過冷却
過冷却水、まだ液体の状態
静止状態を離れた結果​​、凝固が始まる

過冷却[ 1 ]は過冷却[ 2 ]とも呼ばれ、[ 3 ]は液体の温度を凝固点以下に下げるが固体にならないプロセスである。確立された国際的な定義によれば、過冷却とは「物質を凝固させることなく通常の凝固点以下に冷却すること」を意味する。[ 4 ] [ 5 ]はさまざまな物理的手段によって達成できるが、凝固が遅れるのは、結晶構造を形成できる種結晶または核が存在しないことが最も多い。水の過冷却は、化学的脱塩以外の特別な技術を必要とせず、-48.3 °C（-54.9 °F）まで達成できる。過冷却水は、例えば大気中、動物中、植物中に自然に発生する。

この現象は1724年にダニエル・ガブリエル・ファーレンハイトが華氏温度計を開発する際に初めて記述されました。[ 6 ] [ 7 ]

説明

液体は標準凝固点を超えると、種結晶または核の存在下で結晶化し、その周囲に結晶構造が形成されて固体となります。このような核が存在しない場合は、結晶の均質核形成が起こる温度まで液体状態を維持できます。[ 8 ]

ガラス転移温度以上では均一核形成が起こりますが、その温度以上でも均一核形成が起こらなかった場合は非晶質（非結晶）固体が形成されます。

水は通常273.15 K（0.0 °C; 32 °F）で凍結するが、標準圧力下では結晶の均質核生成温度である約224.8 K（-48.3 °C; -55.0 °F）まで「過冷却」される。[ 9 ] [ 10 ]過冷却のプロセスでは、水が純粋で核生成部位がない状態であることが必要であり、これは逆浸透や化学的脱塩などのプロセスによって実現できるが、冷却自体には特別な技術は必要ない。水を10 6 K/s程度の速度で冷却する と結晶の核生成を回避でき、水はガラス、つまり非晶質（非結晶）固体になる。ガラス転移温度ははるかに低く、測定も難しいが、研究では約136 K（-137 °C; -215 °F）と推定されている。[ 11 ]ガラス状の水は核生成が起こらずに約150 K（-123 °C; -190 °F）まで加熱することができます。[ 10 ] 150〜231 K（-123〜-42.2 °C; -190〜-43.9 °F）の温度範囲では、実験により結晶氷のみが見つかります。

層雲や積雲には、過冷却した水滴がしばしば存在します。このような雲の中を飛行する航空機は、これらの水滴が急激に結晶化します。適切な防氷システムを備えていない場合、航空機の翼に氷が付着したり、計器やプローブが詰まったりする可能性があります。また、凍結雨も過冷却した水滴によって引き起こされます。

過冷却の逆の過程、すなわち固体を凝固点以上で融解させる過程ははるかに困難であり、固体は与えられた圧力に対してほぼ常に同じ温度で融解します。このため、通常は融点測定装置を用いて融点を特定します。論文の主題が「凝固点測定」であっても、実際の方法論は「氷の形成ではなく消失を観察する原理」です。[ 12 ]与えられた圧力下では、液体をその沸点以上に過熱しても気体になることはありません。

過冷却と凝固点降下を混同しないでください。過冷却とは、液体を凝固点以下に冷却しても固体にならない現象です。凝固点降下とは、溶質の存在により、溶液が対応する純液体の凝固点以下に冷却される現象です。例えば、純水に塩を加えたときに起こる凝固点降下が挙げられます。

体質的過冷却

体質的過冷却 – 状態図、濃度、温度

凝固中に生じる構造的過冷却は、固体の組成変化に起因し、固体-液体界面の手前で液体が凝固点以下に冷却される現象である。液体を凝固させる際には、界面が不安定になることが多く、構造的過冷却を回避するためには固体-液体界面の速度を小さくする必要がある。

構造的過冷却は、界面（位置 x = 0）で の液相線温度勾配が、課された温度勾配よりも大きい場合に観察されます。

∂TL∂×|×＝0>∂T∂×{\displaystyle \left.{\frac {\partial T_{L}}{\partial x}}\right|_{x=0}>{\frac {\partial T}{\partial x}}}

二元系状態図の液相線勾配は で与えられるため、二元合金の構成的過冷却基準は界面の濃度勾配で表すことができます。 メートル＝∂TL/∂CL{\displaystyle m=\partial T_{L}/\partial C_{L}}

