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H2Oの新しい状態が見つかる!ぼくらの水に新発見か!?【水の三態】

2017年01月04日:22:00

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コメント( 50 )

固体・気体……液体が2種類!?HOの新しい状態が見つかる

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最も身近な液体、水。

誰もが理科の授業で習った、水の三態といえば?

そう、固体・液体・気体です。

ところが最近、私たちが習った三態に加えて、実際には水(液体)に2つの異なる状態があるかもしれないことを、国際的な科学者チームが発見しました。


専門家は、50度〜60度の間で水の物質的振る舞いが変わることを発見。50度前後の水の表面張力と屈折率にはねじれがあり、その性質の変化は60度に至るまでみられるようです。

あまりにも身近な水の新発見に、科学界の注目を集めています。
一体どのような発見なのでしょうか?


彼らは、インターナショナルジャーナル・オブ・ナノテクノロジーで発表された実験論文の執筆中、驚くべき発見をしました。水の物理的性質の多くが、50度から60度の間で異なる振る舞いをすることがわかったのです。 (当論文はこちらで全文を購入できます)

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水が第2の液相状態に変化するのではないかという証拠は、科学界に激しい議論を巻き起こすかも知れません。 もしこれが事実だと認められれば、ナノテクノロジーや生物学を含む幅広い分野にとって深い意味をもちます。 

物質の状態は「」とも呼ばれていますが、この「相」は、原子と分子で成り立つ仕組みの研究にとって重要な概念です。 
大ざっぱに言えば、多くの分子で形成されるシステムは、その総エネルギーに応じて一定の数の構造に配列されます。 
高温(つまり、高エネルギー)では、分子は多くの構造をとれるため、分子は乱れ、比較的自由に動き回ることができます(気相)。 
低温では、分子がとる構造の数は限られているため、より秩序だった相を形成します(液体)。 

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さらに温度が下がると、分子は非常に限定的な構造配列になり、固体になります。 
この図式は、二酸化炭素やメタンのような比較的シンプルな分子では一般的で、3つのはっきりと異なる状態(液体、固体、気体)があります。 
しかし、もっと複雑な分子では、非常に多くの構造をとることができるため、多くの相が生じることになります。 

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一般的に水には、液体、固体、気体の3つの相があるとされています。研究者らは、50度から60度の間で水の状態が切り替わり、その状態に応じて新たな性質を示すことを発見しました。

一例として、液晶の豊かな性質が、これを見事に示しています。液晶は、複雑な有機分子でできており、液体のように流動性がありながら、固体のような結晶構造になっています。 
物質の相は、分子がどのような構造をとるかによって決まるため、分子構造がある状態から別の状態に変わると、その物質の物理的性質もがらりと変化します。 
この論文によると、彼らは、通常の大気状態のもと(水が液体として存在している状態で)、0度から100度の間で、いくつかの明らかな水の物理的性質を測定しました。 
すると驚いたことに、50度前後で水の表面張力や屈折率(光が水の中をどのように進むかの尺度)の性質にねじれが認められたのです。 

それでは、これはどのようにして起こるのでしょうか。 
水分子(H2O)は、2つの水素原子が頂点の酸素原子の両側面に配置された、非常に興味深い構造をしており、形は矢印の先端のようになっています。 

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Credit: e-education

水分子のもつ電子は、酸素側が水素側に比べてマイナスに帯電することで、やや非対照的に分布する傾向があります。 
このシンプルな構造特性が、水素結合として知られる水分子間の相互作用のようなものを引き起こし、対立する電荷が互いをひきつけ合います。 
水の性質が、他のシンプルな液体で多く見られる傾向と異なるのは、このためです。
 
例えば、他の多くの物質とは違い、同じ量の水では、固体(氷)のほうが液体よりも体積が増えます。これは、水分子が特定の規則的な構造をとるからです。 
また、水(液体)の表面張力は、シンプルな無極性の液体のおよそ2倍です。 
水はシンプルですが、思っているほどシンプルではないのです。 

これは、1つの可能性として、一見すると余分に思われるこの水の相について、若干液晶のようにふるまうという説明ができる、ということを意味しています。 
分子間の水素結合は、低温では何らかの秩序を保っていますが、高温になると、最終的に秩序に乏しい第2の液体相になります。 


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分子間の水素結合(図)は、低温では何らかの秩序を保っていますが、高温になると、秩序に乏しい第2の液体相になります。

研究者らがデータ上で認めたねじれも、これによって説明できます。 
この発見が認められれば、多くのことに応用できるでしょう。 

例えば、環境の変化(温度など)によって物質の物理的性質が変化するなら、これをセンシング技術に応用できる可能性があります。 

もっと根本的な話をすれば、生体システムの大部分は水でできています。 
生体分子(例えばタンパク質)がどのように相互作用するかは、水分子が液相になるための特定の配列方法によっておそらく決まると考えられます。 
異なる温度で、通常どのように水分子が配列されるかを理解すれば、生体システムの中で水分子がどのように相互作用するのか、その仕組みも明らかにできるでしょう。 

