北大,レーザー共焦点顕微鏡で氷の謎を解明

北海道大学研究グループは独自の光学顕微鏡を駆使し,長年の謎であった氷の表面融解のメカニズムを解明した(ニュースリリース)。

氷の表面は氷点下にあっても擬似液体層と呼ばれる非常に薄い水膜で濡れている。表面融解として知られるこの現象は,「氷上で凍らない」水膜が発生するメカニズムが分かっていなかった。

研究グループはオリンパスと共同開発したレーザー共焦点微分干渉顕微鏡を用いて実験を行なった。この顕微鏡の高さ方向の分解能は1原子・分子レベルに達しており,氷結晶上の擬似液体層そのものを,さらにはその表面の揺らぎ(さざ波)さえも可視化できる。

これまで研究グループは,擬似液体層には水と油のように互いに混じり合わない2種類の液体状態が存在すると考えてきた。しかし今回の研究により,擬似液体層はただ一つしか存在せず,温度,水蒸気圧に応じてその濡れ状態を変化させることが分かった。

さらに,温度と水蒸気圧を調節し氷表面を平衡状態に近づけると,擬似液体層が自発的に撥水することを発見した。このことは,平衡状態及びその近傍では氷の親水性が大きく低下し,擬似液体層は薄膜として氷を完全には濡らすことができず,結露のごとく液滴状になってしまうことを意味する。

擬似液体層が液滴状に濡れた場合,氷表面上には氷-空気,擬似液体層-空気,氷-擬似液体層という3種類の表面(界面)が露出する。それゆえ,この不安定な高エネルギー状態を解消すべく擬似液体層は蒸発してしまい,最終的に乾いた裸の氷表面が現れることになる。

この「擬似液体層は平衡状態では存在できない」という結果は,従来の表面融解の解釈と相反するものだが,擬似液体層で濡れた氷表面と乾いた氷表面のエネルギー状態の比較から自然に導かれる。

しかし,「水と氷は同一物質の液体と固体であり,またそれらの構造的類似性から,水は氷表面を完全に濡らすであろう」いう仮説のもと,これまで見逃されてきたという。

一方で研究グループは,平衡状態ではなく氷表面がある一定の氷の成長条件もしくは昇華条件におかれたときに擬似液体層が生成することを突き止めた。この結果は,擬似液体層が水蒸気から氷へと相変化する過程(もしくはその逆)で過渡的に生成する中間相であることを強く示唆する。

この非平衡領域(氷の成長・昇華領域)における新しい擬似液体層の生成ルートの発見は,他の結晶表面における擬似液体層の探索・理解に大いに役に立つと考えられるとし,物性物理学にとどまらず,材料科学,地球環境科学をはじめとする幅広い研究分野に大きなインパクトを与えることが期待されるとしている。

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