高圧力下における単純分子ガラスの構造研究

高压下简单分子玻璃的结构研究

• 批准号: 22KJ0579
• 负责人: 趙 元晟
• 金额: $ 1.22万
• 依托单位: The University of Tokyo
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2023
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2023-03-08 至 2024-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-22KJ0579/
• 关键词: ガラス転移; 水素結合; 局所構造; X線散乱; 中性子散乱; 分子動力学シミュレーション; 分子ガラス; 高圧; 分子シミュレーション

昨年度の低温高圧下の放射光X線散乱実験（BL37XU, SPring-8）は圧力がかかりにくい問題が発生しまいました。今度は、最初からより高い圧力で実験しました。その結果、トルエン（235-300 K, 0.4 GPa）とグリセロール（225-300 K, 0.4/0.9 GPa）の低温高圧下のX線散乱実験に初めて成功しました。高圧力下で、両方とも、構造は温度依存性がほとんどないことが分かりましてた。さらに、BL04B2でグリセロールの大気圧の構造因子をTgの180 Kまで測定し、トルエンと違って、こちらは低圧でも、構造は温度依存性が殆どありません。X線は、グリセロールで重要な水素結合が直接見えない欠点があるため、JPARCの高圧回折ビームラインのPLANETで重水素化グリセロールの中性子構造因子を4.5 GPaまでの測定に成功しました。X線と同様、高圧力下で、第一ピークが小さくなり、第二ピークが大きくなることが分かりました。比較のため、重水素化エチレングリコールとメタノールの低温または高圧の中性子構造因子も測りました、エチレングリコールはグリセロールと似ていて、メタノールは異なる振る舞い（第一ピークが高くなる）がある結果になりました。解析の方で計算では、Data Assimilationと言う、実験データを使って、高速、高信頼度に緩和時間が長いガラス状態の構造シミュレーション方を開発しました。小分子系専用のNeural Network Potential - Data Assimilationシミュレーションのプログラムも書きまして、現在は三つのサンプルの詳しい構造シミュレーションを行っています。

去年的低温高压同步辐射X射线散射实验（BL37XU、SPring-8）存在施加压力困难的问题。这次我一开始就尝试了更高的压力。结果，我们首次成功地使用甲苯（235-300 K，0.4 GPa）和甘油（225-300 K，0.4/0.9 GPa）进行低温高压X射线散射实验。在高压下，两种结构都几乎没有温度依赖性。此外，我们在大气压下用BL04B2测量了甘油的结构因子，直至Tg为180 K，与甲苯不同的是，即使在低压下，其结构也几乎不依赖于温度。由于X射线的缺点是无法直接看到甘油中重要的氢键，因此我们在JPARC的高压衍射束线PLANET上成功测量了高达4.5 GPa的氘化甘油的中子结构因子。与X射线类似，我们发现在高压下，第一个峰变小，第二个峰变大。为了进行比较，我们还测量了氘化乙二醇和甲醇的低温或高压中子结构因子，导致乙二醇与甘油和甲醇相似，但具有不同的行为（我的第一个峰较高）。在分析和计算方面，我们开发了一种称为数据同化的方法，该方法使用实验数据以快速、可靠的方式模拟玻璃态的结构，并且弛豫时间较长。我还专门针对小分子系统编写了神经网络势-数据同化模拟程序，目前正在对三个样品进行详细的结构模拟。

项目成果

放射光X線回折による高圧下のトルエンとグリセロールの液体構造研究

利用同步辐射 X 射线衍射研究高压下甲苯和甘油的液体结构

• 发表时间: 2022
• 作者: 趙元晟;秋葉宙;河野義生;近藤望;尾原幸治;新田清文;関澤央輝;山室修
• 通讯作者: 山室修