この発見は、理論家や実験学者にとって絶好の機会であり、最も身近な物質ですら、まだ秘密を隠し持っていることの見事な一例なのです。 



[via: dailymail, theconversation]








 
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コメント

1  不思議な名無しさん :2017年01月04日 22:01 ID:QRa.6Wwj0*
人間の体温が42度を超えると死ぬことになんか関係があるのかな?
2  不思議な名無しさん :2017年01月04日 22:09 ID:qlPyFudD0*
一時期流行った野菜の50度洗いってこれ関係あるんかな
3  不思議な名無しさん :2017年01月04日 22:12 ID:YP7q3xKe0*
それを言うなら、水の温度が下がっていくと重くなるはずなのに、あるところから逆に軽くなって水面から凍るのも異なる性質じゃないのか?
4  不思議な名無しさん :2017年01月04日 22:22 ID:LMa3Ivng0*
なるほどよくわからん
5  不思議な名無しさん :2017年01月04日 22:28 ID:VXX.OpFf0*
アイス・ナインというネタは出てこないか
6  不思議な名無しさん :2017年01月04日 22:28 ID:i9cMtTAx0*
もっと簡潔に書けやああああああ
7  不思議な名無しさん :2017年01月04日 22:31 ID:.TmPt3K00*
つまり水素水は存在する……?(理解出来てない
8  不思議な名無しさん :2017年01月04日 22:33 ID:0TilJsxQ0*
回帰水と関係あるのかな〜
9  不思議な名無しさん :2017年01月04日 22:38 ID:dLVEf1Lm0*
>50度〜60度の間で水の物質的振る舞いが変わる
>生体システムの中でどのように相互作用するのか明らかにできる
そうでっか、体温40℃超えで死にそうやのに、ワイには関係ない話や
10  不思議な名無しさん :2017年01月04日 22:39 ID:nwirGHYZ0*
米にアイスナインあって安心した
11  不思議な名無しさん :2017年01月04日 22:42 ID:TKBqUyS80*
あー
そーゆことね
完全に理解した
12  不思議な名無しさん :2017年01月04日 23:02 ID:u5ayqCXd0*
※1
それは脳の神経細胞が熱で変性するからやろ
13  不思議な名無しさん :2017年01月04日 23:10 ID:1YfcRxh10*
お湯と水で注ぐときの音が違うのはこれが関係してる?
14  不思議な名無しさん :2017年01月04日 23:10 ID:tiws.vby0*
H4O関連の話題じゃなくて安心した
15  不思議な名無しさん :2017年01月04日 23:15 ID:990SRTcQ0*
温めてる途中にもやもや見えるのはこれか?天ぷら油ほどではないが粘性も若干変わるような気がする。
16  不思議な名無しさん :2017年01月04日 23:23 ID:AMKD9zP60*
なんだよポリウォーターじゃないのかよw
17  不思議な名無しさん :2017年01月04日 23:29 ID:9SzB882p0*
おいおい飲んでも大丈夫なのかよ
もう飲んじまったぞ
18  不思議な名無しさん :2017年01月04日 23:31 ID:TeQFyg4.0*
まさか熱いのに触れると一瞬冷たく感じるのもこいつが関係してる?
19  不思議な名無しさん :2017年01月04日 23:36 ID:Wepbsvom0*
良かった アイス・ナインが ちゃんとある
20  不思議な名無しさん :2017年01月05日 00:18 ID:.dxVE0qU0*
※1 それはタンパク質が関係してる
21  不思議な名無しさん :2017年01月05日 00:26 ID:YpzLrG.u0*
人間の生活でいうと
寝てる(個体)~しっかり目が覚めた(気体)の間の
起き立てで、まだボーッとしている(記事の内容の辺り)ような状態?
熱振動と水素結合のバランスがかみ合って
(温度上昇中なら)もうちょいで沸騰するぜー
でも今はまだ決めてに欠けてるぜー
な感じ?
コンサートやライブやお笑いの開始時の
なーんか微妙な盛り上がり・・・のような雰囲気。
22  不思議な名無しさん :2017年01月05日 00:42 ID:.NWjpcpa0*
アイス・セカンドの発見はまだですか?
23  不思議な名無しさん :2017年01月05日 00:47 ID:oKT9UNI70*
どれくらい変化するんだろう
ピンポイントでレーザかなにかで加熱したりして何かに応用出来そう
(安定加熱に難があるかな)
24  不思議な名無しさん :2017年01月05日 01:11 ID:4V8S6FoP0*
今年初なるほどよくわからん。
25  不思議な名無しさん :2017年01月05日 02:00 ID:tjTcwwwc0*
プラズマです
26  不思議な名無しさん :2017年01月05日 02:20 ID:LDyuYZEH0*
水分子は本文にもある通り典型的な極性分子であり、その水素結合系性能から多様な形態を取り得ることは以前から分かっていた。
例えば一言で「氷」といっても、その温度と圧力により分子の配列が変化し
、10種類ほどの形態を取りうる。
ここの分子の固相と比べて高い液相でも、水素結合に由来した規則的な構造を取りうるってのは面白い。
液晶ってことは、ある程度配向性が見られるのかな。
27  不思議な名無しさん :2017年01月05日 02:33 ID:LDyuYZEH0*
※27
誤)ここの分子の固相と
正)個々の分子の運動性が固相と
28  不思議な名無しさん :2017年01月05日 02:38 ID:jGJogShT0*
※1
※12
その説まかり通ってるけどガセやぞ。
もちろん42度で編成するタンパク質もあるけどだいたい50度~60度くらいまでは熱さないとまず変性しない。

