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韓国人「水が4度で最も重くなる理由、韓国の研究チームが10年かけて解明！」→「ノーベル賞に最も近い成果だ！」
水が他の液体と異なり、摂氏4度で最も重くなる理由を、韓国の研究チームが10年余りの研究の末に解き明かしました。
100万分の1秒しか存在しない極微量の過冷却水を観測し、水が実際には低密度水と高密度水が混ざっており、4度以下では低密度水の比重が高まるという仮説を証明したものです。
科学技術情報通信部は、キム・ギョンファン浦項工科大学教授の研究チームが、アンダース・ニルソン スウェーデン・ストックホルム大学教授チームと共同で、水の「液体-液体臨界点」を世界で初めて観測したと27日に発表しました。今回の研究は、世界最高権威の学術誌である「サイエンス」に同日発表されました。
水は地球にとって最も重要な物質であり、人類が最も長く研究してきた対象ですが、依然として最も特異で理解しにくい物質とされています。例えば、通常の液体は凍る直前まで温度が下がるほど重くなりますが、水は4度で最も重くなり、それより冷えると逆に軽くなる現象が代表的です。このため、冬でも川や湖の表面だけが凍り、下には液体の水が残って水中の生命を維持していますが、なぜこのような特性があるのかは、科学界の長年の難題でした。
これを説明するため、約30年前に科学者たちは、水が高密度水と低密度水という2種類の液体相（一定の物理的性質を持つ均一な物質系）として共存するという仮説を提示しました。非常に低い温度では2種類の水が区別されますが、特定の温度（臨界点）に達すると両者の区別がなくなる「超臨界」状態になり、日常では両者が混ざった状態で存在するというものです。高い温度では高密度水、低い温度では低密度水が多く存在し、4度で急激に低密度水の割合が増え、密度が再び減少すると説明できます。
2つの液体相が混ざっていることを証明するには、臨界点の存在を確認すればよいのです。しかし、マイナス40度からマイナス70度の間の極低温に臨界点があると予測され、極低温で非常に速く凍る水を観測する方法がなかったため、この仮説を巡って数十年間にわたり議論が続いていました。
キム教授チームはまず、真空中で小さな水滴を噴霧して水が急速に蒸発し、低い温度まで到達する技術と、氷をレーザーで加熱して瞬間的にマイナス70度の水を作り出す技術を開発しました。この方法は、100万分の1秒で凍る10億分の1グラムの水を作り出すことができますが、研究チームは太陽より数十億倍明るい光を放ち、10兆分の1秒単位で分子の動きを測定できる浦項加速器研究所の第4世代加速器（X線自由電子レーザー、XFEL）を活用して、この一瞬を観測しました。
2017年の第4世代加速器稼働時に最初の実験者に選定され、行われた実験で、キム教授チームはマイナス45度以下の凍らない水を測定できることを初めて明らかにし、サイエンスに発表しました。続いて2020年には、マイナス70度で実際に水が2種類の液体相として存在することを確認し、再びサイエンスに発表しました。その後6年間をかけて、マイナス50度から70度の間を調査し、臨界点というただ一つの点がマイナス60度付近にあることを初めて観測したのです。
キム教授は24日、世宗の科学技術情報通信部で開かれたブリーフィングで、「マイナス45度になると、既存のあらゆる測定方法よりも速く凍りつくため、このような研究は実験的にアプローチ不可能な領域、『無人地帯』と呼ばれてきました。不可能だと思われていた測定に10年間粘り強く挑戦し、現在も私たちの研究チームだけがこの領域を測定できます」と述べました。さらに彼は「誤差範囲が8度なので、新しい実験でより正確に特定しようとしています。明らかになった理論を基に、水の理解をさらに深める実験を多く計画しています」と語りました。
今回の研究により、水の液体-液体臨界点を巡る学界の論争は決着しました。キム教授は「基礎研究なので、すぐに何らかの付加価値を生み出すものではありませんが、水の特性を理解し、水がどのように必須的な役割を果たすかを研究する出発点となるでしょう。水の特性を以前よりもはるかに良く理解できるようになり、これを基に他の数多くの研究の精度を大幅に向上させる波及効果が期待されます」と述べました。
学部時代から研究に参加し、今回の論文の筆頭著者となったユ・ソンジュ浦項工科大学修士・博士統合課程の学生は、「研究過程で誰も成し遂げたことのないことを成し遂げるのが、とてつもなく難しいことだと感じました。これからも教科書に載るような研究をしたいです」と語りました。
引用元記事:https://n.news.naver.com/article/001/0015984956
4度の水が最も体積が小さく、密度が大きいと言うべきです。
「冷蔵庫から出した水が一番重いだろう」というコメントが出ているのを見てください。
温度が変わっても質量は変わりません。この研究は、なぜ臨界点で体積が最も小さくなるのか？ということです。
このため、冬でも川や湖の表面だけが凍り、下には液体の水が残って水中の生命を維持してくれますが、なぜこのような特性があるのかは、科学界の長年の難題でした。//この部分が一番印象的だ。自然と生命を維持する、そして科学的分析か…面白い。