水を摂取してください。 塩化ナトリウムを加えます。 冷やして塩味の氷に絞ります。

Mar 07, 2023

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研究室で作成されたこの化合物は、これまでに見たことのないもので、太陽系外縁部の氷の衛星に自然に存在する可能性があります。

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ケネス・チャン著

科学者らは、おそらく地球上には自然には存在しないが、太陽系のさらに遠い氷の衛星で見つかる可能性がある、2つの新しい形の塩分を含んだ氷を発見した。

「これらの構造は、これまでに説明されたものとはまったく異なります」とワシントン大学の地球宇宙科学助教授代理のバティスト・ジュルノー氏は言う。

米国科学アカデミー紀要の 2 月 20 日号に寄稿したジュルノー博士と彼の同僚は、地球上で最も一般的に見られる 2 つの物質、水と塩化ナトリウム（表としてよく知られている）の 2 つの新しい固体と氷の組み合わせについて説明しています。塩。

新たに発見された結晶は、塩水を低温に冷やし、高圧で絞ると、予想外に形成された。

塩水は地球上に豊富に存在し、海を満たしています。化学者たちは、塩水が地球の条件下でどのように挙動するかを長い間知っていました。 この地球上の氷が塩辛いことはほとんどありません。

実際、塩化ナトリウム (各分子は 1 つのナトリウム原子と 1 つの塩素原子で構成されています) は、水の凝固温度を下げる不凍液として最初に考えられることがよくあります。 そのため、吹雪の際に道路上に蔓延するのです。 塩水が凍結すると、形成される氷の結晶は、ナトリウムイオンと塩化物イオンが残りの液体に押し出された純水で構成されます。

十分に低い温度では、残った過塩水が凝固し始め、硬質の水を含む結晶または水和物であるハイドロハライトを形成します。 ハイドロハライトは、各塩化ナトリウムに対して 2 つの水分子で構成されています。

ここ数十年で、惑星科学者たちは、氷の地殻の下に液体の水の海を持つ太陽系外縁部の世界を多数発見した。 これらには、木星の 2 つの衛星であるエウロパとガニメデ、土星の 2 つの衛星であるタイタンとエンケラドゥスが含まれます。 ジュルノー博士は、これらの世界の海を凍結から守るために塩が果たす役割を研究したいと考えていました。

これらの状況を再現するために、少量の塩水を華氏マイナス190度まで冷却し、2枚のダイヤモンドの間に押し込み、地表で空気が私たちに押し付ける通常の1平方インチあたり14.7ポンドの最大25,000倍の圧力をかけた。 。

「当初、私たちがこれらの実験を行ったのは、塩化ナトリウムや塩の不凍効果を研究したかったからです。塩化ナトリウムは、地球の海と同様に地球外の海でもおそらく最も一般的な溶質であると予測されているからです」とジュルノー博士は述べた。 「私たちは、地球上で見られるものと似たようなことが起こると期待していました。それは、氷が成長するにつれて塩が氷から排除されるということです。」

その代わり、不凍液が凍ってしまいました。

「まったく予期していなかった新しい結晶が、どこからともなく現れました」とジュルノー博士は語った。 「それはとても偶然でした。」

結晶は非常に小さく、幅は最大でも約1/250インチ、つまり人間の髪の毛の幅とほぼ同じでした。

結晶から反射する X 線により、科学者たちは 2 つの新しい水和物を作成したことがわかりました。 1 つは、17 個の水分子ごとに 2 個の塩化ナトリウム分子の結晶構造を持っていました。 この物質は華氏マイナス100度程度の温度と通常の大気圧の5,000倍の圧力で形成された。 より高い圧力では、さらに別の、塩分の少ない水和物が形成され、塩化ナトリウム 1 分子あたり 13 個の水分子を持ちます。

科学者らは第三の形態の兆候も確認したが、針状の結晶は細すぎて結晶構造を研究できなかった。 ジュルノー博士は、「とてもきれいだけど、とても薄いのでデータを取得するのが難しい」と語った。

