Structure of water under high pressure

高圧下の水の構造

片山 芳則; 服部 高典   ; 齋藤 寛之; 福井 宏之*

Katayama, Yoshinori; Hattori, Takanori; Saito, Hiroyuki; Fukui, Hiroshi*

液体の水は特異な性質を示す。これは、水素結合によるネットワーク構造と関係がある。シミュレーションによる研究は、数GPaから数十GPaという圧力によって、水素結合ネットワークの弱化や分子解離といった大きな変化が起きることを予測している。最近の高圧技術の発展と放射光源及び中性子源の発展によって、このような圧力領域での構造変化の直接観察は非現実的ではなくなった。われわれは、日本の放射光施設SPring-8の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て、液体の水のX線回折を9GPa、420Cまで測定した。直径1.5mmという大きな試料サイズとダイヤモンド容器の利用によって、高圧セルからのバックグラウンドX線を試料からのX線回折より小さくすることができた。分子間の距離はほぼ一定のまま、水分子の配位数は約4GPaで10程度まで急激に増加した。水の構造は圧力の増加とともに剛体球モデルで記述できるような単純な構造へと変化していく。この結果は最近の中性子散乱研究の結果と一致している。

Liquid water shows unique properties and they are related to a network structure formed by hydrogen bonds. Simulation studies predicted that pressure induced drastic structural change, such as weakening of the hydrogen-bond network and molecular dissociation, in a pressure range from several GPa to several tens GPa. We have measured X-ray diffraction of liquid water up to about 9 GPa and 420C using a cubic-type multi-anvil press on BL14B1 at SPring-8, a synchrotron radiation facility in Japan. The coordination number of water molecules increases rapidly to about 10 around 4 GPa while the intermolecular distance was almost constant. The structure of water evolves toward a simple structure which can be described by a hard sphere model with increasing pressure. This result is in agreement with that of a recent neutron scattering study.