Slow compression of crystalline ice at low temperature

低温での氷のゆっくりとした加圧

Bauer, R.*; Tse, J. S.*; 小松 一生*; 町田 真一*; 服部 高典   

Bauer, R.*; Tse, J. S.*; Komatsu, Kazuki*; Machida, Shinichi*; Hattori, Takanori

氷Ihの100Kでの圧力誘起構造変化を中性子その場観察により調べた。熱力学的安定相への転移を促進するために、長時間をかけてゆっくり加圧した。その結果は、最近Tulk, et.al., Nature 2019らにより報告された、同じ条件での振る舞い(結晶から結晶への逐次晶相転移)とは異なり、1.0GPaで部分的に高密度アモルファス相(HDA)へ、さらに約1.5GPaで氷VII相へと転移することが分かった。また後者の圧力は、これまでのどの報告より低かった。その間の圧力では、結晶氷Ihまたは氷VIIはHDAと共存し、また形成された氷VIIは減圧しても0.1GPaまで安定であった。非常にゆっくりとした加圧はHDA相の中の結晶相の結晶性に大きな影響を与えることがわかる。これまでのすべての研究結果を踏まえ、圧力誘起非晶質化は以下のように説明できる。相転移開始は、氷格子のせん断不安定性によって引き起こされる。同温度圧力で熱力学的に安定相(水素秩序化氷VIII)の代わりに無秩序化した氷VIIが現れるのは、水素無秩序化単一ネットワークから水素秩序化相互貫入結晶ネットワークへの構造変化は、低温下では熱エネルギーが小さいために難しく、そのため水素無秩序化ネットワークがそのまま残される。今回の結果は、低温下で加圧された氷がとる構造は、相転移カイネティクスにコントロールされており、温度に依存することを示す。

Pressure-induced structural transformations in deuterated crystalline ice-Ih were studied in-situ at 100 K using neutron diffraction. Very long relaxation time was allowed between small pressure increments to promote transformations to the thermodynamic stable high pressure crystalline phases. The results contradict a recent report in which measurements under similar temperature and pressure environment show successive crystal-to-crystal transformations (Tulk, et.al., Nature 2019). Instead, ice Ih was found to transform partially to an amorphous form (high density amorphous, HDA) at 1.0 GPa and then ice VII started to emerge at 1.5 GPa, a pressure substantially lower than all earlier studies. During this pressure interval, crystalline ice Ih or ice VII co-exist with HDA. The ice VII formed is stable upon pressure release down to 0.1 GPa. The very low compression rate has a profound effect on the crystallinity in the amorphous regime. Gathering all the existing experimental evidences allows an unambiguous description of the phenomenon of pressure induced amorphization. The onset of the phase transition is triggered by a shear instability of the ice lattice. The co-existence ice VII with HDA, instead of the equilibrium thermodynamic stable and proton-ordered ice-VIII under the same pressure-temperature condition reveals at low temperature there is insufficient thermal energy to overcome the substantial geometrical rearrangement from a single proton disordered H-bond network to an interpenetrating proton ordered H-bond crystalline network. Thus, leaving the proton disordered H-network intact. The analysis shows unequivocally that the structure obtained from the compression of ice is controlled by kinetics and dependent on the temperature.