過冷却水はなぜドロドロに?——阪大など、スーパーコンピューターで解明

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左図:過冷却水が注がれ、衝撃を受けて凍る様子:藤野丈志氏(株式会社興和)からの提供。右図:コンピューターシミュレーションによって計算された過冷却水の構造(赤球:酸素原子,青球:水素原子,黄棒:水素結合)

大阪大学は2017年8月19日、同大学の金鋼准教授と名古屋大学の川﨑猛史助教が、氷点下でも凍らずに液体状態として存在する水(過冷却水)の粘度が温度の低下にともない急激に上昇する(ドロドロになる)原因を、コンピューターシミュレーションを用いて明らかにしたと発表した。

水は、4℃で密度が最大となり温度低下とともに体積が膨張するなど、他の液体性物質と異なる多くの不思議な性質を示す。水は氷点下(0℃以下)でも凍らずに液体状態で存在できるが、水の多くの異常性がこの過冷却水で顕著になる。さらに、この過冷却水を冷やすと、ガラス状(液体の不規則な分子配置構造を保持したまま固体的な状態に達した状態)のアモルファス氷になるのかどうかは、長年の論争になっている。

凍らずに過冷却された水は、常温の水と結晶化した氷の中間的な性質を示し、流動性が低く粘度が非常に高い(ドロドロの)状態になる。しかし、過冷却水は多くの場合不純物を含んでいるため、氷点下では結晶化しやすく、ドロドロの原因が分子レベルで説明されることはこれまでなかった。

今回の研究では、分子動力学法と呼ばれるコンピューターシミュレーションを用いて、不純物を含まない理想的な状況下で約-80℃まで過冷却された水での水分子の運動の様子を明らかにした。水分子の動きやすさは拡散係数を、水の流れやすさは粘性率を計算することにより解析。また水では分子同士が水素結合により強く相関しているため、水分子間のランダムな水素結合ネットワークが時間とともに変化する様子も分子レベルで解析した。

その結果、過冷却状態では、水素結合ネットワークが柔らかい部分と固い部分が同時に存在する不均一な構造をもちながら強固になり、このことが高い粘度をもたらす原因であることがわかった。また、過冷却されてドロドロになり水分子が動きにくくなっている中でも、間欠的にジャンプし水素結合を切断しながら動き回る様子を観測した。さらに、この水素結合を切断する間欠的なジャンプ運動は、Stokes-Einstein則(粘度が高くドロドロな液体中では抵抗力が大きく動きにくくなり、拡散性が低くなる)の破れという、様々なガラス性物質で見られる流体力学的異常性の原因を理解することに繋がることもわかった。

過冷却水の性質の解明は、アモルファス氷の存否に関する長年の論争を決着させる可能性がある。これは、ほぼ全てのガラス状物質が過冷却されると、粘度が非常に高くなるというメカニズムを理解する鍵にもなる。今回の成果をもとに、Stokes-Einstein則の破れを普遍的に理解することで、ガラス状物質がドロドロしながらゆっくりと流れることができる原因の本質的な理解に繋がることが期待される。

さらに、過冷却水は生命活動とも密接に関係している。例えば、細胞を凍らせると氷晶形成により急激な体積膨張が起こり、細胞壁が壊されるが、これを回避し凍らせることができれば生きたままにすることができる。すでに、過冷却を応用したiPS細胞の保存技術へと展開されているが、そこでは過冷却状態を保ち続けることが重要な課題であり、今回の研究による知見が技術深化へ繋がる可能性があるとしている。

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