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氷の結晶構造が崩壊し 解けて水になるきっかけ解明

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コメント
化学
引用元:時事ドットコム


 (上略)水分子は小さな水素原子2個と大きな酸素原子1個から成る。固体の氷では、分子が六角形の網を構成するように整然と並んでいる。しかし、温度が上昇すると分子が揺らぎ出し、分子同士の結合が切れて六角形の形が崩れる所が現れる。望月さんらはこの結合の切れ方に注目し、分子間に働く力の計算を繰り返した。

Arctic_Ice_2

 分子が揺らいで結合が切れ、六角形の形が崩れても、初めのうちはすぐつながって元に戻る。しかし、温度上昇で揺れがひどくなると、つながる際に間違った分子の組み合わせが発生してしまい、連鎖的に組み替えが起きて結晶構造が崩壊することが分かった。2 :名無しのひみつ:2013/06/22(土) 23:32:56.25 ID:h3XwAOYL
実際の観察じゃなくてシミュレートで 「わかった」と言えるのか。



5 :名無しのひみつ:2013/06/22(土) 23:50:19.47 ID:NhQYLvF8
圧力が特定方向にかかった場合の溶融プロセスもわかると凄い。



6 :名無しのひみつ:2013/06/22(土) 23:51:38.02 ID:Ydp+iAEE
氷が溶けた水って口ざわりがなめらかになってるよね?
そういうのも細かく調べたら色々説明できるんだろうね。



10 :名無しのひみつ:2013/06/23(日) 00:04:43.49 ID:Y1qP5aOq
温度が高い方が早く凍る?ムペンバ効果を解説


11 :名無しのひみつ:2013/06/23(日) 00:19:24.86 ID:GQGLtrTc
>>10
水面の凍結が遅れるから、その分内圧が上昇しにくく内部の凍結が早まるのか。
なるほど。



14 :名無しのひみつ:2013/06/23(日) 00:56:17.84 ID:ihMlvN4T
なんで温度が高くなるほど振動が大きくなるん?



15 :名無しのひみつ:2013/06/23(日) 00:56:24.78 ID:IfSyo8H7
実際の動画はよ。

55 :名無しのひみつ:2013/06/23(日) 22:26:48.89 ID:swVSE1ul
>>15




16 :名無しのひみつ:2013/06/23(日) 01:42:36.78 ID:Pze1QnoO!
逆に過冷却の水に振動を与えると一瞬で氷になるのはなんで?




17 :名無しのひみつ:2013/06/23(日) 02:50:33.62 ID:Zx3vGnTk
そんなことわざわざスーパーコンピューターでシミュレーションするまでもなく、
中学レベルの知識でちょっと想像力を働かせれば説明できる。

温度が高くなる→氷を構成していた水分子が熱エネルギーを得る
→水分子の振動が激しくなる→ついに水分子と水分子をつないでいた結合エネルギーを断ち切るようになる
→それぞれの水分子は自由に動くことが可能な状態になる(つまり全体として見れば液体の状態になる)



18 :名無しのひみつ:2013/06/23(日) 03:04:08.42 ID:xSpqxbV8!
いやさ、そういう定性的なプロセスは分かるんだけど、
今回、具体的にパラメーターを与えることで定量的にプロセスを追えたことに意味があるんでしょ。
水素結合の方向とか強さとか。

「なぜ水が0℃で凍り、100℃で沸騰するのか」 みたいな現象を分子間の綱引きの力に落とし込むことで、
「別なものを溶かしたら、分子間力がどう変わり、どういう変化がミクロに起きるか」
ということも分かるようになって、新しい不凍液とか「冷えても美味しいご飯」が開発できるかもしれない。

19 :名無しのひみつ:2013/06/23(日) 03:14:56.20 ID:C1+j9vcj
「冷えても美味しいご飯」  こんなの絶対に許さない!
>>1の研究は速攻やめろ!冷や飯食わされたんじゃたまったもんじゃない。



