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Shear and bulk viscosities of water up to 1.6 GPa and anomaly in the structural relaxation time

この論文は、光散乱法とシミュレーションを用いて 1.6 GPa までの高圧下における水のせん断粘度と体積粘度を測定し、構造緩和時間が 0.5 GPa 付近で最小値を示す異常現象を発見したことで、水素結合の平衡時間としての緩和時間の最小値が局所構造間の最速変換を可能にする構造的異常に起因し、それによって熱力学的および動的な異常が連鎖的に生じることを示唆しています。

原著者： Jan Eichler, Johannes Stefanski, José Martin Roca, Isabelle Daniel, Bruno Issenmann, Chantal Valeriani, Frédéric Caupin

公開日 2026-03-19

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CC BY 4.0

原著者： Jan Eichler, Johannes Stefanski, José Martin Roca, Isabelle Daniel, Bruno Issenmann, Chantal Valeriani, Frédéric Caupin

原論文は CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/) でライセンスされています。 ✨ これは以下の論文のAI生成解説です。著者が執筆または承認したものではありません。技術的な正確性については原論文を参照してください。免責事項の全文を読む

この論文は、**「水が極限の圧力の下で、どのように『動き』を変化させるか」**という不思議な現象を解明した研究です。

地球の深部や、氷に覆われた月の地下には、大気圧の何千倍もの圧力がかかっています。そんな過酷な環境でも水は液体として存在していますが、その性質は私たちが普段知っている水とは全く違います。

この研究チームは、**「水がどれくらい粘り気（粘度）を持っているか」を、0 から 16,000 気圧（1.6 GPa）という超高圧まで測定しました。その結果、水が持つ「2 つの異なる粘り気」と、「ある不思議な『最小点』」**が見つかったのです。

以下に、専門用語を避けて、身近な例え話で解説します。

1. 水には「2 つの粘り気」がある？

私たちが普段「水がサラサラしている」と言うとき、それは**「せん断粘度（せんだんねんど）」という、水が横にすべる時の抵抗を指しています。しかし、水にはもう一つ、「体積粘度（たいせきねんど）」**という、水が圧縮されたり膨らんだりする時の抵抗があります。

イメージ：
- せん断粘度： 蜂蜜をスプーンでかき混ぜる時の「もったり感」。
- 体積粘度： スポンジをギュッと握りしめて、中の空気を押し出す時の「しこり感」。

この研究では、この 2 つを同時に測りました。
結果： 圧力をかけると、両方とも粘り気は強くなりましたが、「横にすべる抵抗（せん断）」の方が、「押しつぶされる抵抗（体積）」よりも急激に強くなりました。
つまり、圧力をかけると、水は「押しつぶされにくくなる」よりも「かき混ぜにくくなる」方が圧倒的に進んだのです。

2. 水が「一番動きやすい」瞬間（0.5 GPa の謎）

ここがこの論文の最大の発見です。

通常、液体に圧力をかけると、分子がぎゅうぎゅうに詰まって動きにくくなり、粘り気はどんどん強くなります。しかし、水は 0.5 GPa（約 5,000 気圧）付近で、一時的に「一番動きやすくなる（構造が整いやすくなる）」瞬間がありました。

アナロジー：混雑する駅の改札
- 通常： 人が増える（圧力がかかる）と、改札を通過する速度は遅くなります。
- 水の場合： 人が増え始めると、最初は「あ、ここに並べばスムーズに通れる！」という**「最適な列の並び方」が一瞬現れます。その瞬間だけ、みんながすいすいと通り抜け、「構造が整う時間（緩和時間）」が最も短くなる**のです。
- しかし、さらに圧力をかけすぎると（1.6 GPa 以上）、今度は人が詰め込みすぎて完全に動けなくなり、また動きにくくなります。

この「0.5 GPa 付近での動きやすさ」は、水分子同士が手を取り合っている**「水素結合」**という絆が、圧力によって一時的に「最も効率的に組み替わる」状態になったためだと考えられています。

3. なぜこれが重要なのか？

この発見は、単なる水の性質の話だけではありません。

地球の深部： 地下深くの岩盤の中を水がどう流れるか、石油を採掘する際の効率に影響します。
生命の存在： 地下深くや、氷の下の海（エウロパやガニメデなどの衛星）に生命がいる可能性を探る際、水がどのくらい「流れるか（対流するか）」は、栄養分やエネルギーを運ぶために不可欠です。
- もし水が急に固まって動けなくなれば、生命の活動も止まります。
- この研究は、「水は圧力がある程度までかかると、逆に一時的に動きやすくなる」という意外な性質を示しました。これは、地下の生命が住める環境のモデルを大きく変える可能性があります。

4. 実験のすごいところ

この実験は、**「ダイヤモンドの板で水を挟み、その中で微小なビーズを動かして粘度を測る」**という、非常に高度な技術で行われました。

ダイヤモンドアンビルセル： 2 枚のダイヤモンドで水を挟み、極限の圧力を作る装置。
DDM（差動動的光学顕微鏡）： 水中の微小なビーズがブラウン運動（ジグザグに揺れる運動）する様子をカメラで撮り、その動きの速さから水の粘り気を計算する技術。

これらを組み合わせることで、これまで誰も正確に測れなかった「超高圧下での水の粘り気」を、世界で初めて詳細に描き出すことに成功しました。

まとめ

この論文は、**「水は圧力をかけると、ある瞬間だけ『一番スムーズに動く』状態になる」**という、水という物質の驚くべき「性格の変わりよう」を突き止めました。

まるで、**「ギュッと握りしめると、一瞬だけ形を整えて動き出す」**ような、水特有の不思議なリズムが見つかったのです。この発見は、地球の深部から太陽系外の氷の海まで、水が関わるあらゆる現象の理解を深める鍵となるでしょう。

