[論文レビュー] Water and ice structure in the range 220–365 K from radiation total scattering experiments

Alan K. Soper|arXiv (Cornell University)|Nov 5, 2014

Climate change and permafrost参考文献 2被引用数 7

ひとこと要約

本研究では、220–365 K の範囲で水および氷 I h の新しいX線および中性子散乱データを提示し、実験的径分布関数とよく一致するように、経験的ポテンシャル構造精製（EPSR）を用いて分子間ポテンシャルを導出している。解析により、液体および固体の水において、特に freezing point 近傍で直感的でない構造的挙動が明らかになった。これは、O-O、O-H、およびH-H相関における微細な変化を示している。

ABSTRACT

The past decade or so has witnessed a large number of articles about water structure. The most incisive experiments involve radiation with a wavelength compatible with the observed inter-molecular separations found in water, of order $\sim 3$A, in other words mostly $ $10keV x-rays. Because x-rays are scattered by electrons while neutrons are scattered by nuclei, the two probes give complementary information about the three site-site radial distribution functions for water, namely O-O, O-H and H-H. Here a version of Monte Carlo simulation called Empirical Potential Structure Refinement is used to devise an empirical intermolecular potential which attempts to drive the simulated radial distribution functions as close as possible to the data. New x-ray and neutron scattering data on water in the temperature range 280 - 365K are presented for the first time, alongside a new analysis of some much older neutron data on ice 1h at 220K. This temperature analysis, above and below the water freezing point of water, reveals some non-intuitive water properties in the liquid and solid states.

研究の動機と目的

• 凍結点付近の液体および固体相における水の分子構造をより深く理解すること。
• X線および中性子散乱データを統合することで、水の径分布関数に生じる矛盾を解消すること。
• モンテカルロに基づく精製法を用いて、実験的散乱データを正確に再現する経験的分子間ポテンシャルを開発すること。
• 古典的モデルからは直感的に理解できない、水および氷 I h の構造的異常を調査すること。
• 新しい実験的および計算的手法の視点から、220 K における古い氷 I h の中性子データを再分析すること。

提案手法

• 水および氷において、約3 Å の分子間距離をプローブするため、X線（約10 keV）および中性子を用いた放射線全散乱実験を実施した。
• 実験的径分布関数と一致するように、モンテカルロに基づく手法である経験的ポテンシャル構造精製（EPSR）を用いて、分子間ポテンシャルを最適化した。
• 散乱データから導かれたO-O、O-H、およびH-Hサイト間径分布関数を分析した。
• 280–365 K の新しいX線データと、220 K における氷 I h の再分析済み中性子データを組み合わせ、包括的な構造的比較を実施した。
• X線（電子散乱）と中性子（核散乱）の相補的性質を活用して、構造分解能を向上させた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 水の径分布関数は、凍結点付近の液体および固体相においてどのように変化するか？
• RQ2 X線および中性子散乱データを統合することで、水および氷 I h にどのような構造的特徴が明らかになるか？
• RQ3 経験的分子間ポテンシャルは、220–365 K の範囲で実験的散乱データをどの程度正確に再現できるか？
• RQ4 相転移中に、水および氷 I h においてどのような直感的でない構造的挙動が現れるか？
• RQ5 220 K における氷 I h の古い中性子データの再分析は、現在の氷の構造理解にどのように寄与するか？

主な発見

• 280–365 K の液体水における新しいX線散乱データにより、O-O、O-H、およびH-H相関の高分解能径分布関数が得られた。
• 220 K における氷 I h の古い中性子データの再分析により、新しい実験的フレームワークと整合する構造的詳細が明らかになった。
• EPSR 法により、温度範囲全域で実験的散乱データとよく一致する分子間ポテンシャルが成功裏に生成された。
• 液体および固体の水の両方で、特に凍結点近傍で直感的でない構造的変化が観察され、複雑な水素結合ダイナミクスを示唆した。
• X線と中性子散乱の相補的利用により、水の三サイト相関の径分布関数の決定精度が向上した。