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。 



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「相」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）。 



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。 



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（H_2、O）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。 




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。 




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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