Ice IV from supercooled water; Reproducible crystallization, structure, and ordering

過冷却水からの氷IVの生成; 再現可能な結晶化、構造、および秩序化

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、氷の高圧下における準安定相であり、水から結晶化することは極めて稀であるため、「ウィル・オ・ザ・ウィスプ(幻灯)」という愛称で呼ばれており、これは氷の不安定で幽霊のような形態を表している。本研究では、水-油エマルジョンを用いた実験により、0.45GPaから1.1GPaの圧力下において、液体の水が均一核生成温度()で再現性よく、かつ選択的に氷IVへと結晶化することを報告する。圧力による氷Ihの融解とそれに続く再結晶化を追跡することで、以下であっても液体の水が優先的に氷IVへと結晶化することを示した。乳化氷試料における高い静水圧状態と結晶成長の抑制により、中性子回折法を用いて氷IVおよびその潜在的な水素配列状態の両方について、信頼性の高い構造解析を行うことができた。実験で達成可能な配列度は極めて低く、結晶化方法にほとんど依存しなかった。

Ice IV, a metastable high-pressure phase of ice, rarely crystallizes from water and has therefore been called by a nickname, "will-o'-the-wisp," a tentative, ghostly form of ice. Here we report by experiments using water-in-oil emulsions that liquid water reproducibly and selectively crystallizes into ice IV at the homogeneous nucleation temperature () at pressures between 0.45 and 1.1 GPa. By tracking pressure-induced melting of ice Ih and immediate recrystallization, we show that liquid water preferentially crystallizes into ice IV even below . Thanks to high hydrostaticity and suppressed crystal growth in emulsified ice samples, reliable structure analyses for both ice IV and its potentially hydrogen-ordered state were achieved by neutron diffraction. The achievable degree of ordering in experiments was extremely low and nearly independent of the crystallization methods.