メートル∂CL∂×|×＝0>∂T∂×{\displaystyle m\left.{\frac {\partial C_{L}}{\partial x}}\right|_{x=0}>{\frac {\partial T}{\partial x}}}

平面界面の前方の濃度勾配は次のように表される。

∂CL∂×|×＝0＝−（CLS−CSL）vD{\displaystyle \left.{\frac {\partial C_{L}}{\partial x}}\right|_{x=0}=-(C^{LS}-C^{SL}){\frac {v}{D}}}

ここで、 は界面速度、拡散係数、 およびはそれぞれ界面における液体と固体の組成です（つまり、）。 v{\displaystyle v}D{\displaystyle D}CLS{\displaystyle C^{LS}}CSL{\displaystyle C^{SL}}CLS＝CL（×＝0）{\displaystyle C^{LS}=C_{L}(x=0)}

平面界面の定常成長においては、固体の組成は公称合金組成に等しく、分配係数は一定と仮定できる。したがって、安定した固体前面を形成するために必要な最小の熱勾配は次のように表される。 CSL＝C0{\displaystyle C^{SL}=C_{0}}け＝CSL/CLS{\displaystyle k=C^{SL}/C^{LS}}

∂T∂×＝メートルC0（1−け）vけD{\displaystyle {\frac {\partial T}{\partial x}}={\frac {mC_{0}(1-k)v}{kD}}}

詳細については、[ 13 ]の第3章を参照。

動物では

特定の環境下で極度の低温に耐えるために、一部の動物は過冷却という現象を利用して凍結を防ぎ、細胞の損傷や死を回避しています。液体状態を維持する技術は数多くあり、例えば氷結晶に結合して水分子が結合して氷の成長を広げるのを防ぐ不凍タンパク質（AFP）の産生などがあります。 [ 14 ]冬ガレイはこうしたタンパク質を利用して極寒の環境で生き延びる魚の一種です。肝臓は非凝集性タンパク質を血流に分泌します。[ 15 ]他の動物は凝集性不凍液を使用して体液中の溶質の濃度を高め、凝固点を下げます。生存のために過冷却に依存する魚は、水面下でも生息する必要があります。氷核に接触するとすぐに凍結してしまうからです。生存するために過冷却を受ける動物は、凍結の起点となる氷核物質を体内から排除する必要もあります。過冷却は、昆虫、爬虫類、その他の外温動物にも共通する特徴です。ジャガイモシストセンチュウ（Globodera rostochiensis）の幼虫は、シストが氷に覆われていても、シスト内で過冷却状態となり、-38℃（-36℉）という低温でも生存できます。

動物が融点よりさらに低い温度に下がると、熱力学的に不安定な状態となるため、体内の体液が自然凍結する可能性が劇的に高まります。体液は最終的に過冷却点に達します。過冷却点とは、通常の凝固点よりはるかに低い温度であるため、過冷却された溶液が自然に凍結する温度です。[ 16 ]動物は意図せず過冷却状態になり、過冷却状態になって初めて凍結の可能性を低減できます。過冷却は生存に不可欠ですが、それに伴う多くのリスクがあります。

植物では

植物は冬季に生じる極寒にも耐えることができます。北方気候に生息する多くの植物種は、過冷却によってこのような寒冷環境に順応することができ、そのため-40℃（-40℉）という低温でも生き残ることができます。[ 17 ]この過冷却現象は十分に理解されていませんが、赤外線サーモグラフィーによって認識されています。氷核形成は特定の植物器官や組織で起こり、道管組織から始まり、植物全体に広がっていくと考えられています。[ 18 ] [ 19 ]赤外線サーモグラフィーでは、細胞外空間で結晶化する水滴を可視化することができます。[ 20 ]

過冷却は、組織内での氷核形成による氷の形成を抑制し、細胞が水を液体状態で維持できるようにし、さらに細胞内の水が細胞外の氷と分離された状態を保つことを可能にする。[ 20 ]リグニン、スベリン、クチクラなどの細胞バリアは氷核形成を抑制し、過冷却組織に水を押し込む。 [ 21 ]植物の木部と一次組織は、細胞内の水分量が多いため、低温に非常に敏感である。北部の気候に生息する多くの北方広葉樹種は、氷がシュートに広がるのを防ぎ、植物が寒さに耐えられるようにする能力を持っている。[ 22 ]過冷却は、常緑低木のRhododendron ferrugineumやVaccinium v​​itis-idaeaのほか、Abies、Picea、Larixなどの種で確認されている。[ 22 ]細胞外および細胞壁内の凍結は、植物の生存に影響を与えない。[ 23 ]しかし、細胞外氷は植物の脱水を引き起こす可能性がある。[ 19 ]

