中国の科学者が率いる国際チーム、固体水素の複雑な結晶構造を世界初観測 - NewsTomo

水素が超高圧下でどのように並び、どのような構造をつくるのか。その謎に、中国の科学者が率いる国際チームが世界で初めて迫りました。X線ナノスケールのプローブを用いた観測により、固体水素のこれまでで最も詳細な結晶構造が明らかになり、金属水素研究に向けた重要な一歩となりそうです。

Natureに掲載された世界初の成果

中国の研究者が主導する国際チームは、X線ナノスケールプローブを使って固体水素の複雑な結晶構造を直接観測することに成功し、その成果を水曜日付で科学誌Natureに発表しました。今回の研究は、固体水素の原子レベルの姿をここまで詳細にとらえた世界初の報告とされています。

研究チームは、固体状態から金属状態へ移行する途中にある水素を観測し、その臨界的な状態の構造をとらえました。これは、長年の謎だった金属水素の生成メカニズムに迫るうえで、重要な手がかりになります。

この記事のポイント

中国の科学者が率いる国際チームが、固体水素の複雑な結晶構造を世界で初めて観測
X線ナノスケールプローブとダイヤモンドアンビルセル技術を組み合わせて実験
固体から金属へと変化する途中段階の水素をとらえ、金属水素研究の基盤となるデータを提供
金属水素は核エネルギーに次ぐエネルギー密度を持つとされ、その実現に向けた理解が一歩前進

固体水素とは何か高圧で姿を変える水素

通常の条件では、水素は気体として存在します。しかし、圧力を極端に高くすると、水素分子は結晶のように規則正しく並んだ固体状態になります。とはいえ、その中で原子や分子がどのように配置されているのかは、これまで詳しく分かっていませんでした。

研究の筆頭著者である北京の高圧科学技術先端研究センターの研究者、Ji Cheng 氏によると、圧力が高まるにつれて水素の結晶構造は次第に複雑になっていきます。気体の水素では分子がばらばらに飛び回っていますが、およそ5ギガパスカルの圧力をかけると、水素分子はボードゲームのハルマの駒のように整然と並び、固体水素をつくります。

さらに圧力を212から245ギガパスカル程度まで高めると、一部の水素原子は蜂の巣のような六角形のパターンをつくり、より入り組んだ構造が現れるとされています。今回の観測は、こうした高圧下での多様な構造変化を直接確かめるものになりました。

金属水素に近づく臨界状態を観測

今回の研究でとらえられたのは、固体水素が金属水素へと変わる境目にあたる重要な状態です。金属水素とは、極端な高圧で水素が金属のように振る舞うとされる物質で、そのエネルギー密度は核エネルギーに次ぐとされています。

高圧物理学者であり、中国の科学アカデミーの外国籍会員でもある Ho-kwang Mao 氏は、金属水素の性質は独特な原子配列から生じると指摘し、固体水素の結晶構造研究がその基盤になると説明します。今回の成果は、金属水素がどのような経路で、どのような仕組みで形成されるのかを理解するうえで、欠かせない情報を与えるものだといえます。

金属水素の存在は、1935年にノーベル賞受賞物理学者のユージンウィグナー氏が、極端な高圧下で現れると予言して以来、物理学者たちの大きなテーマでした。Mao 氏によれば、その生成にはおよそ500ギガパスカルという超高圧が必要と見積もられており、その圧力はジャンボジェット機が針の先に乗っているのに匹敵するほどだと説明されています。