大型放射光施設 SPring-8

公開日

2021年07月21日

2021年7月21日
理化学研究所

※研究チーム

背景
　水は地球表面に存在する最も重要な物質です。液体の運動に関する研究分野は英語で「hydrodynamics」、つまり「水（hydro）-力学（dynamics）」ということからも分かるように、液体の運動はまさに“水に始まって、水に終わる”ともいえます。水についての研究はこれまで数多く行われてきましたが、それでもまだ解明されていない課題がいくつか残っています。
　そのうちの一つが「ナノメートル空間」における水の運動です。1ナノメートル（nm）は10億分の1メートルで、ナノメートル空間とは一辺が1～10nmの非常に小さな空間のことです。そのような微小空間であっても、水は連続体の運動として記述できるのか、それとも連続体としての近似はもはや成り立たず、個々の水分子（H₂O）の離散的な分布（最近接の分子間距離：約0.28nm）を考慮した運動を考えなければならないのか、分かっていませんでした。
　この問題を解く実験的研究は、1980年代から1990年代にかけて欧州で始まり、研究者らはX線や中性子線を光源とし、精巧な装置を築いて取り組みました。その結果、観測する空間スケールを細かくしていくと、水の運動には何らかの新しいモード（運動のパターン）が現れることが多くの研究で示唆されました。しかし、実験結果の解析や解釈について統一的な見解が得られていませんでした。

研究手法と成果
　研究チームは、大型放射光施設「SPring-8」に設置されている高分解能非弾性X線散乱スペクトロメータを用いて、1ミリ電子ボルト（meV、1meVは1,000分の1電子ボルト）以下というこれまでにない非常に高い精度でナノメートル空間における水の集団運動を観測しました（図1）。

　その結果、二つのことが明らかになりました。一つは、これまで考えられていたよりも広い空間まで、水分子サイズの効果に起因する「粘弾性効果^[8]」が働いていたことです。これは、従来の認識よりも大きな水分子集団が弾性体としての性質を持つことを示しています。
　もう一つは、これまで必要だと考えられてきた新しいモードは実は不要だったということです。新しいモードと考えられてきたものは「ファノ効果」と呼ばれる水のダイナミクスの干渉効果に関係していたことが、非弾性散乱スペクトルの解析から分かりました（図2）。これは、ナノメートル空間で観測される水の運動を正確に理解するには、水の拡散（ランダムな運動）モードと音響モード^[7]だけでなく、それらのモード間に働く相互作用を考慮する必要があることを示しています。
　ファノ効果は分光学ではよく知られた現象ですが、これまで実験データの解析に取り入れられたことは全くありませんでした。このように今回、SPring-8 で高精度のデータを取得できたおかげで、長年にわたる論争の問題点が明らかになりました。

ナノメートル空間で観測された水の高分解能非弾性X線散乱スペクトル。拡散（ランダム）モード（赤破線）と音響モード（灰色）に加えて、新たにその二つのモード間の相互作用（ピンク色）の成分を取り入れることで、実験結果をよりシンプルなモデルでうまく説明できることが分かった。

補足説明