【研究成果】単層の氷の構造を初めて可視化 ― 渦状に並んだ水分子がつくるフェロアキシャル秩序を実証 ―

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【研究成果】単層の氷の構造を初めて可視化 ―　渦状に並んだ水分子がつくるフェロアキシャル秩序を実証　―

【研究成果】単層の氷の構造を初めて可視化 ―　渦状に並んだ水分子がつくるフェロアキシャル秩序を実証　―

本研究成果のポイント

?鉱物中に闭じ込められた単层の水分子(単层氷)が研究の舞台
?ハニカム格子上に并んだ水分子は室温で定まった方向を向かずに回転
?低温で水分子が涡状に并んだ、フェロアキシャル秩序状态の新しい氷を発见

概要

　静冈大学理学部の野村肇宏讲师の研究グループは、东京大学大学院新领域创成科学研究科の鬼头俊介助教?有马孝尚教授、冈山大学の小松寿弐千大学院生(当时)?木村纯大学院生?甲贺研一郎教授、広岛大学の长谷川巧准教授?荻田典男教授、高辉度光科学研究センターの中村唯我研究员、东京理科大学の石川孟讲师、名古屋大学の矢岛健准教授、东京大学物性研究所の松尾晶技术専门职员?古府麻衣子教授?广井善二教授、芝浦工业大学の富田裕介教授、大阪大学の松尾隆祐名誉教授と共同で、2次元に闭じ込められた単层の水分子が涡状の秩序构造(フェロアキシャル秩序)を示すことを発见しました。
　本研究では、2次元に闭じ込められた水分子の秩序构造を、放射光齿线回折と分子动力学计算によって调べました。マーティアイトという鉱物中で、水分子はハニカム格子上に并んでおり、単层氷とみなすことができます。研究グループはこの単层氷が低温で涡状のモチーフを形成し、フェロアキシャル秩序と呼ばれる特异な秩序を示すことを明らかにしました。
　この2次元氷の秩序构造は过去に予言されておらず、水という身近な研究対象がいかに复雑で谜に包まれた存在かを物语っています。2次元氷に関する知见は3次元氷を研究する础となるものであり、今后人类が水に関する研究を进める上で重要なマイルストーンとなることが期待されます。
　なお、本研究成果は、2026年2月13日に、アメリカ化学会の発行する国際雑誌「Journal of the American Chemical Society」に掲載されました。
　マーティアイトという鉱物中の水分子は、氷を一层だけ取り出して2次元に闭じ込めた、いわば単层氷とみなすことができます。本研究では、この単层氷が涡状の秩序构造(フェロアキシャル秩序)を示すことを発见しました。

背景

&苍产蝉辫;　雪の结晶は六角形をモチーフとした形をとります。これは氷の结晶中で、水分子がハニカム格子上に整列した3次元构造をとるためです。それでは、极薄の氷を一层だけ取り出したときにどんな构造をとるでしょう？本研究はそんな単纯な兴味から始まりました。
　研究グループはマーティアイト[martyite, Zn3(V2O7)(OH)2·2H2O]という層状の結晶構造を持つ鉱物に着目しました(図1)。マーティアイトのフレームワーク中で水分子はハニカム格子を形成しています。つまり、氷を一層だけ取り出して、それを2次元に閉じ込めたような状況が鉱物中で自然と実現しています。ハニカム格子上に配置された水分子は定まった方向を向くのではなく、面内をくるくる回転しています。これは幾何学的なフラストレーション＊注1により、全ての水分子を同時に安定に並べることができないためです。マーティアイトを室温から冷却したときに、回転していた水分子がどのようにお互いを配慮しながら整列するかは容易には予測できません。

図1：3次元氷と2次元氷のハニカム格子(水分子の蜂の巣状配列)。マーティアイト中で回転する水分子がどう整列するかは非自明。

研究成果の内容

&苍产蝉辫;　大型放射光施设「厂笔谤颈苍驳-8」*注2の叠尝02叠1で単结晶齿线回折実験の结果、マーティアイト中の水分子の低温构造では、6个の水分子がまとまった涡状のモチーフ(六量体)を形成していることがわかりました(図2)。分子动力学计算を用いた単层氷のシミュレーションからも同様の水六量体が形成されることが明らかになり、マーティアイト中の水分子がたしかに単层氷とみなせることがわかりました。この水六量体では、水分子が电気分极を持つことから、电気双极子モーメントの涡が形成されることになります。このような多极子は电気トロイダルモーメントと呼ばれ、それらがそろった状态をフェロアキシャル秩序と呼びます。本研究から単层氷の安定构造がフェロアキシャル秩序であることが明らかになりました。
　これまで20种类以上の氷の结晶构造*注3が报告されてきましたが、本研究で明らかになったフェロアキシャル秩序は理论的にも提案されたことがありませんでした。2次元に配置された水分子が作る涡状のモチーフは雪の结晶に劣らず美しく、自然の伟大さを再认识させられます。

図2：水分子のフェロアキシャル秩序と水六量体。涡状の电気双极子が电気トロイダルモーメントを作る。

今后の展望と波及効果

&苍产蝉辫;　水分子がどのような安定构造をとるのかという问いは、氷?水?界面现象を理解する上で人类にとって不可避な问题です。それは氷が水に浮くことや、冻结した路面が滑るといった日常的な现象を理解する上でも重要な知见です。他方で、3次元氷の秩序は复雑かつ微妙な问题であり、人类が完全に理解したと言うには远い状况です。本研究で明らかになった2次元氷の构造を足がかりに、水の理解が进展する可能性があります。&苍产蝉辫;

论文情报

掲載誌名: Journal of the American Chemical Society
論文タイトル: Ferroaxial order of the monolayer ice in martyite
著者: T. Nomura, S. Kitou, J. Komatsu, J. Kimura, K. Koga, T. Hasegawa, N. Ogita, Y. Nakamura,H. Ishikawa, T. Yajima, A. Matsuo, M. Kofu, O. Yamamuro, Z. Hiroi, Y. Tomita, T. Arima, T. Matsuo
DOI: 10.1021/jacs.5c19407

研究助成

　本研究は日本学術振興会科学研究費助成事業(22K14010, 23H04861, 24K06944, 24H01644, 24H01650, 25K00969)による助成を受けたものです。

用语解説

注1　几何学的なフラストレーション：格子の几何学的配置のために、すべての相互作用を同时に満たせない状态。ハニカム格子上の水分子の场合、全てのペアで水素结合を形成することができず、不安定なペアが必ず存在してしまう。?

注2　大型放射光施設SPring-8：理化学研究所が所有する兵庫県の播磨科学公園都市にある世界最高性能の放射光を生み出す大型放射光施設で、利用者支援等は高輝度光科学研究センター（JASRI）が行っています。SPring-8（スプリングエイト）の名前はSuper Photon ring-8 GeVに由来。SPring-8では、放射光を用いてナノテクノロジー、バイオテクノロジーや産業利用まで幅広い研究が行われています。

注3　氷の结晶构造：圧力と温度を制御することで多种多様な氷の结晶构造が出现することが知られている。これまでに20种类が确认されており、今后も増える可能性がある。