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液体状の水に、異なる状態パターンを発見

液体、気体、個体。素粒子レベルで結びついたH2Oは、その温度によって構成を変えます。しかしその内容や性質は何も変わっていません。ただ並びが変わっただけです。液体の並び、気体の並び、個体の並び。それは1種類ずつしかない、だったはずですが・・・。

Using x-ray lasers, researchers at Stockholm University have been able to follow the transformation between two distinct different liquid states of water, both being made of H2O molecules. At around -63 Centigrade the two liquids exist at different pressure regimes with a density difference of 20%. By rapidly varying the pressure before the sample could freeze, it was possible to observe one liquid changing into the other in real time. Their findings are published in the journal Science.

参照元：https://www.su.se/english/news/two-liquids-of-water-exist-1.528339
– ストックホルム大学 Stockholm University –
– November 24, 2020 –

X線レーザーを使用して、ストックホルム大学の研究者は、両方ともH2O分子でできている2つの異なる液体状態の水の間の変換を追跡することができました。

摂氏-63度付近では、2つの液体は、密度差が20％の異なる圧力レジームで存在します。

サンプルが凍結する前に圧力を急速に変化させることにより、一方の液体がもう一方の液体に変化するのをリアルタイムで観察することができました。

地球上の生命に一般的で必要な水は、他の物質と比較して非常に奇妙な振る舞いをします。

密度、比熱、粘度、圧縮率などの水の特性が圧力や温度の変化にどのように反応するかは、私たちが知っている他の液体とは完全に反対です。

その結果、水はしばしば「異常」と呼ばれます。

水が「通常の液体」として振る舞うとしたら、海洋生物は発達しなかったので、私たちは存在しなかったでしょう。

しかし、それはまだ未解決の質問です。これらの異常の原因は何ですか？

水の奇妙な性質については多くの説明があり、そのうちの1つは、水が異なる圧力と低温で2つの異なる液体として存在する能力を持っていることを提案しています。

2つの液体をガラスの中に保つことができれば、水と油のように、それらは間に明確な境界面を持って分離します。

私たちの周囲条件での通常の水は1つの液体であり、ガラスに界面は見られませんが、分子レベルでは、2つの液体と同じ密度の小さな局所領域を作成して変動し、水の奇妙な動作を引き起こします。

課題は、氷がほぼ瞬時に形成されるため、2つの液体が共存する温度では実験が不可能であるということでした。

ストックホルム大学の化学物理学教授であるアンダースニルソンは話します。

「特別だったのは、水が凍る前に想像を絶する速さでX線撮影ができ、一方の液体がもう一方の液体にどのように変化するかを観察できたことです。何十年もの間、これらの異常な特性と、水が冷えると強くなる理由を説明するための推測やさまざまな理論がありました。今では、2つの液体状態が現実であり、水の奇妙さを説明できることがわかりました。」

ストックホルム大学の化学物理学の主任研究員であるカトリン・アマン・ウィンケル氏は話します。

「実際にそれらが実際の液体を表しており、それらの間の変化が見られるのを見るのは夢の実現です。」

ストックホルム大学の化学物理学研究者であるHarshadPathak氏は話します。

「私たちは、このような低温条件下で凍結することなく水の測定を行うために数年間懸命に努力しました。「世界中で、水を小さな区画に入れたり、他の化合物と混合したりして2つの液体を探す試みが数多く行われていますが、ここでは単純な純水として追跡できます。」

ストックホルム大学の化学物理学の助教授であるFivosPerakis氏は話します。

「変動としての2つの液体状態は、生細胞の生物学的プロセスにとって重要な要素になるのではないかと思います。新しい結果は、生物科学における水についても多くの新しい研究の方向性を開くことができます。」

ストックホルム大学のポスドクであるMarjorie LaddParada氏は話します。

「おそらく、液体の形態の1つは、水を脱塩するために使用される膜内の小さな細孔内の水でより顕著です。きれいな水へのアクセスは、気候変動の主要な課題の1つになると思います。」

AndersNilsson氏は説明します。

「WolfgangRöntgenの初期の研究以来、1世紀以上の間、水の奇妙な性質の起源について激しい議論がありました。水の物理学を研究している研究者は、水が過冷却状態で2つの液体として存在できるというモデルに落ち着くことができます。次の段階は、2つの液体が交差して1つの液体になるときに臨界点があるかどうかを見つけることです。圧力と温度が変化します。今後数年間の大きな課題です。」

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