氷の表面を覆う水膜は、通常の水より200倍流れにくい―北大・村田憲一郎氏ら

2016年1月3日 19:18

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サイズの異なる薄膜型(完全濡れ)の擬似液体層同士が合体し、小さい擬似液体層が大きいものに吸収されていく時の様子。(単位は秒。スケールバーは10μm)(北海道大学の発表資料より)

サイズの異なる薄膜型(完全濡れ)の擬似液体層同士が合体し、小さい擬似液体層が大きいものに吸収されていく時の様子。(単位は秒。スケールバーは10μm)(北海道大学の発表資料より)[写真拡大]

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 北海道大学の村田憲一郎氏らによる研究グループは、0℃以下でも氷の表面に存在する薄い水膜「擬似液体層」の流れやすさが、通常の水と比べて最大約200分の1程度であることを明らかにした。

 氷の表面は、融点以下の温度条件でも非常に薄い水膜(擬似液体層)で覆われており、「表面融解」と呼ばれている。この現象の研究の歴史は150年以上になるが、現在もこの水膜が発生する理由は明らかになっていない。

 今回の研究では、擬似液体層とバルク水(※)の相違を調べるため、レーザー共焦点微分干渉顕微鏡と呼ばれる独自の光学顕微鏡を用いて実験を行い、擬似液体層の表面張力-粘性係数比をバルク水と比較した。その結果、部分濡れでは約20分の1に、完全濡れの場合は約200分の1にまで低下することが分かった。

※バルク水:ナノメートル程度のサイズの物質では、サイズによって物理的性質が顕著に変化することが知られている。バルク水は、このような効果が現れないマイクロメートル以上のサイズの水のこと。

 つまり、擬似液体層はバルク水と比べ非常に流れにくい状態になっているといえる。また、部分濡れから完全濡れ状態への形態変化の詳細を解析することで、完全に濡れた擬似液体層の膜厚がおよそ9ナノメートルであることも明らかにした。

 擬似液体層は、雪玉作りや氷上の潤滑、凍上現象、雪の形態変化、雷雲での電気の発生機構など、身近な低温での自然現象に深く関わっていると考えられている。このため、研究グループは今回の成果がこうした自然現象を理解するための重要な知見になるとしている。

 なお、この内容は「Physical Review Letters」に掲載された。論文タイトルは、「In situ Determination of Surface Tension-to-Shear Viscosity Ratio for Quasiliquid Layers on Ice Crystal Surfaces」(和訳:顕微鏡その場観察による氷結晶上における擬似液体層の表面張力-粘性係数比の直接測定)。

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