「液体の水」のなかには2種類の構造が存在する

液体の水からのＸ線(青い波矢印)散乱のイメージ図。左下の丸の中は、シミュレーションで得られた水の構造(青が正四面体的構造、赤が乱れた構造を示す)で、右上の図はその構造からのＸ線散乱の構造因子(青いピークは正四面体的構造からの散乱、赤いピークは乱れた構造からの散乱)

　東京大学生産技術研究所は1月31日、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発見したことを発表した。

　水は、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が、通常の物質は液体時より固体時のほうが重くなるのに対し、水は液体時の4℃で密度が最大になる(そのため氷が水に浮く)など、ほかの液体にはない特異な性質を多数示すことが知られている。

　その特異性の理由として、液体の構造の特殊性が考えられているが、何世紀にも渡る研究を経ても、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のため不明で、ノーベル賞受賞物理学者であるレントゲンと同化学者のポーリングらが提唱した、構造が2つの成分からなると考える「混合モデル」と、ノーベル賞受賞化学者のポープルらが提唱した、構造が幅広い連続的な分布を持つという「連続体モデル」の2つの考え方の間で、1世紀以上に渡って論争が続いてきた。

　連続体モデルは、「ある1つの構造の周りに幅広い分布を持つ」という考えで、混合モデルは、「規則的な構造と乱れた構造といった2種類の構造の動的な混合物であり、その結果2つの構造の存在を反映して2つのピークを持った分布を示す」というもの。

　論争の原因は、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った。

　今回、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って、水の構造因子には、見かけ上の「1つ目の回折ピーク」のなかに2つのピークが隠れていることを発見。

　隠れたピークの1つは、水のなか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、論争に終止符が打たれるものと期待されるだけでなく、水の基礎的な物理・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期待されるとしている。