水の相転移に関する理論研究

水的相变理论研究

• 批准号: 08J01618
• 负责人: 望月 建爾
• 金额: $ 0.38万
• 依托单位: Nagoya University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2008
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2008 至 2010
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-08J01618/
• 关键词: 氷; トポロジー; 均一核生成; 融解; 相転移; 液体構造; ダイナミックス; 分子シミュレーション

過熱状態の氷が均一核生成から融解に至る全過程を、分子動力学シミュレーションにより詳細に解析した。融点より30Kほど上での氷の融解過程は次の4段階に大別できる。(1)完全な氷の中に、熱揺らぎにより自発的に欠陥対が生成消滅する段階。こりときに形成される欠陥は5+7欠陥と呼ばれる。(2)欠陥対が偶然に集まり、10分子程度の規模の構造の乱れを生む過程。この過程では、D-L欠陥対(Bjerrum欠陥)あるいはI-V欠陥対(Frenkel欠陥)といった、トポロジー的な欠陥が形成される場合がある。これらの欠陥対は、一旦形成されると、構造変化を加速し、かつ完全な結晶に戻るのを難しくすることから、融解過程における自己触媒の役割を果たす。(3)構造の乱れが徐々に蓄積し、数十分子かちなる融液滴が結晶の中に形成される。この時点ではトポロジー的な欠陥は重要ではなくなり、融解の様相は古典的核生成理論で類型化できる。(4)融液滴の大きさが、その温度における臨界核サイズを越えると、構造の崩壊が不可避的に進行する。氷の融解の初期過程(1)(2)では、見掛け上の構造の乱れ(分子位置の格子点からのずれ)ではなく、トポロジー的な乱れ(完全な結晶構造に戻る経路の距離)が秩序変数となる。このようなメカニズムは、ネットワーク性物質の中でも水独特と考えられる。

使用分子动力学模拟详细分析了从均质成核到过热冰融化的整个过程。在熔点上方约30k的冰的熔融过程可以大致分为四个阶段。 （1）由于热波动而导致缺陷对自发形成并在完全冰中消失的阶段。在此过程中形成的缺陷称为5+7缺陷。 （2）缺陷对偶然地融合在一起的过程，在大约10个分子的尺度上引起结构性干扰。在此过程中，拓扑缺陷，例如D-L缺陷对（Bjerrum缺陷）或I-V缺陷对（Frenkel缺陷）。这些缺陷对在熔化过程中的作用起着熔化过程的作用，如一旦形成，可以加速结构性变化，并难以返回完美的晶体。 （3）结构干扰逐渐积累，晶体中形成了几十分钟的熔体液滴。在这一点上，拓扑缺陷不再重要，熔化方面可以用经典的成核理论来指示。 （4）当熔体液滴的尺寸超过其温度下的临界核心大小时，结构的崩溃不可避免地会进展。在冰融化（1）和（2）的初始过程中，拓扑混乱（路径距离返回完美的晶体结构）是阶变量，而不是明显的结构障碍（偏离了分子位置的晶格）。这种机制被认为是网络物质中水独有的。

项目成果

Microscopic Dynamical Mechanism of Ice Melting

冰融化的微观动力学机制

• 发表时间: 2008
• 作者: K. Mochizuki;M. Matsumoto;S. Saito;I. Ohmine
• 通讯作者: I. Ohmine