東京大学の田中肇教授、シー・ルイ(Rui Shi)特任研究員の研究グループは、地球上に液体・固体として最も豊富に存在する水とシリカの類似性と相違について研究を行い、その物理的な起源の解明に成功した。

 水とシリカは、ともに局所的に四面体構造を形成しやすく、温度冷却時に密度が最大になる温度が存在するなど、似た物性を示す。一方、水は極めてガラスになりにくいが、シリカ(硝子製品の主成分)は容易にガラス状態になる。このような類似性・相違点が存在する理由は長年の研究にも関わらず未解明であった。

 研究グループは、液体における構造化を、中心粒子から見たときの周りの粒子の並び方として捉え、特に中心からの距離の秩序と方位の秩序に着目。両物質の液体の中に形成される局所的な構造秩序を明らかにした。

 水分子の場合、分子内が共有結合、分子間が水素結合とエネルギースケールの異なる結合で安定化されており、水分子自身のもつ構造の自由度が小さいため、酸素のみならず水素にも方向秩序が存在する。一方、シリカの場合には、すべての結合が共有・イオン結合により安定化されているため酸素のとり得る配置の自由度が大きく、その方位秩序が低い。

 その結果、水とシリカの間には、距離の秩序に類似性があるが、方位の秩序に大きな違いがあり、それらが両物質の結晶構造、密度異常、粘性異常などの類似性とガラス形成能の大きな相違の物理的起源であることが分かった。

 この成果は、水とシリカという最も身近な液体の基本的性質を解明し、さらにテトラヒドラル液体の理解や、ガラス形成能の意図的な制御にも新しい道を拓いたという意味で、応用上のインパクトも大きいと期待される。

論文情報:【Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America】Impact of local symmetry breaking on the physical properties of tetrahedral liquids

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