[原研・高輝度研] 液体リン構造変化現象捉える

　日本原子力研究所と高輝度光科学研究センターはこのほど、「ＳＰｒｉｎｇ−８」の原研材料科学ビームラインに高温高圧発生装置を組み合わせたＸ線回析実験により、圧力を変化させたときに起こる液体リンの構造の急激な変化を、世界で初めてその場観察することに成功した。

　結晶固体では、温度や圧力の変化によって原子の並び方が急激に変わり、異なった密度を持つ別の構造へと変化する現象「一次の相転移」はよく知られている。

　一方、純粋な液体での一次の相転移、つまり同じ物質でありながら、原子の並び方と密度の異なりではっきりと区別できる二種類の液体間の相転移は非常にまれだ。しかし、最近、この種の転移が過冷却水、液体酸素を含むいくつかの物質で起こることを間接的に示す理論的、実験的研究が報告されている。

　そこで、この種の転移の直接観察を目指し、構造変化が期待される液体リンのＸ線回折実験を高圧で行った。その結果、約１万気圧以下の圧力では、既に知られている通り、リン原子４個からなる正４面体型の分子が乱雑に並んでいる様子が観察されたが、それ以上の高圧では、強く結ばれたりン原子のネットワークが長く延びた重合体になっていると考えられる観察結果が得られた。

　さらに加圧あるいは減圧によって、この２つの異なった液体構造間の変化が、数１００気圧以下という非常に狭い圧力範囲で起こり、早いときには数分で変化が終わってしまうことや、変化の途中では２つの構造が共存していることも観察された。この変化は一次の相転移であることを強く支持している。

　この結果は、急激な構造の変化が純粋な液体で起こることをその場観察によって初めて示したものであり、物理や化学などの基礎科学の発展に寄与するだけでなく、地球内部のマグマの研究や高温高圧下での新たな物質合成の研究にも結びつくものと期待される。