水と氷と包接水和物

私の生活にかかせない水や氷のもつ奇妙な性質がどうして生まれるのか、そのしくみを明らかにします。

理論と分子シミュレーション

統計力学理論と計算機シミュレーションを駆使して、実験では見えない現象を調べ、実験に先がけて物質の性質を予測します。

身近な謎をときあかす

氷はなぜ水に浮くのか、地球が温暖化しても海が膨張しないのはなぜか、メタンハイドレートはなぜ海底でみつかるのか。 問いが簡単だからといって、答も簡単とは限りません。

正五角形のナノ氷結晶

我々のグループの新しい論文が出版されました。 多双晶ナノ結晶は、四面体の局所配置を優先的にとる物質ではよく見られるが、水の結晶ではまだ見られない。氷のナノ結晶は雲の微物理において極めて重要であり、結晶サイズが小さくなるにつれて、その表面は構造を決定する上でますます顕著になる。それにもかかわらず、ナノ結晶構造に関する議論は、主にバルクで観察される氷の多形、すなわち六方晶（Ih）、立方晶（Ic）、および積層無秩序（Isd）を中心に行われてきた。ここでは、分子動力学（MD）シミュレーションにより、数ナノメートルの大きさの液体の水滴から、氷の法則に反することなく十面体および二十面体のナノ結晶が形成されることを示す。mW モデルを用いて力ずくで自発結晶化を行い、TIP4P/Ice モデルを用いて熱力学的安定性を調べた。結晶化過程では、双晶境界の形成に先立ち、5 回対称性と正 20 面体対称性を示す中心が出現する。自由エネルギー計算から、二十面体は氷 Ih ナノ結晶と同等の安定性を持つことが示唆された。このような未報告の氷のナノ結晶が頻繁に出現することは、天然の多結晶雪の結晶が、隣接する枝の Ih c 軸間の角度が 70.5 度であることと一致する。さらに、フラーレン内で多双晶氷ナノ結晶の形成が促進されることを示し、実験的観測の可能性を提供する。 Zhang, X., Matsumoto, M., Zhang, Z. & Mochizuki, K. Multitwinned ice nanocrystals. ACS Nano (2024) . DOI:10.1021/acsnano.4c07226

研究室に新しいメンバーが加わりました

藪林さんと河原君が研究室の新たなメンバーに加わりました。共にサイエンスを楽しみましょう。

二酸化炭素とキセノンの結晶の安定性

我々のグループの新しい論文が出版されました。 我々は、単純な分子性結晶の相挙動を探索し、液体と比較した安定性メカニズムの分子基盤を調べる。Xe と CO2の面心立方結晶の自由エネルギーは振動子の集まりとして計算し、液体の自由エネルギーは分子動力学シミュレーションによる状態方程式から計算した。固体の振動自由エネルギーは調和項と非調和項に分離される。調和的自由エネルギーは体積の膨張に伴って大きく減少するが、非調和的自由エネルギーは正であり、体積とともに増加する。これはいずれもポテンシャル面が放物線曲線から外れることに由来する。非調和自由エネルギーは、その大きさはそれほど大きくなく、熱力学的に固体を不安定にするものの、力学的安定性を高める役割を果たす。 Tanaka, H. et al. Stability mechanism of crystalline CO2 and Xe. J. Chem. Phys. 161, (2024). DOI:10.1063/5.0223879

助成金を獲得

研究テーマ「機械学習による広域大気汚染予報システムの開発」に対し、天野工業技術研究所から、研究助成金を給付していただけることになりました。期間は 1 年(2024 年度)です。精進します。

氷の高次構造と均衡原理

我々のグループの新しい論文が出版されました。 氷の結晶構造の中に隠された「一筆書き」構造に注目し、それが氷にどのような変わった性質をもたらすかをいろんな角度から議論しました。 松本 正和、二井矢 圭佑(本研究室OB, 2022年度修士修了) 、田中 秀樹、氷の高次構造と均衡原理、日本結晶学会誌 2024 年 66 巻 1 号 p. 39-47. DOI:10.5940/jcrsj.66.39 DOI:10.5940/jcrsj.66.Cover1 表紙

Genice-core:水素無秩序氷を生成する効率的アルゴリズム

我々のグループの新しい論文が出版されました。 氷は通常の結晶とは異なり、ランダム性を含んでいるため、アンサンブル平均に基づく統計的な取り扱いが不可欠です。 氷の構造は、アイスルールとして知られるトポロジカルな規則によって制約されており、この規則が氷に独特の異常な性質を与えています。 このような性質は、システムサイズが大きい場合に顕著になります。 このため、均質にランダムで氷の規則を満たす、十分に大きな結晶を大量に生成する必要があります。 私たちは、イオンと欠陥を含む氷構造を迅速に生成するアルゴリズムを開発しました。 このアルゴリズムは独立したソフトウェアモジュールとして提供され、結晶構造生成ソフトウェアに組み込むことができます。 これにより、これまで不可能であったスケールの氷結晶のシミュレーションが可能になります。 Masakazu Matsumoto, Takuma Yagasaki, and Hideki Tanaka, GenIce-core: Efficient algorithm for generation of hydrogen-disordered ice structures, J. Chem. Phys. 160, 094101 (2024). DOI:10.1063/5.0198056 GenIce-coreリポジトリ