水の表面張力の「異常」の正体を解明 ―界面で競合する水素結合秩序が引き起こす新しい物理機構―

2026-02-20 東京大学

東京大学先端科学技術研究センターの研究グループは、水の表面張力が低温で一度増加が鈍化し、その後過冷却領域で再び急増する「再入的挙動」の微視的起源を解明した。大規模分子動力学シミュレーションにより、界面近傍の水分子が、歪んだ非正四面体構造(ρ状態)と正四面体型水素結合を保つS状態の二状態で競合し、界面応力の異方性を制御することを示した。中間温度域では寄与が飽和し増加が鈍るが、深い過冷却ではS状態が配向秩序を獲得して応力異方性を強め、表面張力が再増大する。氷核前駆構造Ice 0との関連も示され、界面水の統一的理解を提示した。成果はNature Communicationsに掲載。

水の表面張力の「異常」の正体を解明 ―界面で競合する水素結合秩序が引き起こす新しい物理機構―
水の正四面体構造(S状態)

<関連情報>

競合する水素結合秩序が水の異常な表面張力を生み出す Competing hydrogen-bond orders drive water’s anomalous surface tension

Jiaxing Yuan,Kun Qiu,Gang Sun & Hajime Tanaka
Nature Communications  Published:20 February 2026
DOI:https://doi.org/10.1038/s41467-026-69356-6

Abstract

Water’s surface tension shows a nonlinear temperature dependence, including a reentrant increase in the supercooled regime — a longstanding puzzle in physical chemistry. Using molecular dynamics simulations, we uncover a structural mechanism linking microscopic ordering to macroscopic interfacial behaviour. Surface tension arises from the interplay between ρ-states, characterised by O–H alignment under surface symmetry breaking, and tetrahedral S-states stabilised in the subsurface by negative pressure. Water’s surface tension γ is governed by the interplay of their anisotropies: at intermediate temperatures, ρ-state anisotropy saturates while S-states remain weakly anisotropic, slowing the growth of γ. Upon deeper supercooling, however, S-states acquire orientational order, amplifying anisotropy and producing the reentrant rise. This unified framework explains both inflection points of γ(T) and establishes a structural–mechanical link between local hydrogen-bond motifs and interfacial stress, with implications for nucleation, cryopreservation, and ferroelectric-like ordering, and extending beyond water to other network-forming liquids.

1701物理及び化学
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