立ち入り禁止区域（物理学）

排除領域は、純粋な液体の水で観察される大きな層（通常、数ミクロンから1ミリメートル程度）であり、懸濁液中の他の物質の粒子はそこからはじかれます。これは、液体の水が入っている容器の壁や、その中に浸された固体試料などの固体材料の表面の隣、および水/空気界面でも観察されます。いくつかの独立した研究グループが、親水性表面に隣接する排除領域の観察を報告しています。^{[ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ]}一部の研究グループは、金属表面に隣接する排除領域の観察を報告しています。^{[ 5 ] [ 6 ]}排除領域は、複屈折、中性子ラジオグラフィー、核磁気共鳴などのさまざまな技術を使用して観察されており、 ^{[ 4 ]}生物学、および濾過やマイクロ流体工学などの工学的応用において潜在的に高い重要性を持っています。

歴史的背景

容器の壁に近い水分子の異なる挙動が初めて観察されたのは1960年代後半から1970年代初頭で、ウォルター・ドロスト＝ハンセンが多くの実験論文を検討した結果、界面水（「近接水」と呼ばれることもある）は構造的に異なるという結論に達した。^{[ 7 ] [ 8 ]}

1986年、ボリス・デルジャギンと彼の同僚は細胞壁の隣に立ち入り禁止区域を観察した。^{[ 9 ]}

2006年、ジェラルド・ポラックらの研究グループは、いわゆる「排除領域」の観測結果を報告しました。彼らは、水溶液中に懸濁したコロイド状および分子状の溶質粒子が、様々な親水性表面の近傍から著しく広範囲に排除されていることを観測しました。^{[ 1 ]}排除領域は、これらの初期の観測以来、複数の独立したグループによって観測され、その特徴が明らかにされてきました。^{[ 10 ] [ 11 ] [ 4 ]}

理論モデル

初期の観測以来、立入禁止区域の実験的観測を説明するために いくつかの理論モデルが提案されてきました。

機械モデル：分子構造の変化

一部の研究者は、排除領域は隣接する親水性固体表面または金属表面付近の水の分子構造の変化に起因すると示唆している。^{[ 1 ] [ 12 ]} このモデルでは、排除領域内の水は六角シート構造を持ち、水素原子は酸素原子の間に位置する。さらに、水素原子は上下の層にある酸素原子と結合するため、各水素原子は合計で3つの結合を形成する。この構造は氷と水の中間と考えることができる。しかし、六角シート仮説は排除領域のすべての側面を説明するものではなく、大多数の物理学者によって支持されていない。

量子電磁力学モデル：量子閉じ込め

実行された別の計算では、量子力学と量子電気力学を用いて、立入禁止区域の分子を記述している。このモデルでは、液体のバルク水は気体状態にある。そして、ある密度閾値以上かつ特定の臨界温度以下では、これらの分子はより低いエネルギーを持つ別の量子状態に移行する。この低エネルギーのコヒーレント状態では、電子雲は2つの量子状態の間を振動する。すなわち、基底状態と、分子あたり1つの電子がほぼ自由である励起状態（結合エネルギーは約0.5 eV）である。このコヒーレント状態では、量子重ね合わせは、基底状態の係数0.9の成分と励起状態の係数0.1の成分を持つ。この量子状態の電子は、基底状態と励起状態の間を一定の周波数で振動し、この振動によって電磁場が発生する。この電磁場は超分子構造内に閉じ込められるため、放射は観測されない。このモデルでは、構造の分子と閉じ込められた電磁場が立入禁止区域を構成する。^{[ 13 ]}

参考文献

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2. Chen, Chi-Shuo; Chung, Wei-Ju; Hsu, Ian C.; Wu, Chien-Ming; Chin, Wei-Chun (2011). 「水域の排除区域における力場測定」 . Journal of Biological Physics . 38 (1): 113– 120. doi : 10.1007 / s10867-011-9237-5 . PMC 3285724. PMID 23277674 .  
3. ビショフ, マルコ; デル・ジュディチェ, エミリオ (2013). 「コミュニケーションと集団行動の出現と生物における量子論的アプローチ」 . Molecular Biology International . 2013 987549. doi : 10.1155/2013/987549 . PMC 3833029. PMID 24288611 .  
4. エルトン, ダニエル C.; スペンサー, ピーター D.; リッチズ, ジェームズ D.; ウィリアムズ, エリザベス D. (2020-07-17). 「水中の排除領域現象 - 実験結果と理論の批判的レビュー」.国際分子科学ジャーナル. 21 (14): 5041. doi : 10.3390/ijms21145041 . PMC 7404113. PMID 32708867 .  
5. Pedroza, Luana S.; Poissier, Adrien; Fernández-Serra, M.-V. (2015). 「金属電極表面における液体水の局所秩序」. The Journal of Chemical Physics . 142 (3): 034706. Bibcode : 2015JChPh.142c4706P . doi : 10.1063/1.4905493 . OSTI 1228123. PMID 25612724 .  
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10. Chen, Chi-Shuo; Chung, Wei-Ju; Hsu, Ian C; Wu, Chien-Ming; Chin, Wei-Chun (2012). 「水域の排除区域内における力場測定」 . Journal of Biological Physics . 38 (1): 113– 120. doi : 10.1007 / s10867-011-9237-5 . PMC 3285724. PMID 23277674 .  
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13. V. Elia, R. Germano; C. Hison, E. Del Giudice (2013). 「二回蒸留水における酸化水力発電効果」. Key Engineering Materials . 543 : 455–459 . doi : 10.4028/www.scientific.net/KEM.543.455 . S2CID 94391774 .