水/高圧氷の界面に液晶らしき"未知の水"を発見 ――ダイナミクスが示唆する未知の水の生成機構と構造の多様性――研究成果

2023年10月11日
国立大学法人東北大学
国立大学法人北海道大学
国立大学法人東京大学
国立大学法人鳥取大学

発表のポイント

• 高圧氷V（注1）と水の界面に水と混ざり合わない未知の水を発見しました。
• 未知の水の流れやすさの測定に成功しました。
• 未知の水の生成と不混和流体の相分離のダイナミクスに類似性を発見しました。
• 未知の水は一時的に液晶（注2）である可能性を示唆する成果です。

発表概要

　水は多くの自然現象を支配する身近な存在ですが、他の液体とは異なる奇妙な物性を示します。東北大学多元物質科学研究所の新家寛正助教、北海道大学低温科学研究所の木村勇気教授、鳥取大学工学部機械物理系学科の灘浩樹教授と東京大学大学院総合文化研究科 広域科学専攻／附属先進科学研究機構の羽馬哲也准教授を中心とする研究グループはこれまでの研究で、様々な氷と水との界面にできる、通常の水と混ざり合わない低密度および高密度な未知の水を発見しています。今回、未調査であった高圧氷Vと水の界面にも高密度な未知の水ができることを発見しました。また、この未知の水の生成ダイナミクスは、二成分系不混和流体の液―液相分離（注3）の理論が予測するダイナミクスの特徴と類似していることを発見し、未知の水の生成機構解明へ一歩前進しました。さらに、未知の水の脱濡れ（注4）の形態に、氷Vの結晶学的異方性を反映した異方性が生じることを発見し、脱濡れ初期の未知の水は液晶である可能性を世界で初めて示しました。この成果は、長年の謎である水の特異物性を解明するため精力的に研究されている水の構造に対し新たな知見を与えるものです。

　本成果は、国際科学誌Scientific Reports に 10月11日（水）付でオンライン掲載されました。

発表詳細

大学院総合文化研究科のページからご覧ください。

用語説明

注1．高圧氷V
私たちが普段目にする氷は氷Ihと呼ばれ、六角柱状の水分子の並びを基本構造としている。その一方で、水を加圧することで結晶化する高圧氷も存在する。高圧氷は私たちが普段目にする氷とは結晶構造が異なる。中には0℃以上の温度で結晶化する高圧氷も存在する。本研究で着目した氷Vは高圧氷の一種で単斜晶系という結晶構造に分類される、菱形の柱状の形を基本格子とした結晶である。

注2．液晶
結晶と液体の中間にある物質の状態で、ガラスとは異なり緩やかな規則性を持っている状態を指す。すなわち、結晶の持つ周期性や物性の異方性と、液体の持つ流動性を併せ持つ物質の状態である。

注3．液―液相分離
水と油のように液体同士が分離する現象のことである。互いに混ざり合わない液体をある温度以上の高温条件におくと液体同士が均質に混ざり合った状態になる場合があり、その混合液体を冷却していくと、均質な混合液体が液―液相分離を起こす。相分離開始組成や冷却の仕方に依って、その分離過程（ダイナミクス）は大きく分けて2種類あり、"核形成・成長型"と"スピノーダル分解型"の液―液相分離が存在する。"核形成・成長型"は、量の多い液体中に量の少ない液体の液滴が生成し液滴が成長することで相分離が進行するダイナミクスである。その一方で、"スピノーダル分解型"は、両液体成分の空間的・時間的揺らぎの波が時間経過に伴い増幅することで相分離が進行するダイナミクスである。そのため、特にスピノーダル分解型相分離の進行過程では、両連続的模様と呼ばれる、両液体のネットワーク状の領域が入れ子になったような周期的な波模様が観測される。

注4．脱濡れ
基板の表面を覆う液体薄膜に穴が開きその穴が拡大していく現象を指す。液―液相分離と同様、脱濡れにも"核形成・成長型"と"スピノーダル型"の脱濡れが存在する。核形成・成長型では、液膜に複数の円形の穴が逐次形成し、その穴が拡大していくダイナミクスを示す。その一方で、スピノーダル型は液膜の膜厚の揺らぎの波が増幅し、時間経過とともに無数の穴がほぼ同時に形成するダイナミクスを示す。そのため、スピノーダル脱濡れの進行過程では、周期的な波模様が形成される。