大型放射光施設 SPring-8

公開日

2026年02月20日

2026年2月20日
国立大学法人静岡大学
国立大学法人東京大学
国立大学法人岡山大学
国立大学法人広島大学
公益財団法人高輝度光科学研究センター
学校法人東京理科大学
国立大学法人東海国立大学機構名古屋大学
学校法人芝浦工業大学

【研究概要】
　マーティアイトという鉱物中の水分子は、氷を一層だけ取り出して2次元に閉じ込めた、いわば単層氷とみなすことができます。本研究では、この単層氷が渦状の秩序構造（フェロアキシャル秩序）を示すことを発見しました。

【研究背景】
　雪の結晶は六角形をモチーフとした形をとります。これは氷の結晶中で、水分子がハニカム格子上に整列した3次元構造をとるためです。それでは、極薄の氷を一層だけ取り出したときにどんな構造をとるでしょう？本研究はそんな単純な興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。

【研究の成果】
　大型放射光施設「SPring-8」^※注2のBL02B1で単結晶X線回折実験の結果、マーティアイト中の水分子の低温構造では、6個の水分子がまとまった渦状のモチーフ（六量体）を形成していることがわかりました（図2）。分子動力学計算を用いた単層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層氷とみなせることがわかりました。この水六量体では、水分子が電気分極を持つことから、電気双極子モーメントの渦が形成されることになります。このような多極子は電気トロイダルモーメントと呼ばれ、それらがそろった状態をフェロアキシャル秩序と呼びます。本研究から単層氷の安定構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種類以上の氷の結晶構造^※注3が報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論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渦状のモチーフは雪の結晶に劣らず美しく、自然の偉大さを再認識させられます。

【今後の展望と波及効果】
　水分子がどのような安定構造をとるのかという問いは、氷・水・界面現象を理解する上で人類にとって不可避な問題です。それは氷が水に浮くことや、凍結した路面が滑るといった日常的な現象を理解する上でも重要な知見です。他方で、3次元氷の秩序は複雑かつ微妙な問題であり、人類が完全に理解したと言うには遠い状況です。本研究で明らかになった2次元氷の構造を足がかりに、水の理解が進展する可能性があります。

【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。

【研究者コメント】
静岡大学理学部　講師・野村肇宏
水は我々生命の源とも言える物質であり、その秩序構造は人類が長年取り組んできた研究課題です。2次元氷を研究する過程で水の新たな姿を明らかにできたことはこの上ない喜びです。

【用語解説】