サイエンスじゃないほうのお話です。

記録的な寒波の襲来が報じられているアメリカ中西部。いったい何が起きているのか科学的な意味で疑問を感じた人もいるかもしれません。でも今回は、化学的・生化学的な視点から温度変化によって起きることを読み解いていきます。

寒さによって、化学が違った作用をすることについて米Gizmodoに語ってくれたのは、インペリアルカレッジロンドンの計算化学者であるHenry Rzepa氏。スマホの動きから、地球の生命体の話まで...普段なかなか向き合う機会のないケミストリーの世界を覗いてみましょう。

温度変化で起きること

まずは、基本的なことから。そもそも温度とは、分子の平均運動エネルギーもしくは原子がどれほど揺れ動いているかによって決まります。化学は、温度やエネルギー、圧力などの影響を受け、新たな物質をつくりだすうえで結合と破壊をしながら原子がどのように相互作用するのかを研究する分野です。

分子の最もわかりやすい特徴として、温度が低下したときの相転移が挙げられます。これはすなわち、気体から液体へ、液体から固体へ、など物質の性質を変化させることができるのです。

We could watch this for hours. Watch as boiling water turns instantly into #snow in Ramsey, #MN. Be careful if you try this at home, but take a video and tag us if you do! pic.twitter.com/au8XFMYRDS — AMHQ (@AMHQ) 2017年12月27日

温度が低いと空気分子はゆっくり動きはじめ、路上の圧力が小さくなり、自動車のタイヤ空気圧を低下させます。水が凍り、空気中に含むことができる水蒸気の量も減ります。この状態がよくわかるのが、上の動画。熱から水滴が蒸発してもくもくと蒸気がわきあがりますが、空気が冷たすぎることから水蒸気を保つことができず、水滴が空気中で急速に凍結するという現象が起きるのです。

温度低下に耐えられない物質

ここまでで、温度変化によって物質のあり方がが変化することについて触れました。寒さに弱いのは生き物だけでないことは明らかです。塩素は-34度、プロパンガスは-42度で液化します。炭素系分子の混合物であるガソリンは-40度で凍結することができるといいます。

米軍が、特定のミサイルに対して華氏-65度（摂氏約-54度）程度まで機能できる液体燃料を求めていたことを米Gizmodoのメール取材で明かしたのは、ノルウェーにあるArctic University of NorwayのKathrin Hopmann氏とQuantum Molecular Sciences Hylleras Centerに勤めるJon Austad氏。地対空ミサイルなどのなかには、温度が低下すると使えなくなるものもあることを指摘しています。ほかにも、温度が下がると起きる不思議な現象があります。13度以下になると、スズは金属から脆い非金属物質に変わろうとするのです。温度が高いとそのプロセスには時間がかかりますが、おおよそ-30度になるとそのスピードは増すことになります。

｢これは Robert Falcon Scott氏による南極大陸への遠征が失敗に終わった原因のひとつである｣とHopmann氏、Austad氏はいいます。灯油が入ったスズのコンテナが空になったのは、おそらくスズペストが缶のなかで漏出したからではないかと考えられます。

寒すぎるとスマホが動かなくなるのはなぜか

基本的に、温度が高いとより速く動く分子間でより高いエネルギーの衝突を導き、化学反応のスピードも速まります。逆に、温度が低いと化学反応がゆっくりと起きるようになります。温度によってスマホが使えなくなることがあるのはそのためです。

温度が低いとリチウムイオンがバッテリーの電極間をゆっくりと伝導するようになる、とメリーランド大学の博士研究員であるXiao Ji氏は米Gizmodoに説明してくれました。Ji氏の研究チームは現在、低い温度で分子が通る電解液が固体化してしまう懸念についても取り組んでいるといいます。

化学的見地からいうと、約-37度であってもそれほど寒いわけではない、とRzepa氏はいいます。インペリアルカレッジで化学の研究に従事する研究者らの多くは、二酸化炭素が凍結する-78.5度の世界への関心が高いようです。 この温度だと室温で研究するには速すぎるような反応が、実験室内でコントロールできるようになるといいます。

電力などのエネルギーを使わず、研究室のなかで窓を開けて実験できるはいくつかあります。物理学でいわれる室温超伝導によって、温度が低いときある種の相転移が起きて電気抵抗がゼロの状態で電気が伝導する物質もあるのです。この室温超伝導が起きると、劇的なエネルギーコスト削減や量子コンピュータなどのテクノロジーを使った研究がますます実行可能になると考えられています。

ある最新の調査によると、水素化ランタンとよばれる物質が約-23度で超伝導になり得ることが発表されています。ただこれに関しては、地球の中心部にかかる圧力の約半分という超極度の圧力によってのみ、相転移が起きるとされているという点も見逃してはいけないポイントです。

最も身近な化学反応

体内で起きる化学反応については、どうでしょう。実際に、地球上の生きものが存続できる限界の気温に関する研究は行なわれていて、細胞内の化学反応は最適な温度で作用すること、また温度が低いと分裂が起きる可能性もあることがわかっています。私たちが食べ物を口にするのは、こうした化学反応を起こしたり体を温めたりするためですが、防寒具なしでは耐えられないのも事実です。

生き物の体温は基本的に、生存できるか、あるいは繁殖や消化など必要なプロセスが可能であるかといった要因で決まります。脊椎動物は比較的軟弱であるため、進化の過程で細胞を適温で温められるよう毛皮や羽毛に覆われたり、暖をとれる住処をつくったりする能力を持っています。

海洋生物は、水が完全に凍っていない状態の水温で淡水の場合は0度、海水では約-2度しか耐えられません。古いデータによると、顕花植物は-70度まで耐えられますが、0度以下になると繁栄はできなくなります。

バクテリアは気温が-20度以下になっても通常よりもゆっくりではありますが増殖することができると示唆する研究もあります。細菌や古細菌のほか、緩歩動物とよばれる微視的生物は、繁殖するのに最低0度必要ですが、-196度で凍ったあとでも生き延びることがわかっています。

｢これもあくまで地球における話｣と米Gizmodoに語るのは、フランスにあるストラスブール大学の化学者であるKamila Muchowska氏。極度の寒さに耐えられる生き物は、たとえば火星の塩を含む水辺など地球以外の環境でも生き延びれるのでしょうか...？

天気予報で｢氷点下｣という言葉を聞くだけでゾッと寒くなるという人もいれば｢ミネソタで-50度｣なんて聞くともはや想像の域を越えて思考停止してしまいそうになるという人もいるのでは。それでも、こうした数字は化学的にみるとむしろすがすがしいくらいの気温として捉えられるのだそうです。

...そんなことを知ってもやっぱり、さむいものはさむいですけどねぇ。