発表日:2020年1月31日
液体の水の中には2種類の構造が存在する
～水の特異性をめぐる長年の議論に決着～
1.発表者:
田中 肇（東京大学 生産技術研究所 教授）
2.発表のポイント:
◆水のさまざまな異常性の起源については、1世紀以上にわたり長年論争が続いてきた。その理由は、液体の水の構造に関する深い理解の欠如にあった。今回、水の構造に関するシミュレーションと実際の水のX線散乱実験データの解析により、液体の水の中に2種類の構造が存在する直接的かつ決定的な証拠を見出した。
◆「水には、乱雑な構造と規則的な構造が共存している」という二状態モデルに直接的な証拠を与え、水の構造、さらには水の特異性の構造的起源をめぐる長年の議論に決着をつけた点に新規性がある。
◆この発見は、純粋な水のみならず、電解質溶液、生体内の水などのさまざまな系の水構造の理解に資すると考えられ、水の物理・化学的理解のみならず、化学、生物学、地質学、気象学、さらには応用も含め、水に関連した分野に大きな波及効果があると期待される。
3.発表概要:
水は私たちの惑星で最も重要な液体であり、さまざまな化学的、生物学的、地質学的、気象学的プロセスで重要な役割を果たしている。水は4℃で密度が最大になるなど、他の液体にはない様々な特異な性質を示すことが知られている。その起源として、液体の構造の特殊性が考えられるが、何世紀にもわたる研究にもかかわらず、液体の水を理解する上で基礎となる構造については、液体特有の大きな熱揺らぎ（注1）のため不明のままであり、深刻な論争の種であり続けた。具体的には、レントゲン（1892）の時代から1世紀以上にわたって、構造が幅広い連続的な分布を持つという「連続体モデル」（ポープル（ノーベル化学賞受賞）らが提唱）と構造が2つの成分からなると考える「混合モデル」（レントゲン（ノーベル物理学賞受賞）、ポーリング（ノーベル化学賞受賞）らが提唱）という2つの考え方の間で論争が続いてきた。その原因は、これまで、水の中に2種類の構造が存在するという直接的かつ決定的な証拠がなかったことにある。
東京大学 生産技術研究所の田中 肇 教授、シー・ルイ 特任研究員の研究グループは、一般的な水モデルのシミュレーションと最新のX線散乱実験データの詳細な解析により、水の構造因子（注2）には、見かけ上の「一つ目の回折ピーク」の中に、2つのピークが隠れていることを発見した（図1参照）。隠れたピークの1つは、水の中に形成される正四面体構造に関連したピークであり、もう1つのピークは、より乱れた構造から生じていることが明らかとなった。この結果は、水に2種類の構造が存在することを強く支持する結果であり、長年にわたる論争に終止符が打たれるものと期待される。
本成果は2020年1月30日（米国東部時間）に「Journal of the American ChemicalSociety(JACS)」のオンライン速報版で公開された。
※以下は添付リリースを参照
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添付リリース
