○発表者
田中 肇（東京大学 生産技術研究所 教授）
○発表のポイント
◆様々な正四面体構造を形成する傾向を持つ液体の中で、水が極めて特異的である物理的な起源を解明するとともに、温度・圧力相図と特異性の関係を明らかにすることに成功した。
◆正四面体構造を形成する傾向の強さを系統的に変えることが可能なシミュレーションモデルを用い水型の液体が共通に示す熱力学的・動力学的な異常性の起源を明らかにするとともに、水が他のネットワーク形成液体であるシリコン、ゲルマニウム、炭素といった液体に比べ、どのような特徴を持ち、その特徴が相互作用ポテンシャルのどのような性質を反映しているのかを突き止めた点に新奇性がある。
◆この発見は、長年の未解明問題であった水の異常性の起源に迫るだけでなく、生命現象や地球科学上重要な意味を持つ水の極めて特異な性質の微視的な起源を解き明かした点で波及効果は大きいと期待される。
○発表概要
東京大学 生産技術研究所の田中 肇 教授、ジョン・ルッソ 特任助教（研究当時、現ブリストル大学講師）、赤羽健二大学院生（研究当時）の研究グループは、正四面体構造を形成する傾向の強さを系統的に変えることが可能なシミュレーションモデルを用い、シリコン、ゲルマニウム、炭素に代表された水型の液体が共通に示す熱力学的・動力学的な異常性の起源を明らかにするとともに、水が上記の他のネットワーク形成液体に比べ、どのような特徴を持ち、その特徴が相互作用ポテンシャルのどのような性質を反映しているのかを明らかにすることに成功した。また、その特異性と温度・圧力相図との間に深い関係があることも見出した。水やシリコンに代表されるこれらの液体は、人類にとって最も重要な物質であり、本研究成果は、これらの物質群の示す特異的な性質の理解に大きく貢献するものと期待される。
本成果は２０１８年３月２６日（米国東部夏時間）に「Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America（PNAS、米国科学アカデミー紀要）」のオンライン速報版で公開された。
○発表内容
東京大学 生産技術研究所の田中 肇 教授、ジョン・ルッソ 特任助教（研究当時、現ブリストル大学講師）、赤羽 健司 大学院生（研究当時）の研究グループは、水の特異性の起源を明らかにすべく研究をおこなった。水が、４℃で密度の最大を示す、結晶化の際に体積が膨張するなど、他の液体にない極めて特異な性質を持つこと、そして、それが気象現象、地球物理現象、生命現象などに大きなインパクトを与えることは広く知られている。このような異常な挙動は、実は水に限られず、正四面体的な局所的な構造を形成する傾向を持つ液体に共通してみられる。例えば、シリコン、ゲルマニウム、炭素、シリカなどの液体が同様の特異性を示す。これらの液体は、水素結合、共有結合などの方向性の結合を持ち、それが局所的に正四面体的対称性を好むのがその起源であることは知られていた。しかしながら、正四面体形成能や温度・圧力相図の形とこれらの液体の示す特異性の間の関係についてはこれまでほとんど知られていなかった。
同研究グループは、正四面体構造を形成する傾向の強さを系統的に変えることが可能なシミュレーションモデルを用いることで、これらの関係を明確な形でとらえることに初めて成功した。まず、シミュレーションで得られた様々な特異性と同グループが以前提案した理論モデルの予測との比較により、これらの異常性のすべてが、局所的に安定な構造の形成に起因していることを明らかにした。また、その比較をもとに、これらの特異性を支配している物理因子を特定し、なぜ、水がこれらの液体の中にあっても、密度の異常性が最大であるなど最も特異的であるのかの物理的な起源を明らかにした。
水、シリコン、シリカに代表されるこれらの液体は、人類にとって最も重要な物質であり、本研究成果は、これらの物質群の示す特異的な性質の系統的な理解に大きく貢献するものと期待され、生命科学、地球科学など広範な分野に波及効果が期待される。
○発表雑誌
雑誌名：「Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America（PNAS、米国科学アカデミー紀要）」（３月２６日版）
論文タイトル：Water-like anomalies as a function of tetrahedrality
著者：John Russo, Kenji Akahane, and Hajime Tanaka
DOI番号：10.1073/pnas.1722339115
○問い合わせ先
東京大学 生産技術研究所
教授 田中 肇（たなか はじめ）
Tel：03-5452-6125 Fax：03-5452-6126
研究室URL：http://tanakalab.iis.u-tokyo.ac.jp/Top_J.html
資料
図１：負圧で形成される水型液体のクラスレート（Si34）構造