TOKYO UNIVERSITY OF SCIENCE 1-3 KAGURAZAKA, SHINJUKU-KU, TOKYO , JAPAN Phone: 報道関係各位 2018 年 4 月 24 日擬 2 次元空間に閉じ込められた水に二つの新たな状

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れいがあきくぼ
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TOKYO UNIVERSITY OF SCIENCE 1-3 KAGURAZAKA, SHINJUKU-KU, TOKYO 162-8601, JAPAN Phone: +81-3-5228-8107 報道関係各位 2018 年 4 月 24 日擬 2 次元空間に閉じ込められた水に二つの新たな状態を発見東京理科大学研究の要旨東京理科大学理工学部の金子敏宏助教 ( 研究当時 ),

本研究成果は米国科学雑誌 Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America に 2018 年 4 月 23 日付け ( 米国時間 ) でオンライン掲載されました発表者金子敏宏 ( 東京理科大学理工学部機械工学科助教 ( 研究当時 )) Jaeil Bai (Research

1 TOKYO UNIVERSITY OF SCIENCE 1-3 KAGURAZAKA, SHINJUKU-KU, TOKYO , JAPAN Phone: 報道関係各位 2018 年 4 月 24 日擬 2 次元空間に閉じ込められた水に二つの新たな状態を発見東京理科大学研究の要旨東京理科大学理工学部の金子敏宏助教 ( 研究当時 ), 秋元琢磨准教授と慶應義塾大学理工学部の泰岡顕治教授は, ネブラスカ大学リンカーン校化学科の Jaeil Bai 研究助教,Joseph S. Francisco 教授, Xiao Cheng Zeng 教授と共同で, 擬 2 次元空間に閉じ込められた水に高密度液体と低密度液体の二つの状態が存在することを発見しました. 本研究成果は米国科学雑誌 Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America に 2018 年 4 月 23 日付け ( 米国時間 ) でオンライン掲載されました発表者金子敏宏 ( 東京理科大学理工学部機械工学科助教 ( 研究当時 )) Jaeil Bai (Research Assistant Professor, Department of Chemistry, University of Nebraska Lincoln) 秋元琢磨 ( 東京理科大学理工学部物理学科准教授 ) Joseph S. Francisco (Elmer H. and Ruby M. Cordes Chair in Chemistry & Dean of the College of Arts and Sciences, Department of Chemistry, University of Nebraska Lincoln) 泰岡顕治 ( 慶應義塾大学理工学部機械工学科教授 ) Xiao Cheng Zeng (Chancellor s University & Willa Cather Professor, Department of Chemistry, University of Nebraska Lincoln) 研究の背景常温常圧の水をゆっくりと冷やしていくと, 水分子が綺麗に整列した結晶 ( 氷 ) になります. しかし, 急激に冷やすと, 状況は一変し, 過冷却水と呼ばれる特殊な水になります. 過冷却水には, 通常の水よりも液体のようにふるまう高密度液体と, ドロドロで氷に近い性質をもった低密度液体の 2 種類が存在すると言われています. 低密度液体や高密度液体は, 常温常圧の水とも超臨界水 ( 1) とも異なる性質をもつと予想されていますが, 氷の結晶ができないように氷点下に冷却するという極めて困難なプロセスでしか作成できないため, ごく短時間しか存在することができません. そのため, 低密度液体や高密度液体は no

2 man s land の水と言われており, その性質は未だ解明されていません. これに対してカーボンナノチューブや多孔質シリカのようなナノ細孔に水を閉じ込めることで, 氷の結晶が生成しにくい条件をつくりだして, 低密度液体や高密度液体を安定的に存在させることが期待されていますが, 任意の形状のナノ細孔を作成することが実験的に困難なため, 未だその全容は明らかになっていません. 研究成果の概要水分子 2 層に相当する幅の平行平板間に剛体水分子モデル ( 2) を配置し, ナノ細孔をモデル化した擬 2 次元空間を作成し, 分子動力学シミュレーション ( 3) により広範囲の温度圧力条件で, 水分子がどのような状態になっているか研究しました. シミュレーションにより図 1 のような相図 ( 4) が明らかになりました. 通常の水でも見られる気体と液体に加えて, 擬 2 次元空間に特有な状態として,2 層アモルファス ( 5) 固体,2 層低密度アモルファス固体, 低密度液体, 高密度液体が存在することを明らかにしました.2 層アモルファス固体は擬 2 次元空間に特有の状態であり, 液体との共存線に極大値 ( 図 1 のの位置 ) が存在するという, 通常の氷にはない性質を発見しました. この極大値の存在によって, 図 1 のの位置よりも低圧状態で低密度液体が, 高圧状態で高密度液体が安定して出現しています. なお,2 層アモルファス固体に類似した結晶が存在することがすでに実験でも確かめられており, シミュレーション結果の正しさを裏付けています. さらに, 高密度液体と低密度液体は図 2 に示すような定性的な違いに加えて, 定量的にも違いをもった液体であることを示しました. まず, 高密度液体相は低密度液体相の 1.2 倍程度の密度をもちます. つぎに, 低密度液体を冷却することで 2 層低密度アモルファス固体になりますが, 高密度液体ではそのようなことがおこりません. 最後に, 低密度液体は高密度液体に比べて, 酸素原子位置の空間相関が長距離におよび, より氷に近い特徴をもった液体と言えます. 以上のように, 水分子 2 層に相当する平行平板間に閉じ込められた水の相図を完成させ, 高密度液体と低密度液体が相図上で明白に分かれていることを発見しました.

