氷点下の氷表面水膜の謎を解明 北大が光学顕微鏡で

氷点下でもできる氷表面の水膜は、氷が融けたためでなく水蒸気が氷の結晶表面に液体化してできることを、北海道大学の研究グループが明らかにした。独自開発した光学顕微鏡を活用した分子レベルの観察により謎だった氷点下の水膜のメカニズムを解明した。研究成果はこのほど米科学アカデミー紀要に掲載された。

氷の表面は氷点下(融点以下)でも「擬似液体層」と呼ばれる薄い水膜で覆われ、「表面融解現象」と呼ばれる。温度が高い屋外スケートリンクの氷上の水は氷が融けたものだが、氷上が氷点下の低温室内でのスケートでも滑りやすいのはこの水膜があるためとされる。しかし水膜がどのようにしてできるかは不明だった。

北海道大学低温科学研究所の佐﨑元(さざき げん)教授らは、水の1分子程度のごく微小なものも可視化できる「レーザー共焦点微分干渉顕微鏡」という特別な光学顕微鏡をオリンパス株式会社と共同開発した。これまでに、この光学顕微鏡を活用して水膜は形状によって「層状」「液滴状」の2タイプでできていることを発見。この成果を基に今回さまざまな水蒸気圧下での氷表面を詳しく観察した。

空気が含むことができる水蒸気量(水蒸気圧)は、温度ごとに限界があり、温度が下がるほど限界点も下がる。限界まで水蒸気を含んだ状態は「飽和状態」、限界を超えた状態は「過飽和状態」と呼ばれる。観察の結果、水蒸気圧が過飽和状態だと、層状、液滴状いずれの水膜もできていた。しかし、水蒸気圧を次第に下げる実験では、まず層状の水膜が、次いで液滴状の水膜が消滅した。

これらの結果から、2タイプの水膜とも氷の結晶表面が融けてできるのではなく、過飽和状態の水蒸気が氷結晶表面に「析出」(表面に液体状に生成)することでできることが分かった。

図.水蒸気圧と2 種類の擬似液体層の生成。図の左側は今回の研究成果、右側は従来の理解。高い水蒸気圧下では成長している氷結晶表面に層状と液滴状の擬似液体層が生成する(A)。しかし水蒸気圧が低下するとまず層状の擬似液体層が消滅し(B)、次いで液滴状の擬似液体層が消滅する(C)(北海道大学低温科学研究所提供)

氷表面が滑りやすい理由については古くから諸説あり、圧力により融点が低下して氷が融けるとする「圧力融解説」や摩擦による熱で融けるとする「摩擦融解説」などがあったが、最近では、圧力や摩擦がなくても氷表面が滑りやすいのは"潤滑油"の役割をする水膜(擬似液体層)が存在するためとの考え方が定着している。また表面融解現象は氷以外の多くの物質でも起きることが実証されている。

今回の研究成果は、土壌が凍結して隆起する凍上や雷雲での雷の生成など氷表面の水膜が重要な役割をする自然現象や、融点以下の結晶材料で見られる現象の解明にもつながる、という。

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