[論文レビュー] Comment on "Spontaneous liquid-liquid phase separation of water" by T. Yagasaki, M. Matsumoto and H. Tanaka, Phys. Rev. E 89, 020301 (2014)

David T. Limmer, David Chandler|arXiv (Cornell University)|Jun 10, 2014

Spacecraft and Cryogenic Technologies被引用数 3

ひとこと要約

このコメントは、谷崎らの過冷却水の分子動力学的シミュレーションの解釈に反論し、観察された密度揺動やドメインの粗大化が二つの異なる液体相または臨界性を示すものではないと主張する。代わりに、結果は、液体-液体臨界点や相間の有限な表面張力の証拠がない、準安定過冷却水におけるよく知られた粗大化ダイナミクスと整合している。

ABSTRACT

Yagasaki et al. present results from a molecular dynamics trajectory illustrating coarsening of ice, which they interpret as evidence of transient coexistence between two distinct supercooled phases of liquid water. We point out that neither two distinct liquids nor criticality are demonstrated in this simulation study. Instead, the illustrated trajectory is consistent with coarsening behaviors analyzed and predicted in earlier works by others.

研究の動機と目的

• 谷崎らのシミュレーション結果が、水の二つの異なる液体相を示すものではないことを明確にすること。
• 観察された密度揺動が液体-液体臨界点を示すという解釈に反論すること。
• 系の挙動が相共存ではなく、非平衡的粗大化ダイナミクスと整合することを主張すること。
• 別々の相が存在するためには必要不可欠な有限の表面張力が、データや先行理論的分析によって裏付けられていないことを強調すること。
• 観察された現象が、過冷却ST2水における氷核生成および粗大化の確立されたモデルと一致することを再確認すること。

提案手法

• 一定体積および粒子数条件下での過冷却ST2水の1 μs分子動力学的軌道の分析。
• リマーら（2013年）およびモリンエロらの先行理論予測と、観察されたドメイン揺動および界面ダイナミクスを比較すること。
• 時間スケール分離分析を用いて、初期段階の揺動と後期段階の長距離秩序化を区別すること。
• 界面特性、特に表面張力を評価し、相共存の有無を検証すること。
• ドメインサイズ分布および界面揺動の検査により、臨界的挙動の否定を図ること。
• 谷崎らが提供した可視化および動画を用いて、ドメインおよび界面の形態の動的進化を説明すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 シミュレーションで観察された密度揺動は、水の二つの異なる液体相の共存を示しているのか？
• RQ2 ST2水モデルにおける液体-液体臨界点の証拠は、このシミュレーションから得られるか？
• RQ3 観察されたドメインの粗大化は、相分離ではなく非平衡的ダイナミクスによって説明可能か？
• RQ4 表面張力が二つの液体相の共存に果たす役割は何か？
• RQ5 揺動の時間スケールおよび振幅は、確立された粗大化理論と整合しているか？

主な発見

• 二つのドメイン間の有限な表面張力の証拠は一切ない。これは、別々の液体相が存在するためには不可欠である。
• 観察された大きな界面揺動は、臨界点とは整合しない。臨界点では、さまざまなサイズの多数のドメインが存在する必要がある。
• 密度揺動の時間スケール（数ナノ秒）および長距離秩序化の時間スケール（1 μs後）は、先行する粗大化モデルの予測と一致する。
• 最終状態では、氷と液体の間で鋭く静止した界面が観察され、準安定系における相分離と整合的である。
• 系は非平衡的ダイナミクスを経て進化し、氷が低密度ドメインから核化する。これは以前の研究で予測されていた通りである。
• 結果は、二つの異なる液体相の共存ではなく、準安定過冷却液体における粗大化と完全に整合している。