水/高圧氷の界面に液晶らしき

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

2023年10月12日 10:00 | プレスリリース?研究成果

【本学研究者情报】

〇多元物质科学研究所　助教　新家寛正

【発表のポイント】

高圧氷痴^（注1）と水の界面に水と混ざり合わない未知の水を発见しました。
未知の水の流れやすさの测定に成功しました。
未知の水の生成と不混和流体の相分离のダイナミクスに类似性を発见しました。
未知の水は一时的に液晶^（注2）である可能性を示唆する成果です。

【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痴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）の理论が予测するダイナミクスの特徴と类似していることを発见し、未知の水の生成机构解明へ一歩前进しました。さらに、未知の水の脱濡れ^（注4）の形态に、氷痴の结晶学的异方性を反映した异方性が生じることを発见し、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、长年の谜である水の特异物性を解明するため精力的に研究されている水の构造に対し新たな知见を与えるものです。

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。

図1. 水の相図。図は水や氷I_h、滨滨滨、痴など様々な氷がどの温度?圧力条件で安定に存在するかを示す。白い丸はこれまでの研究で我々が観察を行った条件を示す。赤い星は本研究の観察条件を示す。青く示された领域は水よりも低密度な、我々の生活に身近な氷滨_hの安定领域を示す。緑で示された领域は水よりも高密度な高圧氷の安定领域を示す。

【用语解説】

注1. 高圧氷痴：
私たちが普段目にする氷は氷滨_hと呼ばれ、六角柱状の水分子の并びを基本构造としている。その一方で、水を加圧することで结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结晶构造が异なる。中には0℃以上の温度で结晶化する高圧氷も存在する。本研究で着目した氷痴は高圧氷の一种で単斜晶系という结晶构造に分类される、菱形の柱状の形を基本格子とした结晶である。

注2. 液晶
结晶と液体の中间にある物质の状态で、ガラスとは异なり缓やかな规则性を持っている状态を指す。すなわち、结晶の持つ周期性や物性の异方性と、液体の持つ流动性を併せ持つ物质の状态である。

注3. 液―液相分離
水と油のように液体同士が分离する现象のことである。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质に混ざり合った状态になる场合があり、その混合液体を冷却していくと、均质な混合液体が液―液相分离を起こす。相分离开始组成や冷却の仕方に依って、その分离过程（ダイナミクス）は大きく分けて2种类あり、"核形成?成长型"と"スピノーダル分解型"の液―液相分离が存在する。"核形成?成长型"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长することで相分离が进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、両液体成分の空间的?时间的揺らぎの波が时间経过に伴い増幅することで相分离が进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离の进行过程では、両连続的模様と呼ばれる、両液体のネットワーク状の领域が入れ子になったような周期的な波模様が観测される。

注4. 脱濡れ
基板の表面を覆う液体薄膜に穴が开きその穴が拡大していく现象を指す。液―液相分离と同様、脱濡れにも"核形成?成长型"と"スピノーダル型"の脱濡れが存在する。核形成?成长型では、液膜に复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、时间経过とともに无数の穴がほぼ同时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进行过程では、周期的な波模様が形成される。

详细（プレスリリース本文）