この論文「Shear and bulk viscosities of water up to 1.6 GPa and anomaly in the structural relaxation time（1.6 GPa までの水のせん断粘度と体積粘度、および構造緩和時間の異常）」の技術的サマリーを以下に記します。

1. 研究の背景と課題

水は、常温常圧付近で負の熱膨張係数や粘度の初期減少など、多くの異常な性質を示す液体として知られています。これらの異常は、水分子間の水素結合が形成する四面体構造に起因しています。圧力を加えると、この水素結合ネットワークが歪み、5 番目の近接分子がより近づくなど、構造が変化します。
しかし、高圧下（特にギガパスカル領域）における水の粘度、特に**せん断粘度（ $\eta$ ）と体積粘度（ $\eta_b$ ）の挙動、およびそれらが示す構造緩和時間（ $\tau$ ）**の振る舞いについては、既存のデータに大きなばらつきがあり、完全には解明されていませんでした。また、高圧下で水の異常性がどこまで続くのか、あるいは消失する圧力点はどこかという点も不明確でした。

2. 研究方法

本研究では、室温（約 295 K）において、ダイヤモンドアンビルセル（DAC）を用いて 0 から 1.6 GPa までの圧力範囲で以下の測定を同時に行いました。

せん断粘度（ $\eta$ ）の測定:
- **微分動的光学顕微鏡法（DDM）**を適用。
- 水中に懸濁させたポリスチレン微粒子（直径約 345 nm）のブラウン運動を追跡し、拡散係数から粘度を算出。
- 高圧下での粒子半径の変化や容器壁の影響を補正し、高精度な測定を実現。
体積粘度（ $\eta_b$ ）の測定:
- ブリルアン分光法を用いて、音波の減衰係数（ $\alpha/f^2$ ）を測定。
- 音速と密度のデータと組み合わせ、ニュートン流体における音波減衰の式（ $\alpha/f^2 \propto \frac{4}{3}\eta + \eta_b$ ）から体積粘度を算出。
分子動力学（MD）シミュレーション:
- 水モデル TIP4P/2005 を用いて、同条件での粘度と緩和時間の計算を行い、実験結果の検証と補完を行いました。
粘弾性モデルによる解析:
- 得られた粘度と音波減衰のデータから、構造緩和時間 $\tau$ および弾性率（ $K_0, K_\infty, G_\infty$ ）を導出しました。

3. 主要な結果

A. 粘度の圧力依存性

せん断粘度（ $\eta$ ）: 圧力とともに増加しますが、その増加率は高圧になるほど急激になります。既存の IAPWS 式（1 GPa まで有効）の予測よりも高圧側で値が上回る傾向が確認されました。
体積粘度（ $\eta_b$ ）: 圧力とともに増加しますが、せん断粘度に比べてその増加率は緩やかです。
粘度比（ $\eta_b/\eta$ ）: 両者の比は、0 GPa から 1.6 GPa にかけて約 2 倍減少しました。これは、圧力上昇に伴って水の構造緩和メカニズムが変化していることを示唆しています。

B. 構造緩和時間（ $\tau$ ）の異常

本研究の最も重要な発見は、構造緩和時間 $\tau$ の圧力依存性に見られる極小値です。

通常の液体では、圧力上昇に伴い分子運動が制限され $\tau$ は単調に増加します。
しかし、水では圧力上昇初期に $\tau$ が減少し、約 0.5 GPa 付近で**極小値（約 1 ps）**をとった後、再び増加に転じました。
この極小値は、水素結合の再配置（ equilibration ）が最も速く行われる圧力領域に対応しています。

C. 分子動力学シミュレーションとの整合性

TIP4P/2005 モデルを用いたシミュレーションも、実験で観測された粘度の傾向（特に $\eta_b/\eta$ の減少）および緩和時間の極小値の存在を定性的に再現しました。

4. 考察と物理的意味

構造異常との関連: $\tau$ の極小値は、水が「四面体構造（低密度）」と「より乱れた構造（高密度）」の間で相互変換する速度が最大になる点に対応すると解釈されます。これは、Hall の 2 状態モデルや、Errington と Debenedetti が提唱した「異常のカスケード（cascade of anomalies）」の概念と整合します。
異常のカスケード: 本研究は、構造異常（分子配列の秩序度の極小）が、動的異常（粘度や拡散係数の極値）を、さらに熱力学的異常（密度の極大など）へと誘導する「カスケード」の最上位に位置する現象であることを示唆しています。 $\tau$ の極小は、他の動的・熱力学的異常よりも高圧側で発生し、構造的変化の指標として機能します。

5. 意義と応用

地球科学・惑星科学: 地球の深部（マントル上部など）や、エウロパ、ガニメデなどの氷衛星の内部海洋において、水は高圧下で存在します。本研究で得られた粘度データは、これらの天体内部での熱対流、物質輸送、および生命の居住可能性（細胞の運動性など）を評価するモデルにおいて不可欠です。
産業応用: 石油回収（水駆動法）など、高圧下での流体挙動の理解にも寄与します。
水科学の基礎: 水が「単純な液体」の挙動に移行する臨界点や、水素結合ネットワークのダイナミクスに関する理解を深め、水の異常性の起源を解明する重要な一歩となりました。

結論

本研究は、高圧下における水のせん断粘度と体積粘度を初めて同時に高精度で測定し、構造緩和時間が 0.5 GPa 付近で極小値をとるという新たな異常を発見しました。これは、水素結合ネットワークの構造変化が動的性質に直接的な影響を与えることを示しており、水の異常性に関する「カスケード」理論を支持する強力な証拠となっています。