超臨界流体3

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超臨界状態にある物質は、圧力を一定にして温度を変えるか、温度
を一定にして圧力を変えると、分子の分布状態に変化が起きる。圧
力を上げるか、あるいは温度を下げると、液体のようなクラスター
(分子が集まった状態)が成長し、反対にすると、クラスターは次第
に小さくなり、最後には気体のように分子同士がバラバラになる。

いいかえれば、温度や圧力によって、物質のクラスター状態をコン
トロールできるのだ。ところが、超臨界状態の中で、クラスターの
変化については、あまり多くのことは分かっていないという。そこ
にサイエンスの世界の大きな関心がある。

さらにいえば、こうしたクラスターの変化、つまり分子分布の極め
て大きな不均一性は、固体や液体、気体の状態では決して起こるこ
とはない。そしてこの不均一性が超臨界流体の特異な活性を生むと
いう。だからこそ、この活性を工業的な技術として役に立てること
ができないかという模索がある。エンジニアリングの世界が示す高
い関心の所以である。こうしたクラスターの変化、すなわち分子分
布の不均一性変化を｢密度ゆらぎ」と呼ぶ。

この密度ゆらぎ、つまり超臨界流体の分子分布状態の変化を、視覚
的に分かりやすく見せようとする装置を開発した人がいる。千葉大
学大学院自然科学研究科教授の西川恵子・理学博士である。下の図
はその装置の概念図をに示したものだ。

装置全体の模式図

高圧に耐える円筒形のステンレス筒に厚さ22mmのガラス窓が取り付
けてある。内部中央には攪拌のためのプロペラが取り付けられてい
る。この筒の中に試料である二酸化炭素を入れ筒の後方から白色光
を当て、レイリー散乱と呼ばれる光の散乱変化を観察することで超
臨界流体の密度ゆらぎを視覚的に見られるようにしたものである。

ここでいうレイリー散乱とは、光の波長に比べて非常に小さい粒子
に光が当たったとき、粒子が照射光の振動数と同一の振動数で振動
する電気的双極子となり、この双極子からあらゆる方向にその振動
数の電磁波が放射されて散乱光となるものをいう。この装置に即し
ていえば、光散乱は、試料である二酸化炭素の電子の固まりの偏り
によって変ってくる。その偏りは、実は分子分布の偏りであり、す
なわち分子分布の不均一性に直接結びついてくる。そして散乱する
度合いは、波長が短いほど散乱されやすくなる。

では、散乱の度合いは分子分布の不均一性と対応してどのように見
えてくるだろうか。下の連続写真をご覧いただきたい。

[１][２][３]
[４][５][６]

装置では、密度を一定にして試料の二酸化炭素の温度を調節してい
る。まず温度を上げて二酸化炭素を超臨界状態にする。このとき試
料は、可視光線を散乱させるほど不均一性は大きくなく透明にみえ
ている(写真１)。そして徐々に冷却していくと試料は臨界点に近づ
き分子分布の不均一性を上げてゆき、それに伴って可視光線付近の
波長の短い青色系の光の散乱を増していく。その結果として我々の
目には、青系色を散乱で失った光として、黄色から橙色、赤色への
色変化として映るのである(写真２･３･４)。

このことはまた、次のようにいうことができる。太陽光が大気層に
そってより長く空気中を射抜くように入ってくるとき、つまり朝や
夕方の低い位置にある太陽からの光が厚い空気層を通ってくるとき
青や紫色の光の大部分が散乱されて赤い色を多く含んだ光が目に入
ってくる。朝焼けや夕焼けはだから赤く見えるのだ。

この装置でも、同様に波長の短い紫色や青色の光を散乱した結果と
して赤への変化が生まれている。この変化を、｢夕焼け効果｣と呼ん
でいる。不均一性がさらに高まってくると、やがて試料は暗赤色を
見せてくるようになり、ついに臨界点のすぐ近くでは真っ黒に見え
るようになる(写真５)。これはすべての可視光線が散乱してしまっ
た結果である。そして次の瞬間、暗闇は一瞬にして晴れ、超臨界状
態から元の気体と液体に分離した姿に戻るのだ(写真６)。

[4]へ続く