水の表面分子構造の謎を分子レベルで解明

地球上のいたるところに存在し、生命に欠かすことのできない重要な物質「水」。私たちにとって身近な物質ですが、その表面はどのような構造になっているのか良く分かっていませんでした。これまでの研究では、水の表面に存在している水分子同士は強い水素結合で結ばれていることが分かっていましたが、具体的な構造については分からず、研究者によるさまざまな仮説が存在しました。よく知られている仮説の一つに、この強い水素結合を氷の構造と結び付けて「界面の水は氷とよく似た構造を持つ」というモデルが提案されました。しかし、理論計算や熱力学的な考察と相容れず、未だに世界的な論争が続いていました。

基幹研究所田原分子分光研究室の研究グループは、独自開発したヘテロダイン検出振動和周波発生分光法と新しいモデルの分子動力学シミレーションを使い、水表面の水分子の振動スペクトルを解析した結果、水表面はかつて提唱されていた氷の表面のような秩序だった構造でなく、活発に運動している乱雑な構造で、この中に強い水素結合で結ばれた特徴的な水分子ペアが存在することを初めて明らかにしました。さらに、水表面に存在する強い水素結合は、氷構造とは無関係であることが分かりました。

これまで水の表面構造は、得られる振動スペクトルが複雑化していたため、多くの研究者を惑わしさまざまな論争が繰り広げられました。今回、研究グループが開発した手法が水表面の分子構造を明らかにし、長年の論争に決着をつけることができました。同時に、界面の水分子構造の知見が鍵となる大気環境化学や再生医療などの分野にも新しい指針を与えることが期待できます。