マイナス80℃における物質の物理

これは希望の光です。ファイザー社は、新型コロナウイルスワクチンの有効性が90%に達する可能性があると発表しました。これは、この厄介なパンデミックを乗り越える大きな助けとなるでしょう。しかし、落とし穴があります。このワクチンはmRNA（メッセンジャーRNA）をベースにしており、細胞核内のDNAを読み取り、その指示をタンパク質が生成される細胞質へと運びます。問題は、mRNAの寿命が通常短いことです。酸素と相互作用するか、折り畳まれて機能しなくなります。そのため、ワクチンに使用したい場合は、mRNAの寿命を延ばす必要があります。つまり、冷蔵保存する必要があります。本当に冷たく。この種のワクチンの標準的な保管温度は摂氏マイナス80度です。はい。つまり、冷たいものについて話さなければならないということです。さあ、始めましょう。

摂氏マイナス80度ってどれくらい寒いの？

摂氏温度単位にあまり馴染みがない方もいらっしゃるかもしれませんね。お察しします。正直なところ、華氏温度単位に特に問題はありません（ただ、スペルがどうしても思い出せないだけです）。摂氏温度単位の利点は、校正が簡単なことです。当初は、水の凝固点を0℃、沸点を100℃としていました。しかし、1℃という値は後に再定義され、ボルツマン定数（粒子の平均運動エネルギーと系の温度の関係を示す基本定数）から求められるようになりました。

対応する2つの温度値が℃と℉の両方で分かっている場合は、摂氏から華氏に変換する式を立てることができます。また、基本的な代数のスキルを使って、これを華氏での温度を摂氏に変換する式に置き換えることもできます。その2つの式を以下に示します。

つまり、気温を-80℃とすると、-112°F（華氏-112度）になります。確かにかなり寒いですね。でも、私のお気に入りの気温はマイナス40度です。-40度には2つの素晴らしい点があります。まず、摂氏か華氏かを指定する必要がありません。-40℃ = -40°F（華氏-40度）なので（ぜひご自身で確かめてみてください）。-40度の2つ目の素晴らしい点は、ホス（スター・ウォーズ V/帝国の逆襲）の地表温度だということです。ホスの温度については誰もが同意するわけではないかもしれませんが、これは「MythBusters」のスター・ウォーズエピソードで使われた値なので、私はこれで納得することにします。

どうやって物を摂氏マイナス80度まで下げるのですか?

何かを冷やす最も簡単な方法は、それよりも冷たい別の物体と熱接触させることです。しかし、-80℃より低い温度のものは見つからないかもしれません（ただし、一つ方法はありますが、これについては後ほど説明します）。つまり、別の冷却方法を使う必要があるということです。おそらく最も一般的な冷却方法は、冷蔵庫で使われている方法と同じです。輪ゴムを使った簡単なデモで、この仕組みを理解できます。さあ、輪ゴムを手に入れましょう。

さあ、輪ゴムを手に入れましょう（うまくいけば）。それを手で伸ばし、そのまま伸ばしたままにしておきます。伸ばした輪ゴムを唇に当ててみましょう（唇は温度変化にとても敏感です）。輪ゴムが室温よりも温かくなっているのがわかるはずです。輪ゴムを緩めずに、しばらく（少なくとも30秒）伸ばしたままにしておきます。すると室温まで冷めるはずです。次の段階が最高です。最後に輪ゴムを元の長さに戻します。唇に当ててみると、輪ゴムが冷たくなっているのがわかります。

では、何が起こったのでしょうか。輪ゴムを伸ばすと温かくなります。そのまま元の長さに戻しても、特に面白いことは起こりません。しかし、伸ばした輪ゴムを室温まで冷やすと、緩んだ状態に戻る際に温度は下がりますが、今度は室温よりも冷たくなります。

これはまさに冷蔵庫の仕組みです。ただし、ゴムバンドは使いません。冷蔵庫は冷媒と呼ばれる液体ガスを使います（冷媒には様々な化学物質が使えます）。まず冷媒をガス状から圧縮して液体にします。この圧縮によって冷媒は温まります。次に、圧縮された冷媒を冷蔵庫の外側で冷やします。そして、この冷媒を冷蔵庫の中に入れ、再びガス状に戻すと、室温よりもはるかに低い温度まで冷やされます。こうして食品を冷やすのです。

