高圧高温下の水の構造

Structure of water under high pressure and high temperature

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*

常温常圧の液体の水は、水分子が方向性を持つ水素結合によってネットワーク構造を作るため、他の分子性液体とは違った特異な性質を示す。このような4配位構造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と期待される。われわれは前回に引き続き、より高い圧力までの構造変化を調べるため、放射光を用いたX線その場観察実験を行った。これまでのSPring-8のBL14B1に設置されたキュービックマルチアンビルプレスを用いたX線回折測定に加え、BL04B1の川井型の2段式プレスを用いることによって約17GPaまでの測定に成功した。直径1.5mmの比較的大きな試料を用いることによって、バックグラウンドの低い質の良いデータを得ることができた。常圧の構造因子S(Q)は2Aと3Aに二つの極大を持つ。圧力を加えると、これらの極大は融合し、単純な液体の構造因子に似た一つの鋭いピークになる。さらなる加圧によって、このピークはQの高い方向へと移動する。密度の増大は、数GPaまでは配位数の増大によるものだが、それ以上の圧力では、分子間距離の減少によって引き起こされることが明らかになった。

Liquid water shows anomalous properties and these properties are attributed to a network structure formed by hydogen-bonded water molecules. 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. In addition to the previous X-ray diffraction measurements using a cubic-type multianvil press installed on BL14B1, measurements up to about 17 GPa were successfully carried out using a Kawai-type double-stage press installed on BL04B1. The stcuture factor, , at ambient pressure has two maxima at 2A and 3A. 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 larger-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.