国際的な化学者チームが、ほぼ完璧な立方体の氷の結晶を作るという新記録を樹立しました。残念ながら、この氷の結晶は非常に小さく、肉眼では見えません。
これは、The Journal of Physical Chemistry誌に掲載された研究によるものです。些細なことに聞こえるかもしれませんが、実は非常に難しい作業です。まず窒素と水蒸気を凝縮させ、その後、極小の凍結した水滴をノズルから超音速で噴射する必要があるのです。
ほとんどの氷（凍った湖、雪、氷塊など）の水分子は六角形構造をとっています。水素原子と酸素原子の正確な配置を無理やり立方体にするのは、不安定な構造であるため困難です。
これまで、完全に立方体の氷結晶でできた純粋な氷のサンプルを作ることに成功した科学者はいませんでした。今回の研究では、約80%が立方体、20%が六角形の氷を作ることに成功し、従来の記録を約10%上回りました。
論文の共著者でオハイオ州立大学大学院研究員のバーバラ・ワイスロウジル氏は、「80％という数字は『ほぼ完璧』とは思えないかもしれないが、ほとんどの研究者はもはや、実験室でも自然界でも100％純粋な立方氷が実現可能であるとは考えていない」と述べている。
ウィスロウジル氏はThe Register紙にこう語った。「（研究者たちは）氷が冷たくなるにつれて、立方体の性質を持つ氷の割合が増加することに気づきました。残念ながら、ある温度以上に水を冷やすのは非常に困難です。しかし、私たちの実験では、非常に小さな水滴を用いることで、他の方法よりもさらに水を冷やすことができます。そこで、立方体の氷をどれほど純粋に作れるのかを知りたかったのです。」
この珍しい氷は、地球上で最も高い高度にある最も冷たい雲の中で形成されると考えられています。科学者たちは、太陽の周囲に太陽光が雲に反射して時折見られる光のハローは、この立方氷が原因ではないかと考えています。
雲の中の立方氷は太陽光を散乱させ、太陽の周りに同心円状の光の輪を作り出す（写真提供：Pixabay）
この形の氷を再現することで、雲が太陽光とどのように相互作用するかについての理解が深まるかもしれないと研究者たちは考えている。これは気候変動モデルを改善できる重要なプロセスである。
立方体の形状を作るために、窒素と水蒸気を超音速ノズルで吸い込みました。内部のガスは膨張して冷却され、直径約20ナノメートルの微小な水滴を形成します。これは雨滴よりもはるかに小さいものです。その後、水滴は-48℃（-55°F）に冷却され、約100万分の1秒で凍結しました。
その後、研究者らはX線回折法（物質にレーザーを照射し、X線ビームの偏向を測定する方法）を使用して液滴の原子構造を調べた。
おい、君って本当に四角いな…氷の滴から散乱したX線によって形成された同心円状のリングが、その内部構造を明らかにしている（写真提供：オハイオ州立大学）
論文の共著者でカリフォルニア州メンロパークのSLAC国立加速器研究所の研究員であるクラウディウ・スタン氏は、分子レベルで水がどのように凍るのかは依然として謎だと語った。
水がゆっくりと凍るとき、氷はレンガの壁を建てるのと同じように、水分子から作られると考えられます。レンガを積み重ねていくのです。しかし、高高度の雲の中での凍結はあまりにも速く起こるため、そうは考えられません。むしろ、無秩序に積み重なったレンガが、欠陥や異常な配列を伴いながらも、急激に再配置されてレンガの壁を形成すると考えるべきです。
「この種の結晶形成プロセスは非常に高速かつ複雑なため、何が起こっているのかを観察するだけでも高度な装置が必要になります。私たちの研究は、将来、結晶が形成される様子を観察できる実験装置を開発できるという発想に基づいています。」®