人間の体内の酵素が最大出力になる温度が大体42度で、
この最高出力で菌やウィルスと戦うのが感染による高熱状態。
それでもどうにもならなかったときに負けて人は死ぬ。
29  不思議な名無しさん :2017年01月05日 02:38 ID:t1iRfp9V0*
「ねじれ」を具体的に説明してないから消化不良に感じるんだね。この記事。
あと、海外の教え方と日本の授業での教え方の手法の違いみたいなのも感じた。
ともあれ、片手落ちの不完全な記事。
30  不思議な名無しさん :2017年01月05日 03:00 ID:6nm1bGRQ0*
この温度で玉露入れたらうまいんだよなぁ
これ以上の温度で煮出すと苦みが強くなるのもこの性質が原因かもな
31  不思議な名無しさん :2017年01月05日 04:45 ID:dAgOixPg0*
水素水には敵わんな
32  不思議な名無しさん :2017年01月05日 05:49 ID:OF9przUV0*
1℃やまた少しの温度の違いでも他と状態は違うと思うけどなあ。目に見えて変わってるのがこの三つだけなだけ説みたいな
33  不思議な名無しさん :2017年01月05日 06:51 ID:PBKGiTdH0*
水が形成するクラスターの事なら結構前から研究されてる気がするけどな。
34  不思議な名無しさん :2017年01月05日 07:43 ID:wXZrSMlH0*
結局具体的なことなにもかいてないじゃん
35  不思議な名無しさん :2017年01月05日 09:02 ID:y5GVN3T20*
おとなのかいだんのーぼるー
36  不思議な名無しさん :2017年01月05日 09:27 ID:NbzVkqwR0*
過冷却とか水にも特殊な相があるのは知られていただろ
37  不思議な名無しさん :2017年01月05日 09:55 ID:Xj.M4wHQ0*
次は50度に温めた水が論文でウンタラカンタラで
科学的に立証された水素水って触れ込みだな
38  不思議な名無しさん :2017年01月05日 10:39 ID:DO2pkd0g0*
でも科学者ってすげーなそんな当たり前な物を調べようともしないだろ普通
39  不思議な名無しさん :2017年01月05日 12:20 ID:1myaQSCz0*
とりあえず三行でおk
40  不思議な名無しさん :2017年01月05日 12:46 ID:3dQD3lkY0*
50~60度以下の水は半分以上が水分子クラスター構造として残っている状態
それを超えるとクラスター構造が全体の半量以下になるので、液体としては軽度の相転移状態になる
結構前から研究対象になってただろ
41  不思議な名無しさん :2017年01月05日 12:57 ID:V.R3vyMO0*
面白い。
料理してると、水をお湯へ温める過程で、急にしゃびしゃびになるというか
元からスルッスルで透明なのに、さらに透明でシュルシュルな液体に変わると言うか
そんな印象を水に対して持っていた。その感覚は正しかったのかも知れん
42  不思議な名無しさん :2017年01月05日 14:49 ID:MRcPZ4o60*
πウォーターである
43  不思議な名無しさん :2017年01月05日 15:02 ID:0gS9VjLY0*
お前らバカだなwww わかんねえのかよwwwww
俺もわかんねえよ(,,゚Д゚)
44  不思議な名無しさん :2017年01月05日 15:06 ID:Ub7FX9cm0*
科学的には常識かつ、かなり古くから数値データとして示されてる事実な訳だが
45  不思議な名無しさん :2017年01月05日 16:43 ID:sEecAOFp0*
じゃボカリスエットとか50℃に温めたら純度が増すの?ベタベタすんの?
46  不思議な名無しさん :2017年01月05日 18:19 ID:nPzNxy2D0*
ぜんぜん分かんないけど、
水っつってもすげーもんなんだなー。
47  不思議な名無しさん :2017年01月05日 22:08 ID:I.1ixCDh0*
※45
ポカリには電解質が多量に入ってて、それらのイオンがクラスター構造をぶっ壊すので温度に関係なく60度以上の水と同じ性質を示すよ
水の凝固点降下と同じ理屈ね
48  不思議な名無しさん :2017年01月08日 01:14 ID:yigEl1hH0*
ジェラルドポラックの「水の第4形態」の方がイメージしやすかったな
49  不思議な名無しさん :2017年01月12日 13:35 ID:bwwGPUxq0*
よくわからなかった!!
50  不思議な名無しさん :2017年01月14日 04:59 ID:VaWMlUpc0*
コメ欄でやっと理解した

1と2の間の1.5のようなものが水にもあるということでおk?

 
 
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