3 図 1: 擬 2 次元空間に閉じ込められた水の相図. それぞれの状態が存在できる範囲を点線で示しています. 赤色の印は 2 層アモルファス固体と液体の共存線の極大値であり, 擬 2 次元空間に特有な性質です.

4 図 2: 低密度液体と高密度液体の全原子座標. 上レイヤーの酸素原子を緑色で, 下レイヤーの酸素原子を赤色で, 水素原子を灰色で示しています. 低密度液体は上レイヤーの酸素原子 ( 緑色 ) と下レイヤーの酸素原子 ( 赤色 ) がずれていますが, 高密度液体では酸素原子同士が重なっています. また, 上レイヤー ( 下レイヤー ) のみに注目すると低密度液体と高密度液体の密度に差があることがはっきり分かります.

5 今後の展望近年, 実験技術の進歩によって, カーボンナノチューブ内部の氷や, 分子数層の擬二次元氷など, 分子シミュレーションで予想された構造が, 実験的にも確認されてきています. 今後, ナノ細孔中の水が高密度相と低密度相の両方をとることが実験により確認される可能性があり, 過冷却液体の物理に新たな進展をもたらすと期待されます. 低密度液体と高密度液体の水は常温常圧の水や超臨界水などと異なる性質をもっています. 両者を安定的に存在させることで, 溶媒としての利用や化学反応の場にするなど, 過冷却水を利用した新しい技術が展開される可能性があります. 発表雑誌雑誌名 : Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 論文タイトル : Phase behaviors of deeply supercooled bilayer water unseen in bulk water 著者 : Toshihiro Kaneko, Jaeil Bai, Takuma Akimoto, Joseph S. Francisco, Kenji Yasuoka and Xiao Cheng Zeng DOI: /pnas 用語説明 1 超臨界水 : 温度 374 以上, 圧力 22.1 MPa 以上の高温高圧状態の水. 水蒸気とも通常の液体の水とも異なる性質を持っています. 溶媒として利用したり, 化学反応の場として利用したり, 超臨界水の特異性を生かした技術が実用化されています. 2 剛体水分子モデル : 分子内自由度を持たず, 分子間相互作用をする複数のサイトからなる剛体でモデル化された水分子. 分子動力学シミュレーション ( 3) で広く使われているモデルです. 3 分子動力学シミュレーション : 粒子の動きをコンピュータ上で模擬する手法. 粒子系について古典力学におけるニュートンの運動方程式を数値的に解くことで, 時々刻々の全ての粒子の位置と速度を逐次的に知ることができます. 4 相図 : 物質の状態 ( 例えば, 固体, 気体, 液体など ) と熱力学的な状態量 ( 温度. 圧力など ) の関係をまとめた図. 状態図ともいわれています. 5 アモルファス : 結晶の特徴である長距離秩序をもたない固体のこと. 非晶質固体ともいわれています.

Microsoft Word - プレス原稿_0528【最終版】

Microsoft Word - プレス原稿_0528【最終版】報道関係各位 2014 年 5 月 28 日二酸化チタン表面における陽電子消滅誘起イオン脱離の観測に成功 ~ 陽電子を用いた固体最表面の改質に道 ~ 東京理科大学研究戦略産学連携センター立教大学リサーチイニシアティブセンター本研究成果のポイント二酸化チタン表面での陽電子の対消滅に伴って脱離する酸素正イオンの観測に成功陽電子を用いた固体最表面の改質に道を拓いた本研究は東京理科大学理学部第二部物理学科長嶋泰之教授

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