Study of hydrogen-bonding structure and dynamics at water and ice surfaces, and its application to complicated surfaces and interfaces

水和冰表面氢键结构和动力学研究及其在复杂表面和界面中的应用

基本信息

批准号：
21H01878
负责人：
石山達也
金额：
$ 11.15万
依托单位：
University of Toyama
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
财政年份：
2021
资助国家：
日本
起止时间：
2021-04-01 至 2026-03-31
项目状态：
未结题

项目摘要

水は溶媒として多くの化学反応において重要な役割を果たしている。水中での光化学反応など，その分子論的メカニズムを理解するためには，水の静的構造のみならず励起ダイナミクスを理解する必要がある。本研究は，これまでバルク水，あるいは空気/水界面のOH振動の緩和ダイナミクスを，第一原理分子動力学シミュレーションにより振動の自由度を一部拘束することで緩和経路を限定する方法により決定し成果をあげてきた。今回は，水の変角振動モードを励起し，その振動緩和ダイナミクスを第一原理分子動力学シミュレーションにより明らかにすることを目的とした。水の変角振動緩和を議論する実験として，これまで赤外ポンプ-プローブ分光法などが用いられてきた。これまでの研究では，変角振動の緩和経路としては，(1)分子内の回転(秤動)運動との非調和カップリングにより緩和するケース，(2)HOH変角振動の倍音とOH振動がカップリングして(Fermi共鳴して)緩和するケース，(3)分子間の変角振動がカップルして緩和するケース，がこれまで主に議論されてきた。過去の実験では，上記の中でも主に(2)や(3)の効果の重要性を主張した報告や，(1)の効果が支配的であることを報告があり，はっきりしたことが分かっていなかった。本研究では，これら(1)～(3)の緩和エネルギーの割合を第一原理分子動力学シミュレーションにより初めて定量的に評価した。純水系と同位体希釈系の両方の系に対して振動緩和経路を見積もったところ，どちらの系でも(1)の緩和経路が90%程度を支配することを明らかにし，同位体効果がほとんど見られないことを明らかにした。

水在许多化学反应中起着重要的作用。为了理解分子机制，例如水中的光化学反应，不仅有必要了解水的静态结构，而且要了解激发动力学。这项研究通过使用第一原理分子动力学模拟来确定散装水或空气/水接口处OH振动的松弛动力学来实现结果，从而通过部分限制振动的自由度来限制放松路径。这次，目的是激发水的可变振动模式，并通过第一原理分子动力学模拟来阐明其振动的振动弛豫动力学。红外泵探针光谱已用于讨论水角振动的松弛。先前的研究主要讨论了改变振动的放松途径：（1）谐波耦合与分子内部旋转（库）运动的谐波耦合放松，（2）HOH震动的振动的泛音改变的振动的泛音，而OH的振动是通过摩擦而放松的（fermi sosonance）的摩擦，以及（Fermi sosonance）的摩擦，以及（3）的情况下，以及（3）偶数。先前的实验主要报告说（2）和（3）的作用很重要，并且（1）的效果占主导地位，并且尚不清楚。在这项研究中，第一次使用第一原理分子动力学模拟对（1）至（3）中（1）至（3）中的弛豫能量进行了定量评估。当我们估计纯水和同位素稀释系统的振动弛豫途径时，我们揭示了（1）中的弛豫途径在两个系统中占主导地位约为90％，表明几乎没有同位素效应。