理化学研究所（理研）放射光科学総合研究センター ビームライン開発チームの片山哲夫客員研究員
（高輝度光科学研究センターXFEL利用研究推進室研究員）、ストックホルム大学のキョンホァン・キム研究員、
アンダース・ニルソン教授らの国際共同研究グループは、X線自由電子レーザー（XFEL）[1]施設SACLA[2]を利用し、
過冷却状態[3]にある水（H2O）の構造を捉えることに成功しました。
水は生命に不可欠な液体ですが、その挙動に関する理解は不完全です。
例えば、温度を下げていくときの密度、熱容量[4]、等温圧縮率[5]といった熱力学的な特性の変化は、
水と他の液体とでは逆の挙動を示します。そのため、水の熱力学的な特性については長年議論されており、
いくつかの仮説が提唱されています。そのうちの一つが、水には密度の異なる二つの相があり、
その間を揺らいでいるという仮説です。
しかし、温度を0℃未満に下げた水（過冷却状態）は不安定ですぐに凍ってしまうため、
この仮説の検証を行うことはこれまで困難でした。
今回、国際共同研究グループは、XFELを過冷却状態にある水滴に照射し、その構造を解析しました。
XFELのパルス幅はフェムト秒（fs、1fsは1,000兆分の1秒）と非常に短いため、
十分に冷やされた水が凍ってしまう前に計測を終えることが可能です。
さまざまな温度でのデータを解析したところ、
水の冷却時に起こる等温圧縮率の上昇が-44℃で反転することを突き止めました。
また、水素原子（H）を重水素原子（D）に置換した重水（D2O）では、
この温度が-40℃になることも明らかにしました。
これらの成果は、「液-液相転移の臨界点[6]（LCP）」が存在することを示しています。
今後、圧力と温度をパラメータとした相図のどこに液-液相転移の臨界点があるのかが焦点となります。
〈研究手法と成果〉
国際共同研究グループは、
直径14マイクロメートル（μm、1μmは1,000分の1mm）の小さな水滴が真空中で冷却されて氷になる前の過冷却状態を、
X線自由電子レーザー（XFEL）で捉えることに成功しました（図1）。
XFELはフェムト秒（fs、1fsは1,000兆分の1秒）のパルス幅を持つため、
刻々と状態が変化する水の一瞬を切り出して計測することができます。
また、水の温度は、水滴を作り出すインジェクターとXFELが照射される領域との距離を変えることで制御できます。
次に、水滴から散乱されたX線を検出して構造解析することで、
水の奇妙な振る舞い（冷却時の等温圧縮率の上昇）の温度依存性を調べました。
その結果、等温圧縮率は-44℃で最大となり、それ以下の温度では反転することを発見しました。
また、水に含まれる水素原子（H）を重水素原子（D）に置換した重水（D2O）では、
この温度が-40℃になることも確かめました。これらの発見は水に「液-液相転移」が存在し、
その相転移が原子核の量子効果[7]に影響されることを示しています（図2）。
続きはソースで
理化学研究所
http://www.riken.jp/pr/press/2018/20180110_1/
