学校の理科の授業で教えられる最も基本的なことの1つは、水が固体氷、液体水、または蒸気ガスのいずれかとして3つの異なる状態で存在できることです。 しかし、国際的な科学者チームは最近、液体の水が実際に2つの異なる州に来る可能性があるという兆候を発見しました。
International Journal of Nanotechnologyに掲載された実験論文に書いて、研究者たちは水の物理的性質の多くが50℃から60℃の間で挙動を変えることに驚いた。 第二の液体状態への潜在的な変化のこの兆候は、科学界での白熱した議論を引き起こす可能性があります。 そして、確認されれば、ナノテクノロジーや生物学を含む幅広い分野に影響を与える可能性があります。
「相」とも呼ばれる物質の状態は、原子と分子から作られたシステムの研究における重要な概念です。 大まかに言って、多くの分子から形成されるシステムは、その総エネルギーに応じて特定の数の構成で配置できます。 温度が高い（したがって、エネルギーが高い）場合、分子はより多くの構成を取り得るため、より乱れ、比較的自由に動きます（気相）。 低温では、分子の構成の数が制限され、より秩序のある相（液体）が形成されます。 温度がさらに下がると、非常に特殊な構成になり、固体が生成されます。
この状況は、二酸化炭素やメタンなどの3つの明確な異なる状態（液体、固体、気体）を持つ比較的単純な分子に共通しています。 しかし、より複雑な分子の場合、可能な構成の数が多くなり、これによりより多くのフェーズが発生します。 これの美しい例は、複雑な有機分子によって形成され、液体のように流れることができるが、まだ固体のような結晶構造を持っている液晶の豊富な挙動です。
物質の相はその分子の構成によって決定されるため、物質の多くの物理的特性は、ある状態から別の状態になるにつれて急激に変化します。 最近の論文では、研究者たちは通常の大気条件（水が液体であったことを意味する）の下で0℃から100℃の温度で水のいくつかの明白な物理的特性を測定しました。 驚くべきことに、彼らは水の表面張力や屈折率（光がどのように通過するかを示す尺度）などの特性に、50℃付近でねじれを発見しました。
どうすればいいの？ 水分子H2Oの構造は非常に興味深いものであり、2つの水素原子が上部の酸素原子に隣接している、一種の矢印の先端のように描くことができます。 分子内の電子はかなり非対称に分布する傾向があり、酸素側が水素側に対して負に帯電します。 この単純な構造的特徴により、水素結合として知られる水分子間の一種の相互作用が生じ、反対の電荷が互いに引き合う。
これにより、多くの場合、他の単純な液体で見られる傾向を打破する水特性が得られます。 たとえば、他のほとんどの物質とは異なり、水の固定質量は、分子が特定の規則的な構造を形成する方法のため、（液体）よりも固体（氷）としてより多くのスペースを占有します。 別の例は、液体水の表面張力です。これは、他の無極性で単純な液体の約2倍です。
水は十分に単純ですが、単純すぎません。 これは、水の見かけ上の余分な相を説明するための1つの可能性が、液晶のように少し振る舞うことであることを意味します。 分子間の水素結合は、低温ではある程度の秩序を保ちますが、最終的には高温で2番目のより秩序の低い液相をとることができます。 これにより、研究者がデータで観察したねじれを説明できます。
確認された場合、著者の調査結果には多くの用途があります。 たとえば、環境（温度など）の変化が物質の物理的特性の変化を引き起こす場合、これは潜在的にセンシングアプリケーションに使用できます。 おそらくもっと基本的には、生物系はほとんど水でできています。 生体分子（タンパク質など）が互いにどのように相互作用するかは、水分子が液相を形成する特定の方法に依存する可能性があります。 異なる温度で平均的に水分子がどのように配列するかを理解することは、生体系における水分子の相互作用の仕組みに光を当てることができます。
この発見は、理論家や実験家にとって刺激的な機会であり、最も身近な物質でさえ秘密が隠されている美しい例です。
この記事はもともとThe Conversationで公開されました。 元の記事を読んでください。
