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氷点下でも凍らない水の謎、しくみ解明に前進......分子が「プレッツェルのような形」

2022年9月29日（木）18時30分
青葉やまと

＜水が氷点下でも凍らない「過冷却」。分子が込み入った配列に並ぶため、氷に変化するスペースがないのだという＞

水は、氷点下まで冷やしても凍らないことがある。この不思議な状態の水には、さらに不思議なことに、通常の水とは分子の並びが異なるようだ。イギリスとイタリアの共同研究チームが、コンピューターシミュレーションによって分子の状態を解明した。

通常、水を氷点以下まで冷やすと、凝固がはじまって氷となる。ところが、至極ゆっくりと冷却してゆくと、氷点以下に突入しても液体の状態を維持することができる。過冷却とよばれる現象であり、-20度前後までは比較的簡単に液体を維持できる。過去に行われた特殊な条件下の実験では、-263度で液体を保持することにごく短時間成功した例もある。

過冷却水は半ば不安定な状態にあり、なにか物体を投入したり容器を振ったりするなど、衝撃を与えると瞬く間に凍結がはじまる。その不思議な特性から、科学実験でもしばしば取り上げられる現象だ。自然界でも過冷却は存在しており、たとえば高い高度の雲が凍結せず小さな水滴の状態を維持しているのも、過冷却の現象の一種だ。

このとき、過冷却になった水は、見た目には常温の水と同じだ。しかし、ミクロの世界ではまったく違った状態になっているのだという。

分子の配列がプレッツェル状や鎖状に

水の分子は、酸素原子1つと水素原子2つからできている。酸素原子の球を中心として、まるで耳のような位置に水素原子2つがついたモデル図をみたことがある人も多いだろう。

英バーミンガム大学と伊ローマ・ラ・サピエンツァ大学の研究者たちは、過冷却の状態でこの分子同士がどのように並んで水を構成しているかを検証した。過冷却を維持しながら分子を観察することは困難であるため、コンピュータ上のシミュレーションを利用したという。

バーミンガム大が発表した資料によると、通常の水に関するシミュレーションでは、分子が環状に並んだ状態が確認されたという。研究チームは、比較的単純な状態であり、密度の低い状態だと説明している。

一方、過冷却となった水は、これよりはるかに複雑な構造へ変化するようだ。分子同士がより「絡み合う」ことで、「高密度の液体」になるという。常温で円環に近い形状に配置されていた分子は、プレッツェル状や鎖の結び目のような「トポロジー（位相幾何学）的に複雑な形状」へと変化し、より高い密度で集合する。

「液液相転移」をシミュレーションで実証

このユニークな構造は、氷点下でも液体の状態を保つ過冷却に関与しているようだ。科学ニュースサイトの「ZMEサイエンス）」は、「研究チームによると、高圧低温下でH2O分子は、自然と結び目をつくるような予想外の形状となる。この変化により、通常は結晶化し氷になるような条件下でも、液体を保つことができる」と説明している。

科学ニュースサイト「サイエンス・アラート」はより踏み込み、「結晶化した状態（氷）へと移行するための空きスペースに余裕がないため、分子は別の最適な配置を探す必要があるのだ」と解説している。

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