表面科学 Vol. 30, No. 3, pp. 140-147, 2009 特集「界面水の構造と制御」 研究紹介 物質表面の構造化された水の物理化学的性質 中 嶋 悟 大阪大学大学院理学研究科宇宙地球科学専攻 〠 560-0043 大阪府豊中市待兼山町 1-1 （2008 年 12 月 15 日受理） Physicochemical Properties of Structured Water at Material Surfaces Satoru NAKASHIMA Department of Earth and Space Science, Osaka University 1-1 Machikaneyama-cho, Toyonaka, Osaka 560-0043 (Received December 15, 2008) Physicochemical properties of thin film water on and between material surfaces have been reviewed. Infrared (IR) spectroscopy on thin film water sandwiched between various materials showed shifts of OH stretching vibration frequency maxima from 3400 cm −1 to about 3250 cm −1. These shifts vary with different materials, crystallographic orientations, film thickness (less than about 200 nm), dissolved ions and temperatures. The thin film water is supposed to have constrained structure close to ice and might have smaller diffusion coefficients and larger viscosity than the bulk liquid water. Standard molar volume, specific heat and entropy values for hydration water on some inorganic materials are different from these for the bulk liquid water and close to those for ice polymorphs. Sonic wave velocity measurements on a water-saturating rock suggest a larger P wave velocity for the thin film water than the value for bulk water. These structured thin water films with different properties from those of the bulk water can be present in the earth’s interior and also in living materials such as cactus and human skin controlling dynamics of earth and life. KEYWORDS : thin film water, ice, infrared spectroscopy, transport properties, thermodynamic properties 1．はじめに―地球と生命における水の役割― （岩石構成鉱物）や生体高分子に挟まれた薄膜水や表面 水として存在し，バルクの水とは異なる性質を持つ可能 地球内部の水は，地球の動的な過程を大きく支配して 性がある。そこで，このような薄膜水の構造と物理化学 いると考えられている。すなわち水は地球内部物質の粘 的性質のこれまでの知見を整理し，物質・地球・生命の 性・強度や拡散の速さに大きく影響し，プレートのもぐ ダイナミクスにおける役割を考察する。 りこみ，脱水，マグマの発生と火山噴火，岩石の変形・ 変成作用，地震の発生，流体と物質の移動，資源の集 積，さらには環境汚染といった動的過程の基礎物性を左 右している 1, 2)。 2．赤外分光による薄膜水の測定と，水の構 造化 最近の分子シミュレーションや実験では，疎水性の表 我々生命体の構成単位の細胞は，その重量の約 60∼ 面や細孔中では，水分子は通常の液体水より氷に近い秩 70% が水である。細胞の中の多くの成分は水に溶けた 序だった構造をとっているとされている 4)。このような 状態で存在し，またタンパク質，DNA・RNA，生体膜 氷に似た制約された構造の水は，バルクの水（自由水） などの生体高分子の立体構造や機能は，水溶液中での柔 とは異なる物性を持つと考えられるので，ここでは，こ 軟な水素結合によって担われている 2, 3) 。 このような地球と生命内部の水は，しばしば無機物 れを「構造化された」あるいは「かたい」水と呼ぶこと にする。後述の赤外吸収極大周波数のシフトから，「自 由水」は水素結合距離が長く（0.285 nm 程度 6)）より水 素結合の程度が小さい水分子クラスターであり，一方
© Copyright 2024 Paperzz
