Formation and growth of ice XI; A Powder neutron diffraction study

氷XIの形成と成長; 粉末中性子回折研究

深澤 裕; 星川 晃範; 山内 宏樹   ; 山口 泰男*; 石井 慶信

Fukazawa, Hiroshi; Hoshikawa, Akinori; Yamauchi, Hiroki; Yamaguchi, Yasuo*; Ishii, Yoshinobu

水素(重水素)原子の配置が秩序化したIce XIと呼ばれる氷結晶の形成と成長過程を調べるために、KODを含有したDOの粉末氷中性子回折プロファイルを測定した。測定中、氷の温度は相転移点76Kより十分に低い57Kで約17時間維持し、さらに温度を上げて68Kで55時間程度アニールした。57Kで得られた中性子回折プロファイルは時間によらず一定で、水素(重水素)の配置が無秩序であるIce Ihの回折プロファイルと同じであった。一方、57Kから68Kに温度を上げることで回折プロファイルが変化することを発見した。そこで、68KにおけるIce XIの出現と成長の構造的証拠を得るために二相モデルを用いたリートベルド解析を実施した。その解析から、Ice XIは空間群Cmc21の構造を有していることがわかった。さらに、Ice XIの核が68Kで発生し、その質量比は時間の経過に伴って増加することが見いだされた。そして、Ice XIの核生成はKODを含有した氷の内部で数日間にわたって継続した。本研究により、未だ不明な点が多いIce XIの生成条件と成長過程の分析が初めて可能になった。

We measured neutron diffraction profiles of powdered KOD-doped D2O ice to investigate the formation and growth of ice XI, a deuterium-ordered phase of ice, from ice Ih, a disordered phase. During the measurements, the ice was annealed at 57 K for about 17 h, and then warmed up and kept at 68 K for about 55 h, which are below the transition temperature Tc = 76 K. The diffraction profiles for the doped ice at 57 K did not change with time and were close to those for ice Ih with the deuterium-disordered arrangement. However, when the temperature increased from 57 K to 68 K, the diffraction profiles changed. We carried out the Rietveld analysis with the parameters for a two-phase model to obtain the structural evidence of the appearance and the growth of ice XI. The analysis provided evidence of ice XI as space group Cmc21 at 68 K. The temporal increase of the mass fraction of ice XI showed that nucleation of ice XI began just after warming up to 68 K. Then ice XI grew for several days in the doped ice. The study provides the first structural observation of the growth of ice XI.