22 :名無しのひみつ:2013/06/23(日) 03:31:23.16 ID:cHTc5qXh
このレベルの話で謎だったことが解明されたとか言われると、
そのうち素粒子レベルの波動方程式解析的に解かないと、何もわからないことになってしまうんじゃないかと。

23 :名無しのひみつ:2013/06/23(日) 04:16:29.97 ID:xSpqxbV8!
>>22
電子状態を計算して触媒の性質を予測するとか、材料開発では既にやられてまんがな。
24 :名無しのひみつ:2013/06/23(日) 04:20:27.48 ID:vDLaJDRn
六方晶だっけ。



25 :名無しのひみつ:2013/06/23(日) 06:05:44.07 ID:6f2Tl/Ca
yahooニュースにもなってるけど、これどのくらいすごいの?

27 :名無しのひみつ:2013/06/23(日) 07:35:02.27 ID:QexMsu3n
>>25
こういうのって宣伝費用どっから出てるんだろう。
総研大ってのが何かあやしい。



29 :名無しのひみつ:2013/06/23(日) 09:19:42.82 ID:NpHtQAhz
natureにacceptとかスゲーなー。



30 :名無しのひみつ:2013/06/23(日) 10:03:00.54 ID:8uxci+0v
水って実は20度とか30度とかでも緩やかに沸騰している。

31 :名無しのひみつ:2013/06/23(日) 10:14:46.51 ID:Ef4Pb0DC
それは蒸発だろ。



32 :名無しのひみつ:2013/06/23(日) 10:44:06.58 ID:XfAWJ8U7
分子がずれた時にピンセットで元に戻してまくったら、100度でも氷のままなのかね。



33 :名無しのひみつ:2013/06/23(日) 13:54:38.57 ID:Tlj5+3xr
熱エネルギーってのがよくわからんな。

 宇宙を構成する4つの力
 弱い力(陽子→中性子、中性子→陽子)、強い力(陽子と中性子を結び付けている力)
 重力、電磁気力

この4つのうち、熱エネルギーはどこにはいるんだ?
あれそもそも熱とはなんだ・・・分子の振動だっけか。
振動を起こさせてるのはなんだ?電磁波?電磁気力でいいのか?

エネルギーってなんなの。
氷の状態を保ってるってことは、エネルギーが小さいんだろ。
外部からの振動を受け摩擦によって熱エネルギーが発生し、結合が弱くなり水になったのか。
じゃあ振動を完全に取り除いたらまた氷になるのか?意味ワカラン。

35 :名無しのひみつ:2013/06/23(日) 15:00:45.80 ID:R8ampP5J
>>33
分子の定義も知らねえだろ。
38 :名無しのひみつ:2013/06/23(日) 15:18:52.97 ID:Hls75u4Z
>>33
一回壊したら元には戻らないだろ。



36 :名無しのひみつ:2013/06/23(日) 15:07:45.29 ID:NLf9q5qG
たとえばWikipediaの「還元主義」の‘階層間の橋渡し’に関する節を熟読すれば
当スレの成果の重要性が認識できる(…かもしれない)
ちなみに自分の場合は、読む途中で挫折したので、まったく理解できてないw

37 :名無しのひみつ:2013/06/23(日) 15:17:46.09 ID:Hls75u4Z
>>36
文系はお呼びじゃない。



39 :名無しのひみつ:2013/06/23(日) 15:22:12.65 ID:WC5Ceyrw
分子のイメージ画像に光の屈折のイメージを被せるなよ意味がわからんわ。



40 :名無しのひみつ:2013/06/23(日) 15:48:17.18 ID:HZ7Nblq0
逆に過冷却状態で肉、魚、野菜なんかの結晶化しない理由もわかると流通革命起きそうだが。



41 :名無しのひみつ:2013/06/23(日) 16:26:17.07 ID:R64PBtK8
分子動力学でのシミュレーション。こんなんでNatureにのるのか?
分子動力学は、正確でないパラメータ(エイヤで経験的に設定されたパラメータ)を使用しているから、
氷が解けるなど非断熱遷移の現象は計算できないはずだけど。


http://www.nature.com/nature/journal/v498/n7454/abs/nature12190.html
Here we report molecular dynamics simulations of homogeneous ice melting