でも、ワクチン保管用の-80℃冷凍庫って何が違うの？通常の冷媒では、冷凍庫内の温度を-80℃まで下げるのはほぼ不可能なんです。その代わりに、冷媒を2セットも使う必要があるんです。冷凍庫の中に冷凍庫があるようなものです。外側の冷凍庫は、キッチンにある冷凍庫とほぼ同じです。内側の冷凍庫は、圧縮された冷媒（イソプロピルアルコールなど）を使って、通常の冷凍庫内で冷却できるようにしているんです。でも、コンプレッサーが2台あるから、コストが高くなるんです。あ、写真を見たいですか？

これはサウスイースタン・ルイジアナ大学の生化学研究室にある冷凍庫です。これでどんな様子かお分かりいただけたでしょうか。

ドライアイス

マイナス80℃で見つかるかもしれないものがあると言いましたよね。それはドライアイス、つまり固体の二酸化炭素です。ドライアイスを作るには、まず二酸化炭素ガスから始めます。この二酸化炭素ガスを冷却・圧縮して液体二酸化炭素にします。そして、この液体二酸化炭素を圧力から解放すると、再び気体に戻ります。しかし、この相転移によって温度も下がり、マイナス80℃で凍結して固体になるほど冷たくなります。

しかし、固体の二酸化炭素は大気圧（1気圧）では奇妙な挙動を示します。温められると、液体にならずに固体から直接気体へと変化します。これを昇華といいます。不思議な現象ですね。液体にならないので、濡れていないのです。そう、「ドライアイス」の名前の由来はここにあります。

H ₂ O にも同じことが起こりますか？はい。水の凝固点と融点は特定の温度で決まると考えがちですが、実際はそうではありません。また、圧力にも依存します。そこで、様々な化学物質の温度と圧力の関係をグラフ化すると分かりやすくなります。これを状態図と呼びます。H ₂ Oの場合は、この図のようになります。

この図にはたくさんのことが書かれていますが、いくつか重要な点を指摘しておきましょう。水平の点線を見てください。これは大気圧（地球の表面で私たちが生活しているときの圧力）に対応する線です。点線に沿った左側のグラフを見ると、これは冷たい物質で、水は固体（氷と呼びます）です。点Aは温度が0℃で、これは固体から液体への相転移の温度です。点Bは100℃で、これは液体から気体への相転移です。では、点Cはどうでしょうか？これは三重点と呼ばれています。圧力を下げると、固体、液体、気体のすべての相が同時に存在するようになります。水の場合、これは温度0.1℃、圧力0.006気圧です。とても面白いので、このビデオでご覧ください。

二酸化炭素がどのように異なるかは、状態図を見ればわかります。こんな感じです。

1気圧の点線を見ると、三重点より下になっています。これは、固体がすぐに気体へと相転移することを意味します。ドライアイスの現象はまさにこれです。しかし、圧力を5気圧程度まで上げると、固体の二酸化炭素が液相へと相転移を起こす可能性があります。おまけとして、この液体二酸化炭素をお見せしましょう。

やり方はこうです。ドライアイスを両端が密閉されたプラスチック容器に入れます。透明なプラスチック製のストローを使います。ドライアイスは温まると、ドライアイス特有の性質で気体に変化します。しかし、この二酸化炭素ガスは逃げ場がないため、ストロー内の圧力が高まります。最終的に圧力が上がりすぎて液体二酸化炭素になります。しかし、最終的には圧力が上がりすぎてストローが爆発します。大爆発ではなく、ただのストローです。さあ、見てください。

これ、本当にすごいと思うんです。普通、液体二酸化炭素って金属製の圧力タンクに入っていて、実際には見えないんですよね。少なくとも、この実験をする前は見たことがなかったんです。

しかし、COVID-19ワクチンはどうでしょうか?

そうです、まさに今私たちが直面している物流上の問題です。ワクチンを輸送し、配布できるよう保管するのは非常に困難です。そのためには、超低温冷凍庫とドライアイスでの保管を組み合わせる必要があります。いずれにせよ、このパンデミックを乗り越えるにはワクチンが本当に必要なようです。どんなヒーローにも相棒が必要ですが、今回の場合は超低温冷蔵という相棒が必要なのです。

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