2024-09-12 東北大学
多元物質科学研究所 助教 新家寛正
【発表のポイント】
- 氷と水の界面に生成する両者と混ざらない同素不混和水（注1）の厚さが、液/固間の相転移を駆動する圧縮圧力である過加圧（注2）の大きさに比例することを発見しました。
- 過加圧の大きさに応じて同素不混和水は液膜状と目玉焼き状の形態をとり、それぞれ異なる過程を経て水へと変化することを発見しました。
- 同素不混和水の熱力学的安定性に知見を与え、水から氷への形成過程解明につながる成果です。
【概要】
水は、人類を含むすべての生物の生命活動にとって最も重要であり、氷への相転移を介し氷河形成など様々な自然現象に大きな影響を与える液体です。
東北大学多元物質科学研究所の新家寛正助教と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、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、圧力印加により成長・融解する氷と水の界面に、水と混ざり合わない未知の水である同素不混和水が現れることを発見しています（文末の過去のプレスリリース参照）。しかし、その系統的な調査は行われていません。今回、その動力学の過加圧依存性を調査したところ、過加圧の大きさに応じ、(i) 液滴状の同素不混和水が収縮した後に液膜状のものが収縮し消滅する2段階の過程と(ii) 液膜状のものが収縮し消滅する1段階の過程があることを発見しました。さらに、その厚みは過加圧に比例し、相転移駆動力（注3）に対しある決まった応答を示すことを発見しました。本成果は、水/氷間の相転移過程解明や水が関わる広範な科学領域に貢献します。
本成果は9月9日（米国太平洋標準時間）付、国際科学誌The Journal of Physical Chemistry C の特集号に招待論文としてオンライン掲載されました。
図1. 2.3 GPaの過加圧を印加した後の水と氷の界面における同素不混和水のダイナミクスを捉えた明視野顕微鏡・レーザー干渉顕微鏡その場観察像と観察されたダイナミクスの模式図。A：過加圧印加により融解し収縮する氷単結晶ベーサル面の明視野顕微鏡その場観察像。B：対応するレーザー干渉顕微鏡像。C：(i)-(x) 図Bに示したレーザー干渉顕微鏡像の時間フレーム間の差分像。同素不混和水の生成によって生じた円環状の干渉縞が強調されている。(i)’-(x)’ (i)-(x)の顕微鏡像に対し、氷単結晶、液膜状同素不混和水および液滴状同素不混和水の位置を示した画像。青と白の実線で示された領域はそれぞれ氷単結晶と液膜状同素不混和水の領域を示しており、白の破線で示された紫のグラデーションを伴う領域は液滴状同素不混和水の領域を示している。D：観察された同素不混和水のダイナミクスを示す模式図。青と紫の円板は単結晶と液膜状同素不混和水をそれぞれ示しており、紫の半球は液滴状同素不混和水を示している。紫の矢印は時間経過を示している。
【用語解説】
注1. 同素不混和水
本研究グループがこれまでの研究で発見した、圧力を駆動力として成長もしくは融解する氷と水の界面において水から分離して生成する未知の水の総称。科学用語の”同素体”と”液体不混和”を基にした名称である。同素体とは、グラファイトとダイヤモンドのように、同じ原子で構成されていながらも、原子の並び方の違いによって異なる性質を示す物質群を指す用語である。一方で、液体不混和とは、水と油のように液体同士が混ざり合わない現象を指す用語である。液体不混和は異なる元素で構成される液体同士で一般的に見られるが、水と未知の水は同じ水であるため、同素体の液体不混和とみなすことができる。そのため、本研究グループは未知の水を同素不混和水と命名した。これまでに、私たちの生活に身近な氷である氷Ihと水の界面だけでなく、氷Ihとは結晶構造が異なる、高圧環境下で安定な高圧氷である氷III、氷V、氷VIと水の界面でも同素不混和水が生成することが明らかになっている。
注2. 過加圧
一般的に、液体が固体へ相転移する圧力は物質ごとに決まっており、この相転移圧力に到達するまで液体を圧縮することで、固体へと相転移させることができる。この相転移の過程では、液体の一部が固化し、固化した固体が断続的な圧縮によって液体中で成長していき、やがて液体が固体に置換わることで相転移が完了する。この時の、固体の成長（もしくはその逆である融解）を促す熱力学的駆動力に変換される仕事としての圧縮を、ここでは過加圧と呼んでいる。
注3. 相転移駆動力
物質の相転移を駆動するエネルギーを指す。本研究では、圧力印加によって生じる系のエネルギー変化を熱力学的駆動力として、氷は水へと融解している。圧力印加の他、温度上昇によっても氷を水へと融解させることができ、これは、温度上昇によって生じる系のエネルギー変化を熱力学的駆動力として相転移を駆動する例である。
問い合わせ先
（研究に関すること）
東北大学 多元物質科学研究所 光機能材料化学研究分野
助教 新家 寛正 （にいのみ ひろまさ）
（報道に関すること）
東北大学多元物質科学研究所 広報情報室
