含水鉱物における圧力誘起水素結合対称化

Pressure induced hydrogen bond symmetrization in a hydrous mineral

佐野 亜沙美   ; 服部 高典   ; 小松 一生*; 鍵 裕之*; 永井 隆哉*

Sano, Asami; Hattori, Takanori; Komatsu, Kazuki*; Kagi, Hiroyuki*; Nagai, Takaya*

水素は地球深部において鉱物中にOH基などとして固定され、相当量存在すると考えられている。通常、地表において鉱物中の水素は二つの酸素の間で片側の酸素と共有結合で、もう一方の酸素と水素結合で結ばれている。しかし1970年代に、高圧氷についての理論計算により、高圧力を加え酸素間距離が縮まることで、水素が二つの酸素間の中点に位置し両側の酸素と共有結合する対称化がおきると予測された。その後含水鉱物においても同様に対称化がおきること、またそれに関係すると考えられる様々な物性の変化が報告されたが、水素位置に関する直接的な証拠は得られていなかった。本研究では含水鉱物-AlOOH相の高圧下中性子回折実験を行い、18GPaにおいて水素が二つの酸素間の中点に位置し対称化することを初めて直接観測した。またそれより低圧側では中点を挟んだ2点でディスオーダーする領域があることも明らかにした。この結果はこれまでこの含水鉱物で見つかっていた弾性波速度の急激な増加が、対称化と、その前駆現象であるディスオーダーにより引き起こされていることを示している。

Hydrogen exists not only on the Earth's surface as liquid water but also incorporated into minerals in the deep mantle as hydroxyl ion. At ambient pressure on the surface of the Earth, hydrogen in minerals generally takes an asymmetric position between two oxygen atoms, which forms a short covalent bond on the one side and a long and relatively weak hydrogen bond on the other side. However, it was theoretically predicted in 1970' that the hydrogen in ice locates at the center between two oxygen atoms under high pressure, which is so-called symmetrization of hydrogen bond. To investigate how the symmetrization affects on the physical properties of minerals, we conducted neutron diffraction experiments on -AlOOH at high pressure. We observed that hydrogen reaches at the center between two oxygen atoms at 18.1 GPa. The present study revealed that even small change of hydrogen atomic position but the symmetrization can change the physical property of mineral.