Structure of water under high pressure and temperature

高温高圧下の水の構造

片山 芳則; 服部 高典   ; 齋藤 寛之; 青木 勝敏; 福井 宏之*; 舟越 賢一*

Katayama, Yoshinori; Hattori, Takanori; Saito, Hiroyuki; Aoki, Katsutoshi; Fukui, Hiroshi*; Funakoshi, Kenichi*

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。われわれは、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及びBL04B1に設置されている川井型プレスを用いて、液体の水のX線回折を17GPa間で融点直上で測定した。約5GPaまでは分子間の距離はほぼ一定のまま配位数が9程度まで急激に増加した。すなわち水の構造は圧力の増加とともに単純な構造へと変化する。その後は配位数はほぼ一定で分子間距離が減少することによって密度が増加することがわかった。

The unique properties of liquid water are related hydrogen bonded network structure. Simulation studies predicted drastic changes such as weakening of hydrogen-bonded network structure and molecular dissociation in a pressure range from a few GPa to a few tens GPa. We have measured in-situ X-ray diffraction of liquid water just above the melting temperature at pressures up to 17 GPa using a cubic-type multi-anvil press on BL14B1 beamline and a Kawai-type double-stage press on BL04B1 beamline at SPring-8 synchrotron radiation facility. Below 5 GPa, the coordination number of water molecules rapidly increased to about 9 while inter-molecular distance stayed almost constant. In other words, the local structure changed to a simple structure with increasing pressure. Above this pressure, the volume reduction was attributed to a decreased of inter-molecular distance.