56 :名無しのひみつ:2013/06/23(日) 22:31:53.27 ID:swVSE1ul
>>41
水素結合って経験的なパラメータで再現できるものなのか?
>1は量子力学的に ab initio な計算をやったんじゃないのかな。
謝辞とか研究費とか書いてないから、分子研の計算機を使ったと思うがどれでやったのかな。

PRIMERGY-thumb
クラスター演算サーバー Fujitsu PRIMERGY RX300S7

59 :名無しのひみつ:2013/06/24(月) 12:32:56.48 ID:FcVr/DLv
>>56
たぶん第一原理計算じゃないよこれ。
TIP4Pっていう水のモデルポテンシャル(有名らしい)を使った古典分子動力学計算。
あとリファレンスのさらに後の最後にちゃんと 「いくつかの計算でそのリンク先のスパコンを使いましたよ」
って書いてあるけど、流石にどれを使ったのかまでは書いてない。



44 :名無しのひみつ:2013/06/23(日) 17:20:42.66 ID:rPfRrv3U
形そのままに常温にってできんのかな。

48 :名無しのひみつ:2013/06/23(日) 18:09:21.11 ID:3OFcAd7W
>>44
高圧下でなら。



45 :名無しのひみつ:2013/06/23(日) 17:42:42.73 ID:eU8UjioF
水銀の相の曖昧なところでのシミュレートが出来れば完璧。
ナトリウムでもいい、むしろ金属ひとつだからそっちのほうが分りやすいんじゃねーの?
もっといえばコネクタ・ジョイントたる電子がポンポン外れてんだろ。
冷たくなると電子が収まるところに収まって磁石でパチンとひっつくんだろ。

46 :名無しのひみつ:2013/06/23(日) 17:59:09.91 ID:KPrOv8MV
そうだな。
なんで水でやるのかわからん。



47 :名無しのひみつ:2013/06/23(日) 18:07:58.97 ID:nOpftFc0
希ガスでシミュレーションするのがいい希ガス



53 :名無しのひみつ:2013/06/23(日) 21:15:21.76 ID:JRd87OJh
計算以外で証明することは出来ないんですか?
ものすごく短いX線レーザーを使うとか。

55 :名無しのひみつ:2013/06/23(日) 22:26:48.89 ID:swVSE1ul
>>53
こんなスピードで動いている格子欠陥の群をin situ で観察できて
動画を作れる方法を開発したらノーベル賞がもらえる。
57 :名無しのひみつ:2013/06/23(日) 23:33:49.40 ID:9FjXqZ6L
>>53
そういえば雪の結晶をレーザー顕微鏡で観察してたな。
位相差で結局は何が見えたのか忘れたがww



54 :名無しのひみつ:2013/06/23(日) 21:28:16.82 ID:pr3olTAf
断熱ステージつきSTEMとかあればできるのかな?
そんなものあるのかどうか知らんけど。



59 :名無しのひみつ:2013/06/24(月) 12:32:56.48 ID:FcVr/DLv
プレスリリース見に行ったら、これって博士の院生でNatureの表紙飾ってたのか…凄いな…

60 :名無しのひみつ:2013/06/24(月) 18:50:37.09 ID:DnXgLIso
>>59
羨ましい。

BUZZったイチオシ記事!!!!!(*゚∀゚)ゞ

    この記事へのコメント

    2013年06月27日 12:29
    漫画とかでよくあるけど人間って凍ったら割れるの?
    名無し隊員さん
    2013年06月27日 12:36
    ※1
    衝撃には弱くなると思うよ。
    2013年06月27日 12:41
    米2
    サンキュー
    やっぱありえるのありえるのか
    実験できないもんな
    ※2
    2013年06月27日 12:42
    ああ、常温バナナと凍らせたバナナで釘うちゃ凍った方がそりゃ釘は打てるけど
    「硬くて脆い」状態になるから、強い衝撃には砕けると言うリスクが高くなるよ、くらいの意味ね
    名無し隊員さん
    2013年06月27日 13:09
    >氷が溶けた水って口ざわりがなめらかになってるよね?

