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分子動力学法によるNa型スメクタイトの層間水の振動スペクトルの研究

Study of vibrational spectra of interlayer water in Na-Smectite by means of molecular dynamics simulations

鈴木 覚; 河村 雄行*

not registered; Kawamura, Katsuyuki*

水-粘土混合系の分子動力学計算によりNa型スメクタイトの層間水の振動スペクトルと層間水の構造の関係について研究した。得られた計算結果は、赤外分光法によるスメクタイトの層間水の観察結果とよい一致を示した。水分子の分子内振動スペクトルは水素原子の速度自己相関関数をフーリエ変換することにより得られる。層間水の伸縮振動スペクトルには、3400cm-1に最大強度を持つ幅の広いピークと3650-3700cm-1周辺のやや鋭いピークにより構成される。前者の幅広いピークはバルク水のような水分子のO-H結合の伸縮振動に帰属され、一方、後者のピークはシロキサン表面に水素結合により配向したO-H結合に帰属される。酸素-酸素間の動径分布関数より水素結合距離を評価したところ、水分子とシロキサン表面の水素結合距離(3.0$$AA$$以上)は、水分子-水分子間のそれ(2.8$$AA$$)よりも大きいことがわかった。これらの結果は、水分子とシロキサン表面間の相互作用は、水分子を配向させる程度には大きいが、水分子-水分子間と比べると弱いということを示していると考えられる。

A correlation between molecular structure and a vibrational spectrum of interlayer water in Na-smectite was investigated by means of Molecular Dymamics (MDs) simulations. Detailed comparison of simulation results with IR spectroscopic observations for the water-smectite system indicated good agreement. Internal vibrational spectra of water were obtained by the Fourier transformation of velocty auto-correlation function of hydrogen atom. A stretching vibrational spectrum of interlayer water consisted of a broad band with a peak top around 3400cm$$^{-1}$$ and a sharp peak around 3650 to 3700cm$$^{-1}$$. The fomer broad band was assigned to O-H vibrations between water molecules as bulk water, while the latter band was attributed to O-H ones oriented to siloxane surface through hydrogen bonding. The hydrogen bond distance, determined as the shortest O-O distance by the radial distribution function (RDF), revealed that hydrogen bond distance between water and siloxane surface (O$$_{H2O}$$-O$$_{clay}$$ $$>$$ 3.0 $AA )was larger than that between water molecules (O$_{H2O}$$-O$$_{H2O}$$ = ca. 2.8 AA ). These results suggested that interaction between water molecule and siloxane surface weaker than that between water molecules, although they were forced to be oriented.

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