水の結晶化ダイナミクスの統一的理解、反応経路の分岐と選択性

对水结晶动力学、反应路径的支化和选择性的统一理解

基本信息

批准号：
26888011
负责人：
望月建爾
金额：
$ 0.83万
依托单位：
Okayama University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Research Activity Start-up
财政年份：
2014
资助国家：
日本
起止时间：
2014-08-29 至 2015-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

氷は、温度・圧力に応じて、16 種類の結晶を形成する。これまでの研究では、氷I以外の結晶化過程は明らかになっていなかった。本研究は、氷I以外の結晶化過程を分子シミュレーションで再現し、そのメカニズムを明らかにする事を目的とした。本年度は、氷VIIの結晶化過程の詳細を明らかにすることができた。氷VII は、相図の最も広い面積を占め、液体領域と接している。酸素位置は、体心立方構造配置をし、水素は二つの独立な水素結合ネットワークを形成する。均一環境下において、乱雑な液体が、この非常に複雑な結晶構造を探し出す分子機構は、明らかではなかった。本研究は、10GPa, 425K における氷 VIIの均質核生成を分子動力学シミュレーション(温度・圧力一定、分子数 15000)で再現した。水のポテンシャルは、TIP5Pモデルを用いた。初期配置・運動量が異なる 40本の結晶化トラジェクトリを得て、解析を行った。エンタルピーの時間変化を調べたところ、氷VIIの結晶化が直接起こる場合と、段階的に起こる場合（オストワルド則）がある事を明らかにした。さらに、平均二乗変位と回転の自己相関関数の解析から、この準安定状態が結晶と液体の中間であるプラスチック相である事が分かった。プラスチック相では、酸素位置は固定されているが、水分子は自由に回転する事ができ水素位置は乱雑である。酸素だけに注目し構造解析を行った所、準安定氷の単位格子は 21分子で構成されており、これまで報告されていない新しい氷である事が分かった。以上、本研究は、氷VIIの結晶化経路には多様性があり、段階的に進む場合は、準安定氷を経由し、酸素位置の秩序化が起こったあと、水素結合ネットワークの形成が起こる事を明らかにした。

根据温度和压力，冰会形成 16 种晶体。先前的研究尚未阐明除冰I以外的结晶过程。本研究的目的是通过分子模拟再现冰I以外的冰的结晶过程并阐明其机制。今年，我们能够澄清 Ice VII 结晶过程的细节。冰VII占据相图面积最大，与液体区域接触。氧位置具有体心立方构型，氢形成两个独立的氢键网络。无序液体在均匀环境中寻找这种高度复杂的晶体结构的分子机制尚未阐明。在这项研究中，我们使用分子动力学模拟（温度和压力常数，分子数 15000）重现了冰 VII 在 10GPa 和 425K 下的均匀成核。 TIP5P 模型用于水势。获得并分析了四十种具有不同初始构型和动量的结晶轨迹。对随时间变化的焓变化的研究表明，冰 VII 结晶要么直接发生，要么分阶段发生（奥斯特瓦尔德定律）。此外，对均方位移和旋转之间的自相关函数的分析表明，这种亚稳态是介于晶体和液体之间的塑性相。在塑性相中，氧的位置是固定的，但水分子可以自由旋转，氢的位置是随机的。仅针对氧的结构分析表明，亚稳态冰的晶胞由 21 个分子组成，使其成为一种以前从未报道过的新型冰。如上所述，本研究表明，第七冰的结晶路径存在多样性，当它逐步进行时，氧位置通过亚稳态冰进行排序，然后形成氢键网络。