固体表面上の氷の形成を操る“水”の構造の秘密を解明~氷の形成は基板表面付近の水の秩序構造で決まる~

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2025-06-05 東京大学

東京大学生産技術研究所の田中肇名誉教授らの研究チームは、氷が固体表面上で形成される際のメカニズムを解明しました。従来、氷の核形成は表面の親水性や結晶格子の整合性に依存すると考えられていましたが、本研究では、表面近傍の水分子の秩序構造が重要であることを示しました。分子動力学シミュレーションにより、液体水が表面付近で2層の秩序ある構造を形成し、それが氷の成長を促す「階層的結晶化メカニズム」を明らかにしました。特に、親水性が中程度の表面で氷の形成が最も促進されることが分かりました。この成果は、気候モデルの精度向上や防氷コーティング、凍結保存技術などへの応用が期待されます。研究結果は2025年6月4日付で『Journal of Colloid and Interface Science』誌に掲載されました。

固体表面上の氷の形成を操る“水”の構造の秘密を解明~氷の形成は基板表面付近の水の秩序構造で決まる~
図1: T = 210 K における界面液体の層構造および次元性。
(a) 固体表面近傍における液体水の層構造。氷核生成前、 T = 210 K における液体水の密度分布(相互作用(親水性)強度 ε = 0.01、0.02、0.03、0.04、0.05 eV)。挿入図:基板と接する液体水の層構造の程度 L は、 ε の増加に伴って増加します。(b) 接触層に存在する水分子と、破線で結ばれた2つの隣接分子によって形成される角度 θ の分布(挿入図を参照)。緑と青の破線は、それぞれ主なピーク位置 θ ₀ = 109.5° および θ ₁ = 90° を示します。

<関連情報>

氷の形成における表面近傍の水の構造が果たす秘密の役割 The secret role of water’s structure near surfaces in ice formation

Gang Sun, Hajime Tanaka
Journal of Colloid and Interface Science  Available online: 12 May 2025
DOI:https://doi.org/10.1016/j.jcis.2025.137812

Highlights

  • Most ice forms on surfaces, as pure water needs deep supercooling.
  • We use simulations to study ice formation on a simple cubic surface.
  • Ice nucleation depends on water’s structure, not ice’s surface affinity.
  • Ordering in two surface water layers plays a key role in triggering ice nucleation.
  • Understanding this can help control ice in nature and technology.

Abstract

Hypothesis

Most ice on Earth forms via heterogeneous nucleation, as homogeneous nucleation requires significant supercooling. Despite its prevalence, the microscopic mechanisms behind this process remain unclear. We hypothesize that ice nucleation is primarily driven by low-dimensional structural preordering in interfacial liquid layers, rather than by the surface’s direct affinity for bulk ice.

Simulations

To test this hypothesis, we perform molecular dynamics simulations of ice nucleation on a simple cubic substrate with tunable hydrophilicity. We analyze layering, hydrogen-bond distortions, orientational order, and substrate-ice lattice matching to uncover the physical mechanisms that control nucleation pathways.

Findings

Bilayer hexagonal ice forms on all substrates, but the nucleation pathway depends sensitively on surface hydrophilicity. At low hydrophilicity, bylayer ice nucleates directly from interfacial water. As hydrophilicity increases, enhanced planarity and density promote sequential nucleation, with two-dimensional ice forming first in the contact layer, then in the second layer. Excessive hydrophilicity hinders this process by suppressing 2D ordering in the contact layer, reversing the nucleation sequence. Consequently, the nucleation rate is maximized at intermediate hydrophilicity. Furthermore, we find that crystalline preordering in the contact layer is strongest when the substrate lattice closely matches that of ice, minimizing the free energy barrier for nucleation. These results highlight how surface-induced liquid ordering — rather than simple templating — controls ice formation. This mechanism likely extends to tetrahedral liquids such as silicon, germanium, carbon, and silica, underscoring the universal role of interfacial liquid structuring in surface-assisted crystallization across natural and technological systems.

1701物理及び化学
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