海水中

海水中の塩分は凝固点に影響を与えます。そのため、海水は融点以下の温度でも液体状態を維持する可能性があります。これは「擬似過冷却」と呼ばれます。なぜなら、この現象は過冷却ではなく、塩分の存在による凝固点の低下によるものだからです。この状態は南極周辺の海域で最もよく観察されます。そこでは、高圧下で棚氷の下側が融解し、融解水が液体となり、その温度は凝固点を下回ることもあります。核生成場所がないため、水はすぐに再凍結しないと考えられています。 [ 24 ]これは海洋観測機器にとって課題となります。機器上に氷結晶が容易に形成され、データの品質に影響を与える可能性があるからです。[ 25 ]極端に冷たい海水の存在は、最終的に海氷の成長に影響を与えます。

アプリケーション

過冷却の商業的応用例の一つは冷蔵である。冷凍庫は飲料を過冷却レベルまで冷却することができる[ 26 ]ため、開封するとシャーベット状になる。もう一つの例としては、従来の冷凍庫で飲料を過冷却できる製品がある[ 27 ] 。コカ・コーラ社は、英国でスプライト、シンガポールでコークを詰めた特別な自動販売機を短期間販売した。この自動販売機はボトルを過冷却状態で保管し、開封すると中身がシャーベット状になる仕組みだった[ 28 ] 。

マサチューセッツ総合病院/ハーバード大学医学部では、臓器保存に過冷却技術が応用され、成功しました。移植された肝臓は、最大4日間過冷却保存され、従来の肝臓保存法の限界の4倍に達しました。肝臓は、凍結や低温による損傷を防ぐ特殊な溶液中で、-6℃（21°F）まで過冷却されました。[ 29 ]

もう一つの潜在的な応用は薬物送達です。2015年、研究者たちは特定の時間に膜を結晶化させました。液体でカプセル化された薬剤を患部に送達し、わずかな環境変化で液体が急速に結晶化し、薬剤を放出することが可能になります。[ 30 ]

2016年、アイオワ州立大学のチームは、熱に敏感な電子機器を修理するために、過冷却液体金属のカプセル化された液滴を使用する「熱を使わないはんだ付け」の方法を提案した。[ 31 ] [ 32 ] 2019年に、同じチームは、極性（紙やゼリー）から超疎水性（バラの花びら）まで、すべての表面が金属よりも低い弾性率である表面に、過冷却金属を使用して固体金属相互接続を印刷することを実証した。[ 33 ] [ 34 ]

Eftekhariらは、イオン性液晶の過冷却によって、エネルギー貯蔵用途における拡散のための秩序立ったチャネルが構築できることを説明する経験理論を提唱した。この場合、電解質は固体電解質に匹敵する剛体構造を有するが、拡散係数は液体電解質と同程度に大きくなる可能性がある。過冷却は媒体の粘度を増加させるが、拡散のための方向性チャネルは開いたままである。[ 35 ]

