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超高圧下の水の構造,2

Structure of water under ultra high pressure, 2

片山 芳則; 服部 高典   ; 福井 宏之*; 野澤 暁史*; 舟越 賢一*

Katayama, Yoshinori; Hattori, Takanori; Fukui, Hiroshi*; Nozawa, Akifumi*; Funakoshi, Kenichi*

液体の水は、水分子が水素結合によるネットワーク構造を作るため、特異な性質を示す。このような4配位が基本となった隙間の多い構造は、加圧によって密な構造へと変化することが期待される。われわれは、超高圧下の水の構造を調べるため、大型放射光施設SPring-8で高温高圧X線回折実験を行っている。前回は、ビームラインBL14B1に設置されているキュービック型マルチアンビルプレスを用いたX線回折実験から、水の構造が数GPaの領域で、剛体球モデルで近似できるような構造へと変化することを報告した。今回は、ビームラインBL04B1に設置されている2段加圧式の川井型プレスを用いて、圧力の上限を約17GPaまで拡張した回折実験を行った。比較的大きな試料(直径1.5mm)を使うことによって、超高圧力下においてもバックグラウンドが小さく、S/Nの高いデータを収集することができた。常圧の水は構造因子$$S(Q)$$に約2A$$^{-1}$$と約3A$$^{-1}$$の二つの極大を持つ。加圧とともにこの極大は近づき、単純な液体のような1本の鋭く大きなピークになる。さらに加圧すると、このピークの位置は次第に$$Q$$の大きな方向へと移動する。数GPa以下では、密度の上昇は主として配位数の増加によるが、それより高い圧力では分子間距離の減少によることがわかった。

Liquid water shows anomalous properties and these properties are attributed to a network structure formed by hydogen-bonded water molecules. Such an open strucutre due to the four-fold coordination is easily transformed to a denser structure by an increase of pressure. To study the structure of water under high pressure, we have carried out in-situ high-pressure high-temperature X-ray diffraction experiments in SPring-8, a large syncrotron radiation facility. In the previous study, we carried out X-ray diffraction measurements using a cubic-type multianvil press installed on BL14B1 and found that the structure of water changes to a simple structure which can be described by a hard shpare model. In this study, we used a Kawai-type double-stage press installed on BL04B1 and extended the maximum pressure to about 17 GPa. By using relatively large sample, 1.5 mm in diameter, high quality data with low background noise were obtained. The stcuture factor, $$S(Q)$$, at ambient pressure has two maxima at 2A$$^{-1}$$ and 3A$$^{-1}$$. With increasing pressure, these maxima merged and formed a sharp peak which is resembles that for a simple liquid. Futher compression shifted the peak to high-Q direction. The increase of density is attributed to an increase of coordination number up to a few GPa and then it is attributed to a decrease of inter-molecular distance at higher pressures.

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