液体中の水分子の動きやすさは何が決めているか

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2018/09/05 東京大学

○発表者
田中 肇(東京大学 生産技術研究所 教授)

○発表のポイント
◆水は、4℃で密度の最大を示すなど様々な熱力学的異常性のみならず、ダイナミクス(動的な性質)も大きな異常性を示すことが知られていたが、その物理的な起源を共通の機構により分子レベルで解明することに成功した。
◆水の動的異常性は、これまで特異なガラス転移現象として説明されてきた。今回の研究は、この従来の通説を覆し、水の動的異常性はガラス転移と無関係であり、液体の正四面体構造形成に起因していることを突き止めた点に新奇性がある。
◆この発見は、長年の未解明問題であった水の動的異常性の起源に迫っただけでなく、シリカや金属ガラスにおけるガラス転移点のはるかに高温で見られる特異な運動性の低下現象も、同じ物理的機構で普遍的に説明できる可能性があり、波及効果は大きいと期待される。

○発表概要
東京大学 生産技術研究所の田中 肇 教授、シールイ 特任研究員、ルッソ ジョン 特任助教(研究当時、現ブリストル大学講師)の研究グループは、水のダイナミクスが、有機液体のガラス転移点よりはるかに高温の状態において、どうしてガラス転移点近傍で見られるような急激な減速を示すのかという長年の謎に迫り、その起源が、実はガラス転移とは無関係であり、エネルギー的により安定な正四面体構造がより多く形成されることに起因していることを明らかにした。この発見は、ガラス転移に基づく動的異常性に関する従来の定説を覆しただけでなく、水の熱力学的異常と動的異常が、正四面体構造形成という共通の起源に基づくこと明らかにした点にも、大きなインパクトがある。本研究成果は、我々人類にとって最も重要な液体である水だけでなく、正四面体構造を形成する傾向のある他の液体の特異的な性質の理解に大きく貢献するものと期待される。

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