この研究では、隣接する結晶層間に角度差がある場合に発生する「転位」と呼ばれる特定の欠陥タイプを調査しました。
デ・コニング氏は、「しわくちゃになった絨毯を想像してください。そのしわは、結晶の転位に似ています」という簡単な例え話をしています。さらに、「転位は冶金学にとって、DNA が遺伝学にとってであるようなものです」と説明しています。
研究チームは、氷XVIII内のこれらの転位をシミュレートすることで、氷を変形させるために必要な力がこれらの惑星のユニークな磁気特性を説明できると結論付けた。
彼らは、海王星と天王星内の特殊な条件と氷XVIIIの特性が組み合わさって、これらの現象に最適な環境を作り出していることを発見した。
研究室の超イオン氷
SF の概念のように聞こえるかもしれませんが、超イオン氷は宇宙を理解する上でますます重要になりつつあります。
2019年、科学者たちは高出力レーザーを使用してダイヤモンドの表面の間に薄い水の層を圧縮することで、少量の氷XVIIIを作り出した。この成果は将来の研究に大きな可能性を開いた。
しかし今のところ、超イオン氷についての私たちの理解は、主にデ・コーニング氏が主導したようなシミュレーションを通じて得られています。
彼はこう説明する。「冶金学、惑星学、 量子力学、そして高性能コンピューティング。」
氷を研究して宇宙について学ぶ
超イオン氷を理解することは、遠く離れた惑星の内部に何があるのかという好奇心を満たすだけでなく、 基礎物理学 すべての物質を支配するもの。
天王星や海王星で見られるような状態についてさらに解明が進むにつれて、超伝導体から新しいタイプのエネルギー貯蔵まで、地球上で応用できる新しい材料や特性が発見されるかもしれません。
次回、冷凍庫から氷を取り出すときには、少し時間を取って Ice XVIII の魅力的な世界を鑑賞してください。この世界は、宇宙と地球上で、私たちがまだ発見していないものがいかに多いかを思い出させてくれます。
研究の全文はジャーナルに掲載された。 米国科学アカデミー紀要。
—–
読んでみて気に入りましたか? ニュースレターを購読する 魅力的な記事、独占コンテンツ、最新情報をお届けします。
ぜひご覧ください アーススナップ、無料アプリは エリック・ラルズ そして Earth.com。
—–
#海王星で見つかった奇妙な種類の氷は非常に高い熱でのみ溶ける