参照

参考文献

  1. ^ Gomes, Gabriel O.; H. Stanley, Eugene; Souza, Mariano de (2019-08-19). 「過冷却水中の強化されたグリューナイゼンパラメータ」 . Scientific Reports . 9 (1): 12006. arXiv : 1808.00536 . Bibcode : 2019NatSR...912006O . doi : 10.1038 / s41598-019-48353-4 . ISSN  2045-2322 . PMC  6700159. PMID  31427698 .
  2. ^ Rathz, Tom. 「過冷却」 NASA . 2009年12月2日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2010年1月12日閲覧。
  3. ^科学ミッション局（2001年4月23日）「ママ、見て！手ぶらで！『過冷却』って何？」 NASAサイエンス誌。 2023年4月13日閲覧。
  4. ^ IIR 国際冷凍辞典、 http://dictionary.iifiir.org/search.php 2019年10月1日アーカイブ、 Wayback Machine
  5. ^ ASHRAE用語集、 https://www.ashrae.org/technical-resources/free-resources/ashrae-terminology
  6. ^ 「過冷却の実験的説明：なぜ雲の中で水が凍らないのか」 www.esrf.fr. 2025年3月26日閲覧。
  7. ^ Wunderlich, Bernhard (2007-09-15). 「過冷却と過熱に関する100年の研究」 . Thermochimica Acta . 第9回Laehnwitzseminar 2006特別号. 461 (1): 4– 13. Bibcode : 2007TcAc..461....4W . doi : 10.1016/j.tca.2006.11.015 . ISSN 0040-6031 . 
  8. ^ 「霜の降りる夜に屋外で一晩過ごしたボトルを振ると、水がほぼ瞬時に凍る」。2021年4月7日。 2021年4月8日閲覧。
  9. ^ムーア、エミリー、ヴァレリア・モリネロ（2011年11月24日）「過冷却水の構造変化が氷の結晶化速度を制御する」Nature 479 ( 7374): 506– 508. arXiv : 1107.1622 . Bibcode : 2011Natur.479..506M . doi : 10.1038/nature10586 . PMID 22113691. S2CID 1784703 .  
  10. ^ a b Debenedetti, PG; Stanley, HE (2003). 「過冷却水とガラス状水」(PDF) . Physics Today . 56 (6): 40–46 [p. 42]. Bibcode : 2003PhT....56f..40D . doi : 10.1063/1.1595053 .
  11. ^ Angell, C. Austen (2008). 「液体の水の相に関する洞察：その特異なガラス形成特性の研究から」. Science . 319 (5863): 582– 587. doi : 10.1126/science.11 ​​31939. PMID 18239117. S2CID 9860383 .  
  12. ^ Ramsay, JA (1949). 「少量の凝固点測定のための新しい方法」(PDF) . J. Exp. Biol. 26 (1): 57– 64. Bibcode : 1949JExpB..26...57R . doi : 10.1242/jeb.26.1.57 . PMID 15406812 . 
  13. ^ Kurz W, Fisher DJ (1992). 「第3章 固体/液体界面の形態学的不安定性」. 『凝固の基礎』（第3版）. スイス: Trans Tech Publications Ltd. pp.  45– 55. ISBN 0-87849-522-3。
  14. ^ JG Duman (2001). 「陸生節足動物における不凍液と氷核タンパク質」. Annual Review of Physiology . 63 : 327–357 . doi : 10.1146/annurev.physiol.63.1.327 . PMID 11181959 . 
  15. ^ Garth L Fletcher; Choy L Hew & Peter L Davies (2001). 「硬骨魚類の不凍タンパク質」. Annual Review of Physiology . 63 : 359–390 . doi : 10.1146/annurev.physiol.63.1.359 . PMID 11181960 . 
  16. ^ CH Lowe; PJ Lardner & EA Halpern (1971). 「爬虫類とその他の脊椎動物における過冷却」.比較生化学・生理学. 39A (1): 125– 135. doi : 10.1016/0300-9629(71)90352-5 . PMID 4399229 . 
  17. ^ Wisniewski, M.; Fuller, M.; Palta, J.; Carter, J.; Arora, R. (2004-05-24). 「木本植物における氷核形成、伝播、および深部過冷却」. Journal of Crop Improvement . 10 ( 1–2 ): 5– 16. Bibcode : 2004JCrIm..10....5W . doi : 10.1300/J411v10n01_02 . ISSN 1542-7528 . S2CID 5362785 .  
  18. ^ Wisniewski, M (1997). 「赤外線サーモグラフィーを用いた植物における氷核形成と増殖の観察」 .植物生理学. 113 (2): 327– 334. doi : 10.1104/pp.113.2.327 . PMC 158146. PMID 12223611 .  
  19. ^ a b Pearce, R (2001). 「植物の凍結と損傷」(PDF) . Annals of Botany . 87 (4): 417– 424. Bibcode : 2001AnBot..87..417P . doi : 10.1006/anbo.2000.1352 . 2016年12月11日閲覧.
