[論文レビュー] Evidence of a new quantum state of nano-confined water

George Reiter, А. И. Колесников+5 more|arXiv (Cornell University)|Jan 26, 2011

Quantum, superfluid, helium dynamics被引用数 9

ひとこと要約

本研究では、二重井戸ポテンシャル内の強い非調和性および量子コherenceによる脱局在化のため、バルク水とは著しく異なるプロトン運動量分布を示す、ナノスケール封入水中の新しい量子状態の直接的実験的証拠を提供する。主な発見は、20 Åスケールの封入状態において、ゼロ点運動エネルギーが最大±120 meVシフトすることであり、これは、炭素ナノチューブ、ナフィオン、およびプロトン交換膜を含む、広範な系で観察された、量子的性質が顕著に異なる新しい量子基底状態を示している。

ABSTRACT

Deep Inelastic Neutron Scattering provides a means of directly and accurately measuring the momentum distribution of protons in water, which is determined primarily by the protons ground state wavefunction. We find that in water confined on scales of 20A, this wave function responds to the details of the confinement, corresponds to a strongly anharmonic local potential, shows evidence in some cases of coherent delocalization in double wells, and involves changes in zero point kinetic energy of the protons from -40 to +120 meV difference from that of bulk water at room temperature. This behavior appears to be a generic feature of nanoscale confinement. It is exhibited here in 16A inner diameter carbon nanotubes, two different hydrated proton exchange membranes(PEMs), Nafion 1120 and Dow 858, and has been seen earlier in xerogel and 14A diameter carbon nanotubes. The proton conductivity in the PEM samples correlates with the degree of coherent delocalization of the proton.

研究の動機と目的

• ナノスケールの封入が水の中のプロトンの量子力学的挙動にどのように影響するかを調査すること。
• 封入された水における水素結合ネットワークが、古典的電気的モデルを超えた集団的量子効果を示すかどうかを特定すること。
• プロトン運動量分布、量子コherence、およびナノスケール封入系におけるプロトン電導度との関係を調査すること。
• 観察されたプロトン運動量分布の偏差が、バルク水とは明確に異なる新しい量子基底状態を示しているかどうかを確立すること。

提案手法

• 深角非弾性中性子散乱（DINS）を用いて、16 Å二重壁炭素ナノチューブ、14 Å単層ナノチューブ、ゼオゲル、および2種類のプロトン交換膜（ナフィオン1120およびドウ858）に封入された水のプロトン運動量分布を測定した。
• 実験はインパulse近似の下で実施され、散乱時間があまりに短いため、プロトンは衝突中、自由粒子として振る舞うとみなされ、散乱関数S(q,ω)から運動量分布n(p)を抽出できる。
• 散乱関数J(y)は二重微分断面積から導出され、yは運動量移動およびエネルギー損失に依存する次元なし変数であり、これにより運動量分布の逆問題が可能になった。
• データ収集はISISのVesuvio分光計を用い、48個の検出器が35°–75°の散乱角をカバーし、多重散乱およびガンマ線バックグラウンドの補正が施された。
• 運動量分布に一般化されたガウス関数と関連するラゲール多項式を適用したフィット：n(p) = (1/(√(2πσ)³)) exp(−p²/(2σ²)) × [1 + Σ aₙ(−1)ⁿ L₁/₂ⁿ(p²/(2σ²))] により、σおよび高次非調和性パラメータを抽出した。
• ゼロ点運動エネルギーはK.E. = (3ħ²/M)σ²として計算され、異なる試料間での量子エネルギーのシフトを比較可能となった。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 20 Åスケールのナノスケール封入は、バルク水とは根本的に異なる量子状態を水に誘導するか？
• RQ2 封入水中のプロトン運動量分布は、古典的電気的モデルが予測するものからどの程度ずれるか？
• RQ3 プロトン電導度と、プロトンの量子的コherenct脱局在化の程度との相関関係はいかほどか？
• RQ4 観察された運動量分布の偏差は、単粒子モデルで説明可能か、それとも多体量子相関が必要か？
• RQ5 封入水中のゼロ点エネルギーのシフトの大きさは何か？また、封入幾何学的形状や化学的環境に応じてどのように変化するか？

主な発見

• 170 Kにおける16 Å二重壁炭素ナノチューブに封入された水では、バルク水とは著しく異なるプロトン運動量分布を示し、σ = 5.97 Å⁻¹、ゼロ点運動エネルギーが221 meVに達する。これは強い非調和性を示している。
• 300 Kにおけるナフィオン1120では、σ = 6.28 Å⁻¹、K.E. = 245 meV、a₂ = 2.42を示し、顕著な量子非調和性および量子コherenceによる脱局在化が確認された。
• 300 Kにおけるドウ858では、σが最大の6.50 Å⁻¹、K.E.が262 meVに達し、a₂ = 2.70を示した。これは、量子コherenceによる脱局在化が最も強く、ナフィオンと比較して70%高いプロトン電導度と相関している。
• 封入水中のゼロ点運動エネルギーは、バルク水と比較して最大±120 meVのシフトを示しており、量子基底状態エネルギーの顕著な変化を示している。
• 観察された偏差は、単粒子モデルや単純なデバイ・ウォーラー要因の増加では説明できず、多体量子相関および水素結合ネットワーク内に存在する量子コherence長の存在を示唆している。
• SWNT、ゼオゲル、PEM、DWNTを含む複数の系で結果が一貫しており、この新しい量子状態はナノスケール水の封入の普遍的特徴であることが示された。