科学者が水の新しい物質状態を発見

学校の科学の授業で教わる最も基本的なことの1つは、水は固体の氷、液体の水、または蒸気気体の3つの状態で存在することができるということです。

『International Journal of Nanotechnology』に掲載された実験論文によると、研究者は、水の物理的性質の多くが、50℃から60℃の間で挙動が変化することに驚きました。 第二の液体状態への変化の可能性を示すこの兆候は、科学界で熱い議論を巻き起こす可能性があります。

「相」とも呼ばれる物質の状態は、原子や分子からなるシステムの研究において重要な概念です。

「相」とも呼ばれる物質の状態は、原子や分子からなる系の研究において重要な概念です。大まかに言えば、多くの分子からなる系は、その総エネルギーに依存して、ある数の配置になることが可能です。 温度が高いほど（つまりエネルギーが高いほど）、分子はより多くの配置が可能であるため、より無秩序で比較的自由に動き回ることができる（気相）。 一方、温度が低いと、分子はより限られた数の配列しか持たないので、より秩序だった相を形成する（液体）。

この図は、二酸化炭素やメタンなどの比較的単純な分子によく見られるもので、3 つの明確で異なる状態 (液体、固体、気体) を持ちます。 しかし、より複雑な分子では、可能な配置の数がより多くなり、より多くの相を生み出すことになる。

物質の相は、その分子がどのように構成されているかによって決まるため、その物質の多くの物理的特性は、ある状態から別の状態に移行するときに急激に変化します。 このたびの論文では、通常の大気条件下（水が液体であることを意味します）で、0℃から100℃の温度における水の物理的特性をいくつか測定しました。

特殊な構造

なぜこのようになるのでしょうか。 水の分子であるH₂Oの構造は非常に興味深く、2つの水素原子が上部の酸素原子を挟む、一種の矢じりのように描くことができます。 分子内の電子は非対称に分布する傾向があり、酸素側が水素側に対して負に帯電している。

このような単純な構造上の特徴から、水分子間には水素結合と呼ばれる一種の相互作用が生じ、反対の電荷が互いに引き合うことになる。

これにより、水は、他の単純な液体で観察される傾向を打ち破るような特性を多くの場合備えています。たとえば、他のほとんどの物質と異なり、一定の質量の水は、分子が特定の規則的な構造を形成するため、液体よりも固体（氷）の方が場所をとります。

水は十分に単純ですが、単純すぎるわけではありません。

水は単純だが、単純すぎるということはない。つまり、水が明らかに余分な相を持つことを説明する一つの可能性は、それが液晶のように少し振る舞うことだ。 分子間の水素結合により、低温ではある程度の秩序が保たれていますが、高温では最終的に、秩序のない第2の液体相になる可能性があります。

このことが確認されれば、研究者たちの発見は多くの応用が期待できます。 例えば、環境（温度など）の変化が物質の物理的性質の変化を引き起こすのであれば、それをセンシングの用途に利用できる可能性があります。 もっと根本的なことを言えば、生体系はそのほとんどが水でできている。 タンパク質などの生体分子がどのように相互作用するかは、水分子がどのように配列して液相を形成するかに依存していると思われる。

この発見は、理論家と実験家にとってエキサイティングな機会であり、最も身近な物質でさえもまだ秘密が隠されていることの美しい例です。 Twitterで@US_conversationをフォローする

この記事はThe Conversationに掲載されたものです。