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―

2026-02-20 静岡大学

静岡大学を中心とする研究グループは、鉱物中に閉じ込められた単層の氷の構造を可視化し、水分子が渦状に配列する「フェロアキシャル秩序」を初めて実証した。大型放射光施設SPring-8での単結晶X線回折と分子動力学計算により、低温で6個の水分子が六量体を形成し、電気双極子が渦を巻くことを確認。これは理論的予測のなかった新しい氷の秩序であり、2次元氷を足がかりに水の構造や氷核形成機構の理解を深める成果である。

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―
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

<関連情報>

マルティアイトにおける単層氷の強軸秩序 Ferroaxial Order of the Monolayer Ice in Martyite

Toshihiro Nomura,Shunsuke Kitou,Junichi Komatsu,Jun Kimura,Kenichiro Koga,Takumi Hasegawa,Norio Ogita,Yuiga Nakamura,Hajime Ishikawa,Takeshi Yajima,Akira Matsuo,Maiko Kofu,Osamu Yamamuro,Zenji Hiroi,Yusuke Tomita,Taka-hisa Arima,and Takasuke Matsuo
Journal of the American Chemical Society  Published: February 13, 2026
DOI:https://doi.org/10.1021/jacs.5c19407

Abstract

Ice Ih, the most stable phase of water at ambient pressure, is a stacking of the honeycomb network of water molecules H2O. What if one layer of ice is exfoliated and confined to a two-dimensional (2D) sheet? Martyite Zn3(V2O7)(OH)2·2H2O, a mineral with the honeycomb lattice of H2O in the porous framework, is an ideal system for studying such monolayer ice. Due to the geometrical frustration and 2D nature, H2O molecules are dynamically disordered at room temperature. In this study, we reveal disorder–order transitions of H2O in martyite using single-crystal X-ray diffraction (XRD). The XRD results visualize the formation of hydrogen-bonded toroidal H2O hexamers, leading to the ferroaxial order below 200 K. Combined with the molecular dynamics simulations, we discuss the formation process of the H2O hexamers and how they compromise the molecular arrangement toward lower temperatures. Our results demonstrate that martyite is a model system for studying 2D ice, which may give a clue for understanding the polymorphism of H2O.

1702地球物理及び地球化学
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