Ice VII from aqueous salt solutions; From a glass to a crystal with broken H-bonds

塩水溶液からの氷VII相; ガラスから水素結合が壊れた結晶へ

Klotz, S.*; 小松 一生*; Pietrucci, F.*; 鍵 裕之*; Ludl, A.-A.*; 町田 真一*; 服部 高典   ; 佐野 亜沙美   ; Bove, L. E.*

Klotz, S.*; Komatsu, Kazuki*; Pietrucci, F.*; Kagi, Hiroyuki*; Ludl, A.-A.*; Machida, Shinichi*; Hattori, Takanori; Sano, Asami; Bove, L. E.*

LiClやLiBrなどの水溶液は160K以下に冷やすと通常の氷ではなくガラス化することが知られている。これらを初期物質として用い、低温下で温度、圧力処理することで、塩を氷の構造中にトラップすることができ、通常では生成できない「塩氷」を作ることができる(通常、氷の結晶化に伴い、塩は氷から排出されてしまう)。今回、固溶限まで濃度を高めた組成を持つ試料に関して、上記の方法で塩氷を作成し、中性子回折実験及び分子動力学計算を行った。その結果、LiCl5.6HO及びLiBr5.6HOの組成を持つ氷は、その構造が極度に膨張し、水素結合ネットワークが完全に破壊された(つまり、水分子が結晶中で完全にランダム配向した)氷になることを発見した。この不思議な現象は、並進対称性を持つ結晶中で、水分子の回転の自由度を残すことができるという大変稀有な方法を提示している。

It has been known since decades that certain aqueous salt solutions of LiCl and LiBr readily form glasses when cooled to below 160 K. This fact has recently been exploited to produce a salty high pressure ice form: When the glass is compressed at low temperatures to pressures higher than 4 GPa and subsequently warmed, it crystallizes into ice VII with the ionic species trapped inside the ice lattice. Here we report the extreme limit of salt incorporation into ice VII, using high pressure neutron diffraction and molecular dynamics simulations. We show that high-pressure crystallization of aqueous solutions of LiCl5.6HO and LiBr5.6HO leads to solids with strongly expanded volume, a destruction of the hydrogen-bond network with an isotropic distribution of water-dipole moments, as well as a crystal to-amorphous transition on decompression. This highly unusual behavior constitutes an interesting pathway from a glass to a crystal where translational periodicity is restored but the rotational degree of freedoms remaining completely random.