水とシリカはどこが似ていてどこが似ていないか 東大の研究

2018年2月14日 11:53

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水とシリカ:地球上に最も豊富に存在する液体と固体。 (画像:東京大学発表資料より)

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 地球上でもっともありふれたふたつの液体と固体である、水とシリカ。その構造上の類似性と相違性について、物理的な起源を明らかにすることに、東京大学の研究グループが成功した。

【こちらも】過冷却された水の微細構造を明らかに―岡山大・松本正和氏ら

 水とは何かという説明は必要がないだろうが、シリカの方は説明が必要だろう。シリカとは、二酸化ケイ素(SiO2)もしくは、それによって構成される物質の総称である。

 具体的に何がシリカであるかを少しだけ列記してみる。それで漠然と、シリカというのは非常にありふれた物体なのだということはお分かり頂けると思う。

 まず、土と岩である。地球の表層の6割はシリカを含んだ鉱物でできている。ガラスもシリカである。生物にもシリカは含まれる。骨格。殻。植物のプラント・オパール。人間の毛髪、血管、爪。工業製品としてのシリカゲル。アイシャドーやファンデーション。ちなみに一部のシリカ(ケイ酸化合物)はヒトにとっての必須ミネラルでもある。

 さて、水とシリカであるが、局所的に四面体構造を形成する、温度冷却時に密度が最大となる温度点があるなど、共通する物性を持っている。だが、水はガラス状になることはほとんどないが、シリカはガラスに変容しやすいなどの相違もある。

 経験的にこれらのことは分かってはいた。問題は、なぜそうなのか、という点である。研究されてこなかったわけではないのだが明らかではなかった。それを追求したのが今回の研究だ。

 結論だけをざっと述べよう。問題は、分子の構造にある。水の分子とシリカの分子は距離の秩序に関しては類似している。だが、方位の秩序がまったく異なる。それが、水とシリカの結晶構造や密度や粘性に関する特製の類似性と相違性をもたらしていたらしい。

 なお、詳細は「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)」にオンライン掲載されている。(藤沢文太)

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