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氷はどこまで低密度になれるか? – 空気よりも軽い「エアロアイス」の理論予測

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2017年9月25日 氷はどこまで低密度になれるか? – 空気よりも軽い「エアロアイス」の理論予測 2017-09-19T19:29:26+00:00 研究コラム , ,
氷の結晶にはたくさんの種類がある

氷は水に浮きます。何をあたりまえのことを WINMAX(ウインマックス)ブレーキパッド ARMA ストリート AT2 トヨタ タウンエース CR31G/38G フロント用、と思われるでしょうが、実はちっともあたりまえのことではなく、たいていの物質では固相のほうが密度が高いので、固体は液体に沈みます。また シルビア S-15 エアロ3点セット(F/S/R) 塗装済 Type-5 ユーラス/URAS、高圧でできる氷はすべて、同じ圧力の水よりも密度が高いので、高圧で作った氷も水に沈みます。つまり、

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、固体の密度が液体よりも低くなる現象は、常圧で水を凍らせた場合にしか起こらない、極めて稀な現象と言えます。

一般に、物質の結晶構造は、圧力によっても温度によっても違ってきます。常圧で水を冷やすと、氷I (1) と呼ばれる六角形の結晶構造(雪の結晶でおなじみ)ができますが、2000気圧以上では氷III (3) と呼ばれる TOYOTIRES トーヨー プロクセス スポーツ PROXES Sport SUV サマータイヤ 255/50R20 BLEST DON CORLEONE LAND FORCE 20 X 8.5 +45 5穴 114.3、四角形の結晶構造ができます。ある温度、圧力で、どの相(結晶構造、あるいは液体、気体)がもっとも安定になるかを示した図が相図です。なお、準安定相(ある条件で実験で作れるが、最も安定ではない相)である氷IV (4) や氷XII (12) は相図には描かれません。

実は、水の結晶構造は、全部で17種類が実際に作られ、純物質としては異常にたくさんの種類があります。氷の構造なんてとっくに調べつくされていると思われるかもしれませんが、今世紀に入ってから発見された氷が5種類もあり、今後も増えそうです。

0℃、1気圧の水と氷は HARLEY-DAVIDSON ハーレーダビッドソン カジュアルウェア レディース ピンクラベル プルオーバー【Women’s Pink Label Pullover レディース】 Size:REG-2XL、どちらも同じ分子でできていても、分子の集まり方が違うために、まったく違う性質を持っています。同じように、結晶の構造が違う17種類の氷は、それぞれ性質が違います。

とはいえ、これですべての可能性をチェックしたとは言えません。ゼオライト以外の構造を持つ、もっと安定な氷があるかもしれません。また、ゼオライトの構造を持つ氷は、最低でも密度0.5g/cm 3 なので、それより低密度の氷は見落している可能性もあります。

そこで、これまでに理論家が予測した低密度氷の構造に着目しました。どの結晶構造も、多面体と角柱のブロックに分解できるように見えます。それなら、角柱部分を延長すれば、構造に新たなストレスを加えることなく、もっと密度の低い構造が作れるはずです。

これを、エアロアイス(aeroice)と名付けました。エアロアイスの密度は0~0.5g/cm 3 の範囲で自由に設定でき、コンピュータシミュレーションによってその物性も予測できます。その結果、極低温では多種多様のエアロアイスが安定に存在しうることが明らかになりました。理論計算を行ったエアロアイスの中では最も密度が高い氷(密度0.4g/cm 3 )でさえも、氷XVI (16) よりも安定であり、しかも密度が低いエアロアイスほど熱力学的には安定であることもわかりました。100xFAUと呼ばれる氷は空気よりも密度が低く、わずか–6気圧で氷Iよりも安定になるはずです。

松本正和
1992年京都大学大学院工学研究科修了。1996年 総合研究大学院大学(分子科学研究所) 博士(理学)。現在 岡山大学異分野基礎科学研究所准教授。専門は理論化学。兵庫県西宮市出身。水分子が集団になって創りだす構造や機能に興味をもっています。趣味と本業の境い目はあいまいで、各種ソフトウェア開発、CG制作、3Dプリンタによる模型製作、写真技術(スリット写真、パノラマ)の開発にも携わっています。
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