Loading article…
過冷却[ 1 ]（過冷却[ 2 ] [ 3 ]とも呼ばれる）は、液体の温度を凝固点以下に下げても固体にならない過程である。確立された国際的な定義によれば、過冷却とは「物質を凝固させずに通常の凝固点以下に冷却すること」を意味する[ 4 ] [ 5 ] 。過冷却はさまざまな物理的手段で達成できるが、凝固が遅れるのは、結晶構造が形成される種結晶や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用いなくても、-48.3 °C（-54.9 °F）まで達成できる。過冷却水は、大気、動物、植物など、自然界にも存在する。
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ファーレンハイト目盛を開発していた際に初めて記述された。[ 6 ] [ 7 ]
液体が標準凝固点を超えると、種結晶または核が存在する場合に結晶化し、その周囲に結晶構造が形成されて固体になる。そのような核がない場合、液体相は結晶の均一核生成が起こる温度まで維持される。[ 8 ]
均一核生成はガラス転移温度以上で起こり得るが、その温度以上で均一核生成が起こらなかった場合、非晶質（非結晶性）固体が形成される。
水は通常273.15 K (0.0 °C; 32 °F)で凍りますが、標準圧力下では、ほぼ224.8 K (−48.3 °C; −55.0 °F)の結晶均一核生成まで「過冷却」することができます。[ 9 ] [ 10 ]過冷却のプロセスでは、水が純粋で核生成サイトがないことが求められます。これは、逆浸透や化学的脱塩などのプロセスで達成できますが、冷却自体には特別な技術は必要ありません。水を 10 6 K/s程度の速度で冷却すると、結晶核生成が回避され、水はガラス、つまり非晶質 (非結晶性) 固体になります。そのガラス転移温度ははるかに低く、決定が困難ですが、研究では約136 K (−137 °C; −215 °F)と推定されています。[ 11 ]ガラス状の水は、核生成を起こさずに約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、実験では結晶氷のみが見つかります。
過冷却状態の水滴は、層雲や積雲の中によく見られます。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するのを目撃します。適切な着氷防止システムが装備されていない限り、航空機の翼に氷が付着したり、計器やプローブが塞がれたりする恐れがあります。着氷性の雨も、過冷却状態の水滴によって引き起こされます。
過冷却とは反対のプロセス、つまり凝固点以上の温度での固体の融解ははるかに難しく、固体は一定の圧力下では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使用して融点が特定されます。論文の主題が「凝固点測定」であっても、実際の方法は「氷の形成ではなく消失を観察する原理」です。[ 12 ]一定の圧力下では、液体を沸点以上に過熱しても気化しない可能性があります。
過冷却と凝固点降下を混同してはいけません。過冷却とは、液体が凝固点以下に冷却されても固体にならない現象です。一方、凝固点降下とは、溶質の存在によって、溶液が対応する純液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これに該当します。
凝固時に発生する組成過冷却は、固体の組成変化によって生じ、固液界面の手前で液体を凝固点以下に冷却する現象である。液体が凝固する際、界面は不安定な場合が多く、組成過冷却を避けるためには、固液界面の速度を小さくする必要がある。
界面（位置 x=0）における液相線温度勾配が、加えられた温度勾配よりも大きい場合に、構成過冷却が観察される。
二元相図からの液相線勾配は次のように与えられる。したがって、二元合金の構成過冷却基準は、界面における濃度勾配を用いて次のように表すことができる。
平面界面の前方の濃度勾配は次式で与えられる。
どこは界面速度です。拡散係数、およびそしては、それぞれ界面における液体と固体の組成である（すなわち、)
平面界面の定常成長の場合、固体の組成は公称合金組成に等しくなります。、そして分配係数、は一定とみなせる。したがって、安定した固体界面を生成するために必要な最小温度勾配は次式で与えられる。
詳細については、[ 13 ]の第3章を参照してください。
特定の環境下で極低温に耐えるために、一部の動物は過冷却現象を利用して凍結せずに細胞の損傷や死を回避しています。液体状態を維持するのに役立つ技術は数多くあり、例えば、氷の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）の生成などがあります。 [ 14 ]ヒラメは、このようなタンパク質を利用して極寒の環境で生き延びる魚の1つです。肝臓は非束一性タンパク質を血流に分泌します。[ 15 ]他の動物は束一性不凍液を使用しており、体液中の溶質の濃度を高めて凝固点を下げています。生存のために過冷却に頼る魚は、氷核に接触するとすぐに凍結してしまうため、水面よりかなり深いところに生息する必要があります。生存のために過冷却を行う動物は、凍結の起点となる氷核形成物質を体から除去する必要もあります。過冷却は、昆虫、爬虫類、その他の変温動物種にも共通する特徴である。ジャガイモシスト線虫の幼虫（Globodera rostochiensis ）は、嚢胞が氷で覆われていても、 −38 °C（−36 °F）という低温まで過冷却状態で嚢胞内で生存することができる。