  20. ^ a b Wisniewski, M (2004). 「木本植物における氷核形成、伝播、および深部過冷却」. Journal of Crop Improvement . 10 ( 1–2 ): 5–16 . Bibcode : 2004JCrIm..10....5W . doi : 10.1300/j411v10n01_02 . S2CID 5362785 . 
  21. ^ Kuprian, E (2016). 「生殖芽の持続的な過冷却は、木部との連結が損なわれていないにもかかわらず、構造的な氷の障壁が活性化することで可能になる」 . PLOS ONE . 11 (9) e0163160. Bibcode : 2016PLoSO..1163160K . doi : 10.1371/journal.pone.0163160 . PMC 5025027. PMID 27632365 .  
  22. ^ a b Neuner, Gilbert (2014). 「高山木本植物の耐凍性」 . Front Plant Sci . 5 : 654. Bibcode : 2014FrPS....5..654N . doi : 10.3389 /fpls.2014.00654 . PMC 4249714. PMID 25520725 .  
  23. ^ Burke, M (1976). 「植物における凍結と損傷」. Annual Review of Plant Physiology . 27 : 507–528 . doi : 10.1146/annurev.pp.27.060176.002451 .
  24. ^ Hoppmann, M.; Richter, ME; Smith, IJ; Jendersie, S.; Langhorne, PJ; Thomas, DN; Dieckmann, GS (2020). 「プレートレット氷、南極海の隠れた氷：レビュー」Annals of Glaciology . 61 (83): 1– 28. Bibcode : 2020AnGla..61..341H . doi : 10.1017/aog.2020.54 .
  25. ^ Robinson, NJ; Grant, BS; Stevens, CL; Stewart, CL; Williams, MJM (2020). 「過冷却水中の海洋学的観測：プロファイリングおよび係留サンプリングにおける測定誤差の軽減のためのプロトコル」 Cold Regions Science and Technology . 170 102954. Bibcode : 2020CRST..17002954R . doi : 10.1016/j.coldregions.2019.102954 .
  26. ^ Chill Chamberアーカイブ2009年3月1日、 Wayback Machine
  27. ^ 「Hostinger DNSシステム上のパークドメイン名」 www.slush-it.com 。 2010年1月23日時点のオリジナルよりアーカイブ。
  28. ^ Charlie Sorrel (2007年9月21日). 「コカ・コーラ、ハイテクで超クールなスプライトを計画」 . Wired . Condé Nast . 2013年12月5日閲覧。
  29. ^ Berendsen, TA; Bruinsma, BG; Puts, CF; Saeidi, N; Usta, OB; Uygun, BE; Izamis, Maria-Louisa; Toner, Mehmet; Yarmush, Martin L; Uygun, Korkut (2014). 「過冷却は4日間の肝保存後の移植における長期生存を可能にする」. Nature Medicine . 20 (7): 790– 793. doi : 10.1038/nm.3588 . PMC 4141719. PMID 24973919 .  
  30. ^ハンカ、ジョージ (2015年5月6日). 「薬物を送達する「超クールな」方法」 R&D.
  31. ^ Mitch Jacoby (2016年3月14日). 「熱を使わないはんだ付け」 . Chemical and Engineering News . 2016年3月14日閲覧。
  32. ^ Simge Çınar; Ian D. Tevis; Jiahao Chen; Martin Thuo (2016-02-23). 「コアシェル型過冷却金属粒子の機械的破砕による非加熱はんだ付け」 . Scientific Reports . 6 21864. Bibcode : 2016NatSR...621864C . doi : 10.1038 / srep21864 . PMC 4763186. PMID 26902483 .  
  33. ^ Mitch Jacoby (2019年7月23日). 「熱を使わない方法でプリント金属回路接続を実現」 . Chemical and Engineering News . 2019年7月24日閲覧。
  34. ^ Andrew Martin; Boyce S. Chang; Zachary Martin; Dipark Paramanik; Christophe Frankiewicz; Souvik Ku​​ndu; Ian Tevis; Martin Thuo (2019-07-15). 「フレキシブル／ウェアラブルデバイス向け金属インターコネクトの無加熱製造」. Advanced Functional Materials . 29 (40) 1903687. doi : 10.1002/adfm.201903687 . S2CID 199076266 . 
  35. ^ Eftekhari, A; Liu, Y; Chen, P (2016). 「リチウム電池におけるイオン液体の様々な役割」. Journal of Power Sources . 334 : 221– 239. Bibcode : 2016JPS...334..221E . doi : 10.1016/j.jpowsour.2016.10.025 .

さらに読む

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