韓国の研究陣が水に関する最古のミステリーを解く手がかりを世界で初めて実験で確認した。水が互いに異なる二つの液体状態を行き来でき、その境界が消える地点が氷点下60度前後に存在するという事実を初めて観測したということだ。
科学技術情報通信部は、キム・ギョンファンPOSTECH（ポステック）教授の研究陣が、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の研究陣と共に水の「液体-液体臨界点」を世界で初めて観測したと27日明らかにした。今回の研究成果は国際学術誌「サイエンス（Science）」に同日掲載された。
水は最もありふれて重要な物質でありながら、同時に最も理解しにくい物質とされる。代表的な例が密度だ。ほとんどの液体は温度が下がるほど分子がより密に集まり密度が高くなるが、水は4度で最も緻密になった後、それより冷えるとかえって疎になる。冬季に川や湖が底からではなく表面から凍るのもこの特性による。表面の冷たい水がより軽く上にとどまり、その上が先に凍りつくことで下には液体状態の水が残る。
科学者はこのような水の独特な性質を説明するため、約30年前から一つの仮説を提示してきた。水は一様な一つの液体ではなく、分子がより密に集まった高密度液体状態と、より緩く配列した低密度液体状態の間を行き来できるというものだ。この仮説によれば、水は冷えるほど当初は他の液体のようにより密になるが、一定温度以下では低密度状態の比重が大きくなり始める。これを踏まえると、4度付近で全体の密度が最も高くなり、それより低い温度ではむしろ密度が再び低下するという説明が可能になる。
この仮説が正しいかを分ける核心は、結局のところ液体-液体臨界点が実際に存在するかどうかだった。非常に低い温度と高い圧力では二つの液体状態が明確に区別されるが、特定の温度と圧力に至ると両者の境界が消えて一つの液体のように見えるようになり、その地点を液体-液体臨界点と呼ぶ。
これまでシミュレーションと理論研究では、高圧の氷点下60度付近に液体-液体臨界点がある可能性が提起されてきた。しかし水は極低温域で非常に速く凍ってしまうため、これを実験で直接確認するのは難しかった。存在を裏付けたり反駁したりする決定的な実験証拠もなかった。
キム教授の研究陣は過去10年間、この臨界点を追跡してきた。2017年には氷点下45度以下でも凍らない水を世界で初めて測定し、2020年には観測範囲を氷点下70度まで広げて、水が実際に二つの液体状態を取り得ることを示した。今回の研究ではさらに進め、二つの液体状態がどこで一つに合わさるのかを直接捕捉した。
研究陣は氷点下70度で凍らない極微量の水を作った後、10兆分の1秒単位で分子の動きを追跡した。その結果、水の二つの液体状態が一つの相に合わさり始める地点、すなわち液体-液体臨界点が氷点下60度前後（誤差±8度）に存在するという事実を確認した。数十年にわたり理論としてのみ提示されてきた仮説に実験的根拠を提示したことになる。
キム教授は「10年にわたる研究を通じて、常温の水は高密度の水と低密度の水の境界が消えた状態にあり、温度に応じて二つの状態の比率が変化しながら水特有の性質が現れるという仮説に、さらなる力を与えた」と述べ、「水の特性をより正確に理解できれば、産業現場と研究全般の精度を究極的に向上させることができるだろう」と語った。
研究陣は5月にポハン4世代加速器の実験を通じて、今回提示した臨界点の位置をさらに精密に絞り込む計画だ。
参考資料
Science(2026), DOI: https://doi.org/10.1126/science.aec0018