Slightly hydrogen-ordered state of ice IV evidenced by neutron diffraction

中性子その場観察により明らかとなったわずかに水素秩序化した氷IV

小林 大輝*; 小松 一生*; 伊藤 颯*; 町田 真一*; 服部 高典   ; 鍵 裕之*

Kobayashi, Hiroki*; Komatsu, Kazuki*; Ito, Hayate*; Machida, Shinichi*; Hattori, Takanori; Kagi, Hiroyuki*

氷IVは、水分子が配向乱れを示す氷の準安定高圧相である。配向秩序は他の氷相ではよく観測されるが、氷IVでは報告されていない。われわれは、DClを添加したDO氷IVのその場粉末中性子回折実験を行い、氷IVにおける水素秩序を調べた。その結果、単位胞体体積の温度微分dV/dTが約120Kで急激に変化することを発見し、またリートベルト解析により低温でわずかに水素が秩序化することを明らかにした。D1サイトの占有率は0.5から外れており、そのずれは試料をより高い圧力で冷却すると増加し、2.38GPa, 58Kで0.282(5)に達した。この結果は、氷IVに対応する低対称の水素秩序状態の存在を証明するものである。しかしながら、高圧下での徐冷によって、完全に水素が秩序化した氷IV相を実験的に生成することは難しいようである。

Ice IV is a metastable high-pressure phase of ice in which the water molecules exhibit orientational disorder. Although orientational ordering is commonly observed for other ice phases, it has not been reported for ice IV. We conducted powder neutron diffraction experiments for DCl-doped DO ice IV to investigate hydrogen ordering in ice IV. We found abrupt changes in the temperature derivative of unit cell volume, dV/dT, at about 120 K, and revealed their slightly ordered structure at low temperatures based on the Rietveld method. The occupancy of the D1 site deviates from 0.5; it increased when samples were cooled at higher pressures and reached 0.282(5) at 2.38 GPa, 58 K. Our results evidence the presence of a low-symmetry hydrogen-ordered state corresponding to ice IV. It seems, however, difficult to experimentally access the completely ordered phase corresponding to ice IV by slow cooling at high pressure.