新しい水和物はエウロパの謎を説明するのに役立つかもしれない。 ハッブル宇宙望遠鏡を使用した2019年の観測では、月の表面に黄色がかった縞模様の中に塩化ナトリウムが存在することが明確に確認されました。 それが純粋な塩の粒子の形である可能性は非常に低いですが、他の観察結果（特定の化合物の指紋を識別する役割を果たす表面に吸収された赤外線の色）では、既知の塩水和物であるハイドロハライトの説得力のある兆候は示されませんでした。

科学者らは、大気圧の5,000倍の圧力で形成された新しいハイドレートは、圧力が取り除かれた後も、おそらく華氏マイナス40度のような高温でも安定したままであることを示した。 これは、この水和物がエウロパの地下で形成された可能性があり、地表に押し出されたとしてもその形態のままであることを示唆しています。

カリフォルニア工科大学の惑星天文学教授で、ハッブル観測で塩化ナトリウムを特定した科学者の一人であるマイケル・E・ブラウン教授は、「水の氷に何らかの物質が混ざっていることは以前から知られていた」と語った。エウロパで。 「そして、私たちはそれが実際には内海に由来する単なる塩ではないかと長い間疑っていましたが、完全に一致することはできませんでした。もしかしたら、それはこの新しい形の塩なのかもしれません。」

ブラウン博士は、塩化ナトリウムは「世界で最も単純で最も理解されているものの一つである」と述べた。 「それでもジュルノーは、これまで見たことのない新しい形を発見したところです。」

また、水和物の安定性は、高圧を使わずに水和物を生成する方法がある可能性を示唆しており、おそらくより大きな結晶の成長を可能にします。 これにより、赤外光の吸収を測定し、それをエウロパの測定値と直接比較する実験につながる可能性があります。

ジュルノー博士は、英国のユニバーシティ・カレッジ・ロンドンの化学教授クリストフ・ザルツマンに連絡を取った。同氏は今月、通常の氷を鋼球で揺さぶったときに生成される新しいガラス状の水氷を報告した科学者の一人だ。

塩水から始めて、同じ技術で新しい水和物を作成できる可能性があります。 ザルツマン博士は「我々はこれを断固として試してみるつもりだ」と語った。 「新しい水和物が低温でも安定であれば、おそらくボールミルによる混合だけで水和物が形成されるでしょう。」

ジュルノー博士は、この水和物は地球上にも自然に存在する可能性があると述べた。 南極の一部の地域はかなり寒くなり、塩水湖では水和物が固まる可能性がある。

もう一つの水和物は、塩化ナトリウム1個に対して13個の水分子を持ち、氷の世界の海の底で見つかる可能性があるとジュルノー博士は述べた。

これらの興味深い氷の世界を研究するために、数台のロボット宇宙船が今後数年のうちに太陽系外縁部に向かう予定である。氷の世界は太陽系内で地球外生命体を探すのに最も有望な場所であると多くの科学者は言う。 欧州宇宙機関のジュース・ミッション（木星氷衛星探査機の略称）は、4月に打ち上げられる予定だ。 NASAは、2026年に土星最大の衛星であるタイタンに向かうエウロパとトンボを研究するため、探査機エウロパ・クリッパーを2024年10月に打ち上げる予定だ。

この水和物は、太陽が輝いていないときや風が止まっているときに使用するために、ソーラーパネルや風力タービンによって生成されたエネルギーを貯蔵する方法になる可能性さえある。 「したがって、これには現実生活にも何らかの影響がある可能性があります」とジュルノー博士は言う。

Kenneth Chang は 2000 年からタイムズ紙に勤務し、物理学、地質学、化学、惑星について執筆しています。 サイエンス ライターになる前は、大学院生としてカオスの制御に関する研究を行っていました。 @kchangnyt

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