    細かいけど、「舌触り」では? 「口解け」に引っ張られた??
    2013年06月27日 13:11
    米3
    怪しい伝説を御覧なさい。
    名無し隊員さん
    2013年06月27日 13:44
    >>16
    過冷却について説明しよう!

    氷の個体は結晶が大きくなったものと言える。
    たくさんの水の分子が、同じ方向にきれいにそろった状態だね。
    ※氷のイメージ図 「<」←は水分子の形。H2Oのことね
    <<<<<<<<<<<<<
    <<<<<<<<<<<<< 水はエネルギーが低い時はこの結晶状態が安定する。

    常温の水は、水分子がエネルギーをもっていて細かく振動している。
    それで水分子がばらばら
    ※水のイメージ図
    < > >< ΛVΛ
    V Λ < V

    ゆっくり冷やすと、多くの水分子がばらばらのまま熱エネルギーが減っていき、振動しなくなる。
    そうすると、しっかりした氷の形にならないまま、エネルギーの低い水ができる。
    そこに振動をあたえると、水分子の構造がそろい、しっかりした固体の結晶の状態、氷になる
    名無し隊員さん
    2013年06月27日 14:06
    冷や飯は釜や土鍋で炊いたご飯をおひつに入れておくと美味しいよ
    名無し隊員さん
    2013年06月27日 14:06
    水でやることに意味あるんだよな
    変態的な分子だもんな
    名無し隊員さん
    2013年06月27日 14:45
    博士の院生が表紙って…
    D論はもう十分資格あるだろうからまじで3年の過程内での研究なのかな?
    名無し隊員さん
    2013年06月27日 15:54
    常温に冷めた飯に常温にさめた昨日のカレーかけて食うとうまいんだよなぁ
    名無し隊員さん
    2013年06月27日 15:54
    >>17はいらなかったのでは…
    全部読む気がしない
    2013年06月27日 15:55
    ( ´ ▽ ` )ハッハッハッハッハ
    全然わからん
    名無し隊員さん
    2013年06月27日 16:18
    冷凍庫から出てきたウサギ(おそらく血清採取用)はなかなか割れなかったぞ
    ハンマーで叩いても、てこにして車で轢いても折れなかった
    中身
    2013年06月27日 16:18
    *12
    後で消しときます。
    名無し隊員さん
    2013年06月27日 19:50
    水から氷になる方はまだ解析できてないんだろうか
    2013年06月27日 20:20
    分子間の水素結合が外れて氷の構造の隙間に水が入っていくって習った

    外れてもまたくっつくのか
    それで不安定な構造ができてまた崩れるのくり返しってことかな
    名無し隊員さん
    2013年06月27日 20:25
    これって状態図作製に応用できそうだよね
    というかそれを見越しての実験だったのかな?
    まぁどっちにしろ、これからに期待。
    2013年06月27日 22:39
    ※7
    最後の三行に論理の飛躍が二回あるけど
    そこを詳しく説明して欲しかったな。
    でないと見たまんまの説明だし。
    名無し隊員さん
    2013年06月28日 16:35
    >温度が高くなる→氷を構成していた水分子が熱エネルギーを得る
    >→水分子の振動が激しくなる→ついに水分子と水分子をつないでいた結合エネルギーを断ち切るようになる
    >→それぞれの水分子は自由に動くことが可能な状態になる(つまり全体として見れば液体の状態になる)

    そうじゃない(熱励起の振動が水素結合を切るようになる所から液体化までにもう1ステップある)
    っていう計算結果だからネイチャーの表紙になってるんだよ。
    2013年06月28日 23:38
    得られた結果がしょぼく感じるのは内緒