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匀成核到过热冰融化的整个过程。冰在熔点以上30K左右的融化过程大致可分为以下四个阶段。 (1) 由于热波动，完美冰中缺陷对自发产生和破坏的阶段。淬火过程中形成的缺陷称为5+7缺陷。 (2) 一对缺陷偶然聚集在一起并导致约 10 个分子规模的结构紊乱的过程。在此过程中，可能会形成D-L缺陷对（Bjerrum缺陷）或I-V缺陷对（Frenkel缺陷）等拓扑缺陷。一旦形成，这些缺陷对就会在熔化过程中充当自动催化剂，加速结构变化并使其难以恢复到完美晶体。 (3)结构扰动逐渐累积，晶体内形成由数十个分子组成的熔滴。此时，拓扑缺陷不再重要，并且可以使用经典成核理论对熔化行为进行分类。 (4)当熔滴尺寸超过该温度下的临界核尺寸时，结构不可避免地发生塌陷。在冰融化的初始过程（1）、（2）中，有序不是由明显的结构无序（分子位置偏离晶格点）引起的，而是由拓扑无序（返回完美晶体结构的路径距离成为变量）引起的。 。这种机制被认为是网络物质中水所独有的。

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