： 自然科学系 ワ ： 冷却水 ラ 転移 水素結合
研究成果 ポイン
氷点 0℃以 凍 液体状態 存 水 冷却水 高粘度 液体 あ 原因
コン ュ ュ ョン 解明
多く ラ 性物質 い 観測 Stokes-Einstein 則 破 流体力学的異常性 冷却 水 観測 原因 子 ベ 世界 初 解明
純水 冷や ラ ？ いう基礎科学 問題へ直結 け く 冷却 用い 凍 い 細胞 凍結保存 技術 深化へ 期待
概要
大阪大学大学院基礎 学研究科 金 鋼准教授 古屋大学大学院理学研究科 川﨑 猛 助教 氷点
凍 液体状態 存 水 冷却水
※1
図1 粘度 温度 低 い急激 昇 原因 コ ン ュ ュ ョ ン 用い 明
冷却水 性 質 理解 純 水 冷 や ラ
※2
？ いう 氷
※3
存否 関 基礎 科学 根 本的 問題 け く 細胞 生 保存 技術 結び く問題
あ 常温 水 結晶化 氷
あ 冷却水 高い粘度 示
子 ベ 解明 あ
回本研究 子動力学法 コン
ュ ュ ョン 冷却水 水 子 動
拡 散 性 粘 度 関 係 詳 細 解 析 結果 水 子間 ラン 水素結合ネッ ワ 冷却 強 固 い く 高 い 粘度
原因 あ 明 図1
水 素 結 合
※4
時 間 断 様 子 観 測 図 2 流体力学
※5
的異常性 あ Stokes-Einstein 則
※6
破 現象 原因 世界 初 明
本研究成果 米国科学振興協会 AAAS 出版 総合科学誌 Science Advances 8 19日 土 午前 4時 日本時間 ンライン 公開
過冷却水 ぜドロドロ る か ？
―氷点下でも液体である水が高粘度 る原因をスーパーコンピュータで解明―
図1： 図： 冷却水 注 衝撃 け 凍 様子 藤 丈志氏(株式会社 興和) 提供 図：コン ュ
ュ ョン 計算 冷却水 構造 赤球： 酸素原子，青球：水素原子，黄棒：水素結合
図2： 冷却水 い 水素結合 い 2 水 子 白色 図 結合 断 ン 運動 図 様 子 他 水 子 水色
研究の背景
最 身近 物質 あ 水 他 液体性物質 異 多く 不可思議 性質 示 例え 4℃ 密度 最大 温度低 体積 膨張 や 氷 水 浮 ぶ 代表的 例 水 氷点 0℃以
凍 液体状態 存 水 多く 異常性 冷却水 顕著 知
い 冷却水 冷や ラ 状 氷 存否 い 長 論争 い
凍 冷却 水 常温 水 結晶化 氷 中間的 性質 示 流動性 低く粘度 非常 高い
状態 冷却水 多く 場合不純物 氷点 結晶化 や く実験的研究
巨視的 性質 あ 原因 子 ベ 説明 あ
研究の成果
本研究 子動力学法 コン ュ ュ ョン 不純物 含 い理想的 状況
-80℃ 冷却 水 け 水 子 運動 様子 明 水 子 動 や 拡散係
数 水 流 や 粘性率 計算 解析 い 水 子 士 水素結合 強く相
関 い 水 子間 ラン 水素結合ネッ ワ 時間 う 変化 い
子 ベ 解析
結果 冷却 水素結合ネッ ワ 柔 部 固い部 時 存 わ 不均一 構
造 強固 高い粘度 い わ 冷却 水
子 動 くく い 中 間 的 ン 水素結合 断 動 回 様子 観測
子間 強く く水素結合 断 間 的 ン 運動 様々 ラ 性物質 見 流体力学的異常 性 あ Stokes-Einstein則 破 原因 理解 直結 い わ
本研究成果が社会 与える影響 本研究成果の意義
冷却水 性質 解明 純水 冷や ラ ？ いう 氷 存否 関 長
論争 決着 可能性 あ 全 ラ 状物質 冷却 粘度 非常 高く
い う 普 的 ニ 理 解 鍵 回 成 果 流 体 力 学 的 異 常 性 あ Stokes-Einstein 則 破 普 的 理解 ラ 状物質 ゆ く 流
原因 本質的 理解 期待
冷却水 生 活動 密接 関係 い 例え 細胞 凍 氷晶形成 急激 体積
膨張 起 細胞壁 壊 い 回避 凍 生
冷却 応用 iPS細胞 保存技術へ展開 い 安定 高粘度 状態 冷却状態 保 続け 要 課題 あ 本研究 知見 技術深化へ繋 可能性 あ
特記事項
本研究成果 2017 8 19日 土 午前4時 日本時間 米国科学振興協会 AAAS 出版 総合科 学誌 Science Advances ンライン 掲載
イ ： Identifying time scales for violation/preservation of Stokes-Einstein relation in supercooled water 著者 ：Takeshi Kawasaki and Kang Kim
DOI：10.1126/sciadv.1700399
本研究 科学研究費補助金 新学術領域 理論 実験 協奏 柔 子系 機能 科学 公募 研究 研究代表者：金 鋼 び若手研究 A 研究代表者：川﨑 猛 支援 け 行わ 本 研究 コン ュ ュ ョン 自然科学研究機構岡崎共通研究施設 計算科学研究 ン パ コン ュ 用い
用語説明
※1 冷却水
水 凍 氷 0℃ 低い温度 液体状態 保 外 急激 衝撃 加わ 結晶化 始 不純物 液体中 存 結晶化 起 一般的 融点以 冷却 液体
冷却液体 ぶ
※2 ラ
液体 冷却 結晶 う 規則正 く 子 整列 く 液体 不規則 子配置構造 保
持 固体的 状態 達 ラ 転移 液体 不規則 配置 持 固体状態へ
転移 指 実験的 粘性率 1013ポ 常温 水 0.01ポ 程度 温度 決 多い 未 明確 定義 い い 不規則 乱 構造 持 物質 状態 無 定形 非晶質 言う
※3 氷
冷却水 冷や 固体化 実験的 氷 高 化
得 氷 加熱 ラ 転移 経 冷却水 水へ変化 最近
氷 低密度 高密度 2 種類 あ 提案 水 異常性 理解 鍵 考
え い
※4 水素結合
電気陰性度 高い 子 士 見 水素原子 化学結合 水 子間 水素原子 酸素原子間 生 子 士 強く結び付け 特 冷却 第 各 子 均的 4個 水素結合 持 う
四面体的 ネッ ワ 構造 形成
※5 流体力学
物質 流 関 運動 連続体 記述 体系 流体中 あ 物体 運動 扱う
※6 Stokes-Einstein イン ュ イン 則
熱運動 不規則 ラウン運動 拡散係数 対 イン ュ イン関係式 流体力学 け 粘性抵抗式 組 合わ 得 拡散係数 粘性率 結び付け 関係式 粘度 高く 液体中 抵抗力 大 く動 くく 拡散性 低く 意味 一般的 液体 広く満足 関係式 あ 多く 冷却液体 ラ 性物質 関係性 破 観測 流体力学的 異常 性 示 い
