氷VIIおよび関連する高圧氷相の結晶構造と性質

氷VII（アイス・セブン）は、高圧下で形成される水（氷）の結晶多形のひとつであり、約2 GPa以上の圧力領域で安定して存在します。パーシー・ブリッジマンによってその存在が報告されて以来、高圧物理学における重要な研究対象となっています。

結晶構造と特性

氷VIIの結晶構造は、酸素原子が体心立方（bcc）格子を形成し、その中に水素原子が統計的に配置される構造をとります。1984年、Kuhsらによる中性子粉末回折実験により、空間群Pn-3mに属する詳細な構造が明らかにされました。2.6 GPaにおける格子定数は a = 3.35 Åと報告されています。

鉱物としての氷VII

長年、氷VIIは実験室環境でのみ確認されてきましたが、2018年、Tschaunerらによって地球深部由来のダイヤモンド包有物として天然の氷VIIが発見されました。この発見により、国際鉱物学連合（IMA）は氷VIIを正式な鉱物として認定しました。この包有物は、マントル遷移層から下部マントルにかけての環境で、水に富んだ流体がダイヤモンドに取り込まれ、地表への上昇過程で冷却・結晶化したものと考えられています。

関連する高圧氷相

氷VIIに関連して、水素の秩序化や結合の対称化に伴ういくつかの多形が知られています。

氷VIII

氷VIIIは、氷VIIの冷却によって得られる水素秩序相です。1966年にWhalleyらによって誘電測定から発見されました。構造は正方晶（空間群I41/amd）であり、水素原子が完全に秩序化した配置をとります。水素無秩序・秩序相のペアの中で、最も高い相転移温度を持つことが特徴です。

氷X

氷Xは、さらに高い圧力下で水素結合が対称化した状態の氷を指します。室温において約60 GPa付近で氷VIIから氷Xへの転移が起こると報告されています。この状態では、酸素原子間の水素結合において、共有結合と水素結合の距離が等しくなり、対称的な結合構造となります。完全な対称化には100 GPaを超える圧力が必要であるという研究も存在します。