water

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

氷多形の分子間振動運動の役割について III. 負の熱膨張に伴うモード特性

水を冷やすと4℃以下で膨張しはじめることは、水の変わった性質として有名ですが、0℃まで冷やすと氷になり、その先は冷やすほど体積は小さくなります。ところが、実は氷になってからも、温度を非常に低くすると、絶対温度60 K以下で再び膨張が始まります。この論文では、なぜ極低温の氷が膨張しはじめるのか、その機構を明らかにしています。氷と水はどちらも冷やすと膨張しはじめますが、そのメカニズムは全く異なります。 Tanaka, H., Yagasaki, T. & Matsumoto, M. On the role of intermolecular vibrational motions for ice polymorphs. III. Mode characteristics associated with negative thermal expansion. J. Chem. Phys. 155, 214502 (2021) https://doi.org/10.1063/5.0068560

水素無秩序氷の異常な均質性とその起源について

水素無秩序氷の中では、ひとつひとつの水分子はさまざまな方向を向いており、ある水分子と周囲の水分子の間の相互作用は引力(相互作用エネルギーが低い)の場合も斥力(同・高い)の場合もあります。ある水分子と、周囲の多数の水分子の間の相互作用は、すぐ近くにいる水分子の向きに最も大きな影響を受けそうに思えます。ところが、実際には、近くの水分子の向きが引力的であっても斥力的であっても、周囲すべての水分子との相互作用はほぼ同じ値になることが計算と実験から明らかとなっています。まるで、近距離にいる分子と遠距離にいる多数の分子が、互いに申しあわせて、全体としていつも同じエネルギーになるように調節しているように見えますが、そんな調節機構がどうやって氷の中に組み込まれているのでしょうか。これを謎解きしたのがこの論文です。 Matsumoto, M., Yagasaki, T. & Tanaka, H. On the anomalous homogeneity of hydrogen-disordered ice and its origin. J. Chem. Phys. 155, 164502 (2021) https://doi.org/10.1063/5.0065215

氷の結晶を生成する新アルゴリズム

我々のグループの新しい論文が出版されました。 氷の中に微量に溶けこんだ分子のふるまいを調べたり、新しい結晶構造を探す研究で、非常にたくさんの分子からなる氷の計算機シミュレーションの需要が高まっています。 通常の結晶とは異なり、氷の結晶のなかの水分子は向きがそろっていません。計算機シミュレーションで氷を扱う場合には、分子の向きがランダムになった結晶構造を適切に生成する必要があります。 我々は、新しい結晶構造生成アルゴリズムを考案しました。これまでの手法に比べて格段に速く、しかもその差は分子数が多い構造ほど際立ちます。原理的に、これ以上速いアルゴリズムは望めません。このアルゴリズムは、氷構造生成ソフトウェアGenIceの最新版で利用できます。 Matsumoto, Masakazu, Takuma Yagasaki, and Hideki Tanaka. 2021. “Novel Algorithm to Generate Hydrogen-Disordered Ice Structures .” Journal of Chemical Information and Modeling, https://doi.org/10.1021/acs.jcim.1c00440.

炭化水素ハイドレートのケージ占有率と解離エンタルピー

本研究では、クラスレート水和物の相平衡と解離エンタルピーを調べるために、クラスレート水和物の精緻な統計力学的理論を適用した。メタン,エタン,アセチレン,プロパン水和物の実験的な解離圧力は、私たちが提案した方法で十分に回復した。三相平衡条件に加えて、温度・圧力・組成空間における水/水和物及び水和物/ゲストの二相共存条件を推定した。その結果、相図中のゲスト分子の占有率と二相境界が、その大きさによって敏感に変化することが示された。ホスト分子とゲスト分子の相互作用から生じるエンタルピー成分を、対応する自由エネルギー値の温度依存性から個別に計算した。これにより、氷の融解のような共存相の相転移、特に三相平衡線に沿った相転移を考慮して、安定で準安定な熱力学状態での解離エンタルピーを評価することができる。 (DeepLによる機械翻訳) Tanaka, H, Yagasaki, T, Matsumoto, M., Cage occupancy and dissociation enthalpy of hydrocarbon hydrates., AIChE J. 2020;e17009. https://doi.org/10.1002/aic.17009

溶解度を再現するイオンモデル

古典的な非極性イオンポテンシャルモデルの多くは、NaClとKClの水への溶解度を大きく過小評価している。本研究では、SPC/E, TIP3P, TIP4P/2005の3つの水ポテンシャルモデルについて、希薄水溶液中の溶解度と水和自由エネルギーを再現するNa+, K+, Cl-のLennard-Jonesパラメータを決定した。また、溶液中のイオン-酸素距離、塩中のカチオン-アニオン距離もパラメータ化しています。目的とする物性に加えて、水和エンタルピー、水和エントロピー、自己拡散係数、配位数、格子エネルギー、溶液のエンタルピー、密度、粘度、接触イオン対の数を計算し、頻繁に使用されている、あるいは最近開発された17種類のイオンポテンシャルモデルと比較した。各イオンモデルの総合的な性能は、もともと水ポテンシャルモデルの比較のために開発されたスキームを用いて、グローバルスコアで表されます。グローバルスコアは、溶解度の予測が非常に優れているだけでなく、他の多くの特性について実験値からの偏差が比較的小さいため、我々のモデルが他の17のモデルよりも優れています。 (DeepLによる機械翻訳) T Yagasaki, M Matsumoto, H Tanaka, Lennard-Jones Parameters Determined to Reproduce the Solubility of NaCl and KCl in SPC/E, TIP3P, and TIP4P/2005 Water, Journal of Chemical Theory and Computation 16 (4), 2460-2473 https://doi.org/10.1021/acs.jctc.9b00941

氷多形における分子間振動運動の役割II：秩序・無秩序氷における原子振動振幅とフォノンの局在化

結晶性及び非晶質の19種類の氷の振動振幅とフォノン局在の程度を、信頼性の高い古典的な水の分子間相互作用モデルを用いた擬似ハーモニック近似により調べた。低圧氷では圧縮に伴って振幅が増加するが、中高圧氷ではその逆の傾向が観測された。低圧氷中の酸素原子の振幅は、ゼロ点振動の寄与を除けば、水素原子の振幅と変わらない。これは並進振動と回転振動が混在しており、コヒーレントではあるが逆位相の運動をしているためである。並進優位の運動と回転優位の運動がデカップリングされることで、どのような形の氷でも振動振幅が大幅に減少することがわかった。その結果、氷IIIの振動振幅は他の結晶氷と比較して非常に大きいことがわかった。振動モードの特性を調べるために、逆参加比と呼ばれる個々のフォノンモードの原子変位のモーメント比を計算し、結晶氷及びアモルファス氷におけるフォノンの局在化の程度を議論した。その結果、水素秩序氷のフォノンモードは、伝播性や拡散性を持って結晶全体に広がっているのに対し、水素秩序氷のフォノンモードは散逸性モードと呼ばれる振動帯の端に局在していることが明らかになった。低密度アモルファスや高密度アモルファスでは、酸素原子の無秩序化により局在化の度合いはあまり顕著ではないが、低密度アモルファスや高密度アモルファスでは、酸素原子の無秩序化により局在化の度合いが顕著になっている。(DeepLによる機械翻訳) Hideki Tanaka, Takuma Yagasaki, and Masakazu Matsumoto, On the role of intermolecular vibrational motions for ice polymorphs II: Atomic vibrational amplitudes and localization of phonons in ordered and disordered ices, J. Chem. Phys. 152, 074501 (2020). https://doi.org/10.1063/1.5139697