常温常圧で安定する固体のような水

固体のように振る舞う水

私たちは通常、水は凍って氷にならない限り流れ、はね、蒸発するものだと考えます。本研究は驚くべき新しい振る舞いを示しています。適切な種類の閉じ込め下では、普通の液体の水が日常的な温度と圧力のままでも固体のように振る舞える、というのです。この異常な状態を理解することは、岩石内部の微小な孔、マイクロ機械、さらには生体系における水の挙動の見直しにつながる可能性があります。

極細ガラス管の内部に水を閉じ込める

研究チームはシリカという、石英に似たガラス状材料でできた髪の毛ほど細い管を使いました。これらの管は中が空洞で水を満たせ、内径はサブマイクロメートル単位から数マイクロメートルまであります（マイクロメートルはミリメートルの千分の一）。サブミクロンから数マイクロメートルスケールの管に水を封入すると、もはや通常の液体のように振る舞いませんでした。集束イオンビームを用いて管内の水を切断したり、鋭い断面を刻んだり、圧力下で変形させても流れ去らずに留まりました—これは通常、液体というより軟らかい固体に関連する挙動です。こうした固体様の“栓”は−20〜90℃、高真空から大気圧までの条件で維持され、少なくとも54日間安定でした。

内部構造の解明を試みる

この閉じ込められた水がなぜ異なるのかを調べるために、チームは分子を“聴く”いくつかの手法を用いました：ラマン分光、赤外分光、そしてプロトン核磁気共鳴（¹H NMR）です。これらのツールは水分子の振動や運動を測定します。最小径の管では、スペクトルの特徴が通常の液体水と比べてシフトし、幅広くなり、運動が遅くなり水分子間の結合ネットワークが再編成されていることを示しました。電子回折—結晶パターンを観る方法—では氷に見られるようなシャープなスポットやリングはなく、むしろ拡散したハローが観察されました。これは、この固体様の水が規則的な結晶格子で凍結しているのではなく、アモルファスでガラス状の状態、つまり振る舞いは固体である一方で雪や氷塊のような長距離秩序を欠いていることを意味します。

汚染の除外と真の原因の特定

明白な疑問として、この固体様物質が実は不純物や残留物ではないかという点があります。これに対処するため、研究者たちは押し出された物質を元素分析やイオン断片を明らかにする手法で調べました。検出されたのはほぼ水素と酸素のみで、これは水および周囲のシリカと整合し、異物元素の明確なシグナルはありませんでした。これにより、新しい相は汚染物ではなく、閉じ込められた水の実在する形態であるという結論が支持されました。次に注目されたのは管の内面です。詳細な測定で、管径が約2〜5マイクロメートル未満に縮むと、シランオール基—シリカ表面の水素を持つ部位—の密度が劇的に増加することが示され、とくに内壁から数ナノメートル内側で顕著でした。チームがこれらの基を化学的に一部除去すると、固体様であった水は通常の液体に戻りました。逆に、大きな管でこれらの基を増やすと、閉じ込められた水は固体様になりました。この可逆的な切り替えは、単なる狭い幾何学ではなく界面の化学が制御因子であることを強く示しました。

表面化学が氷を作らずに運動を凍結させる仕組み

浮かび上がってきた像は、内壁に密集したシランオール基が近傍の水分子にとって強力なアンカーとして働く、というものです。これらは強い水素結合を通じて水分子の揺れや回転を抑え、結晶を形成することなく運動エネルギーを効果的に低下させます。表面がこれらの基でより密に覆われ、管が狭くなるにつれて、その影響は壁からより遠くまで拡がり、最終的にはかなりの体積の水を低可動性の固体様状態にロックします。チームはこの状態が中性に近いからわずかに塩基性の条件（中程度のpH）で好まれる一方、非常に酸性の条件では表面のプロトンバランスが変化して界面結合ネットワークが弱まり、この状態が崩れることを示しました。興味深いことに、高濃度まで塩を加えてもほとんど影響がなく、壁での短距離相互作用がバルク溶液の効果より支配的であることを示唆しています。

実験室外での意義

専門外の方への要点はこうです：水は凍結したり極端にナノメートルサイズの孔に押し込められたりしなくても固体のように振る舞えるということです。本研究では、サブミクロンの幾何学と非常に反応性の高い内面が組み合わさることで、室温かつ通常圧力で安定したガラス状の状態を水がとるに至りました。この発見は、シリカが豊富な狭い岩層で水の流れが予想より遅いという説明に役立つかもしれません。また、マイクロフルイディクスデバイスや微小リアクターの設計、新しい非凍結保存法（氷ではなく固定化された水を利用する方法）といった用途の発想を促す可能性があります。要するに、小さなスケールで表面を精密に設計することで、水を液体様と固体様の挙動の間で必要に応じて切り替えられる可能性があるのです。

引用: Wei-qing, A., Xiang-an, Y. & Ji-rui, Z. A stable solid-like water at normal condition. Sci Rep 16, 14588 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-42682-x

キーワード: 閉じ込められた水, シリカ・マイクロチューブ, 固体様相, 界面化学, 水素結合