動物が融点よりどんどん低い温度になると、熱力学的に不安定な状態であるため、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のため、過冷却溶液が自然凍結する温度のことです。[ 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減らすことができます。過冷却は生存に不可欠ですが、多くのリスクが伴います。
植物は、冬の間もたらされる極寒の条件下でも生き延びることができます。北部の気候に生息する多くの植物種は、過冷却によってこれらの寒冷条件に順応することができ、そのためこれらの植物は-40 °C (-40 °F)という低温でも生き延びることができます。[ 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発生し、議論の余地はありますが、木部組織で始まり、植物の残りの全体に広がります。[ 18 ] [ 19 ]赤外線サーモグラフィーにより、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 ]
過冷却は氷核形成によって組織内での氷の形成を阻害し、細胞が水を液体の状態で維持することを可能にし、さらに細胞内の水が細胞外の氷から分離し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阻害し、水を過冷却組織に押し込む。 [ 21 ]植物の木部と一次組織は、細胞内の水の割合が大きいため、低温に非常に敏感である。北方の気候の多くの北方広葉樹種は、氷がシュートに広がるのを防ぐ能力があり、植物が寒さに耐えることができる。[ 22 ]過冷却は、常緑低木のRhododendron ferrugineumとVaccinium vitis-idaea、およびAbies、Picea、Larix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、細胞外の氷は植物の脱水を引き起こす可能性がある。[ 19 ]
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の状態を保つことができます。これは「擬似過冷却」と呼ばれ、過冷却ではなく、塩分の存在による凝固点低下の結果です。この状態は、南極周辺の海域で最もよく見られます。高圧下で棚氷の下面が融解すると、凝固点以下の温度の液体の融解水が生じます。核生成サイトがないため、水はすぐに再凍結しないと考えられています。 [ 24 ]これは、氷の結晶が機器上に容易に形成され、データ品質に影響を与える可能性があるため、海洋観測機器にとって課題となります。[ 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。
過冷却の商業的応用例の1つは冷凍です。冷凍庫は飲み物を過冷却レベルまで冷却できるため[ 26 ] 、開封するとシャーベット状になります。もう1つの例は、通常の冷凍庫で飲料を過冷却できる製品です[ 27 ] 。コカ・コーラ社は、英国ではスプライト、シンガポールではコカ・コーラが入った特別な自動販売機を短期間販売しました。これら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ようにしていました[ 28 ] 。
過冷却はマサチューセッツ総合病院/ハーバード大学医学部で臓器保存に成功裏に適用されました。後にレシピエント動物に移植された肝臓は、過冷却によって最大4日間保存され、従来の肝臓保存法で達成できる限界の4倍になりました。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例は、薬物送達です。2015年に研究者たちは特定の時間に膜を結晶化させました。液体カプセル化された薬物をその部位に送達し、わずかな環境変化で液体が急速に結晶形態に変化して薬物を放出することができます。[ 30 ]
2016年、アイオワ州立大学の研究チームは、熱に弱い電子機器を修理するために、過冷却された液体金属のカプセル化された液滴を使用することで、「熱を使わないはんだ付け」の方法を提案した。[ 31 ] [ 32 ] 2019年、同じ研究チームは、過冷却金属を使用して、極性（紙やゼリー）から超疎水性（バラの花びら）まで、金属よりも弾性率の低いすべての表面に固体金属相互接続を印刷できることを実証した。[ 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向けの拡散のための規則的なチャネルを構築できることを説明する経験的理論を提案した。この場合、電解質は固体電解質に匹敵する剛性構造を持つが、拡散係数は液体電解質と同じくらい大きくなる可能性がある。過冷却によって媒体の粘度は増加するが、拡散のための方向性のあるチャネルは開いたままになる。[ 35 ]
2017年、ハワイ大学マノア校の研究室は、パルス電場と振動磁場の組み合わせによって氷結晶の急激な核生成を防ぐことができることを実証した。鶏肉をこれらの場の存在下で-6.5℃（20.3°F）まで冷却したところ、冷凍されていない肉は著しい冷凍焼けを起こすことなく品質を維持していることが示された。[ 36 ]その後、魚や牛肉でも実験が行われ、同様の保存効果が観察された。[ 37 ] [ 38 ]
{{cite journal}}: CS1メンテナンス: アーカイブサービスは非推奨になりました (リンク)