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あまり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。
CH4-CO2二元系クラスレートハイドレートの相挙動について： 水相との平衡
我々のグループの新しい論文が出版されました。 我々は、対応する水和物と共存する水溶液状態におけるゲストの CH4および/または CO2の溶解度を探索する。平衡条件は、対分子間ポテンシャルを用いた統計力学的理論に基づき、ハイドレート中の水とゲスト種の化学ポテンシャルを計算することにより見積もった。これにより、二元系ハイドレートであっても、温度、圧力、ゲスト種の組成の広い範囲をカバーしながら、最小の計算コストで済む。ハイドレートの最も重要な特徴の一つである非化学量論的性質は、その相挙動やハイドレートの核生成の駆動力を評価する際に必ず考慮される。CO2ハイドレートに関する二相平衡は、水に対する CO2の溶解度が低いものの有限であることを考慮して評価される。有限な溶解度は、CO2ハイドレートの解離温度の小さな系統的な偏差をもたらすことがわかった。流体 CO2と共存する CO2の溶解度は温度とともに減少するが、ハイドレートの存在下では CH4の場合と逆の温度依存性が得られる。この方法を様々なゲスト組成の CH4-CO2二元水和物に適用した。また、平衡に関与する相の間でゲストの組成に大きな違いがあることも見いだした。 Hideki Tanaka, Masakazu Matsumoto, Takuma Yagasaki; On the phase behaviors of CH4–CO2 binary clathrate hydrates: Equilibrium with aqueous phase; J. Chem. Phys. 161, 214503 (2024). https://doi.org/10.1063/5.0244386
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。 岡山大学プレスリリース 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
ハイドレートの最後の基本構造を発見 (産総研)
我々が 2011 年に予測した、包接水和物の未知結晶構造が、実在することが確認されたようです。 産総研プレスリリース: ハイドレートの最後の基本構造を発見 Sanehiro Muromachi, Satoshi Takeya, “Discovery of the final primitive Frank-Kasper phase of clathrate hydrates”, Science Advances, published: July 24, 2024. DOI:10.1126/sciadv.adp4384 Matsumoto, M. & Tanaka, H. On the structure selectivity of clathrate hydrates. J. Phys. Chem. B 115, 8257–8265 (2011). DOI:10.1021/jp203478z
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。