[論文レビュー] Non-Brownian molecular self-diffusion in bulk water

Janez Stepišnik, Aleš Mohorič+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 6, 2010

NMR spectroscopy and applications参考文献 1被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、1 Hz から 100 kHz の周波数範囲で、ボイド水の速度自己相関スペクトルを測定するために、新規のNMRモジュレート勾配スピンエコー法を用い、非ブラウン運動的拡散ダイナミクスを明らかにした。結果は、水の水素結合ネットワーク内での一時的結合の切れ・再形成と関連する拡散分子との結合に起因する、温度依存性の遅い鎖状運動が存在することを示しており、単純なブラウン運動モデルの適用の限界を示唆している。

ABSTRACT

The paper presents the velocity autocorrelation spectrum of bulk water measured by a new technique of NMR modulated gradient spin echo method. This technique is unprecedented for the spectrum measurement in the frequency interval between a few Hz to about 100 kHz with respect to directness and clarity of results and shows that a simple model of Brownian self-diffusion is not applicable to describe the diffusion dynamics of water molecules. The observed temperature dependant spectra of water show the existence of a slow chain-like dynamics in water, which we explain by coupling of diffusing molecule to broken bonds in the hydrogen bond network.

研究の動機と目的

• 古典的ブラウン運動の仮定を越えて、ボイド水中の分子拡散ダイナミクスを調査すること。
• 既存のNMR技術が中間周波数ダイナミクス（1 Hz–100 kHz）を解像できないという限界を克服すること。
• 水の水素結合ネットワークの揺らぎが、液体水中の異常拡散に寄与するかどうかを特定すること。
• この周波数範囲で速度自己相関スペクトルを直接かつ高精度に測定可能な、新しいNMR手法の開発および応用すること。

提案手法

• ボイド水中の速度自己相関関数を測定するために、NMRモジュレート勾配スピンエコー法を用いる。
• 1 Hz から 100 kHz の周波数範囲で分子運動をプローブするため、周波数変調された磁場勾配を適用する。
• 高感度NMR検出を用いて、従来は到達不可能であった周波数窓における直接的で明確なスペクトル測定を実現する。
• 得られたスペクトルを分析し、ブラウン運動の挙動とは異なる振る舞いを同定する。
• 観測されたスペクトルを理論的モデルと比較し、水素結合ネットワークダイナミクスの果たす役割を評価する。
• 水素結合の切れ・再形成が拡散に与える影響を調査するため、温度依存測定に焦点を当てる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ボイド水中の分子拡散は、中間周波数においてブラウン運動モデルとは一致しない挙動を示すか？
• RQ2 水素結合ネットワークの揺らぎは、水分子の自己拡散ダイナミクスにどのように影響するか？
• RQ3 新規NMR手法は、1 Hz から 100 kHz の周波数範囲で、非ブラウン効果を検出可能な十分な明瞭度で速度自己相関スペクトルを解像できるか？
• RQ4 液体水中における拡散分子と破壊された水素結合との間の動的結合の性質は何か？
• RQ5 温度は、水中で観測される非ブラウン拡散の特徴にどのように影響するか？

主な発見

• ボイド水の速度自己相関スペクトルは、単純なブラウン運動拡散モデルの予測とは顕著に乖離している。
• スペクトルには、水分子の集団的または相関した運動を示す、遅い鎖状ダイナミックプロセスが観察された。
• 観察されたダイナミクスは、水素結合ネットワーク内での一時的結合の切れ・再形成と関連する拡散分子との結合に起因するとされる。
• スペクトルの温度依存性は、水素結合ネットワークの揺らぎが非ブラウン挙動の主要因であることを確認している。
• 新規のNMRモジュレート勾配スピンエコー法は、1 Hz から 100 kHz の周波数範囲で、これまでにない明瞭度で速度自己相関スペクトルを解像できた。
• 結果は、特に中間時間スケールにおいて、水の拡散が単純なブラウン過程で記述できるという従来の仮定に疑問を呈している。