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Structure of liquid water under high pressure and high temperature

高温高圧下の液体の水の構造

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

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

液体の水は独特な性質を示す。これらの性質は水素結合によるネットワーク構造と関連付けられている。常温常圧では水分子の配位数は4に近い。これは液体金属や希ガス液体など単純な液体と比べると非常に小さい。われわれは高温高圧条件下で、融点直上の液体の水のX線回折をSPring-8のBL14B1のキュービック型マルチアンビルプレスを用いて9GPaまで、BL04B1の川井型プレスを用いて17GPaまで測定した。水分子の配位数は5GPaでは約10へと急激に上昇したが、分子間距離はほとんど一定であった。さらに圧縮すると、分子間距離の減少が起きて体積が減少した。比較のため、古典分子動力学シミュレーションを行った。その結果は実験結果をよく再現したが、圧力によって一致の程度は異なった。これらの結果と、これまでの中性子散乱,X線回折及び第一原理分子動力学研究の結果を比較する。

Liquid water shows unique properties and they are related to a network structure formed by hydrogen bonds. The coordination number of water molecules is close to 4 at ambient condition. We have measured X-ray diffraction of liquid water under high-pressure and high-temperature conditions just above the melting line up to 9 GPa using a cubic-type multi-anvil press on BL14B1 and up to 17 GPa using a Kawai-type press at BL04B1 at SPring-8. The coordination number of water molecules increased rapidly to about 10 around 5 GPa while the intermolecular distance was almost constant. On further compression, the volume was reduced through the decrease of the intermolecular distance. Classical molecular dynamics simulations were also performed for comparison. They well reproduced the experimental results although the degree of agreement depended on pressure. These results are compared with results of previous neutron scattering, X-ray diffraction and first-principles molecular dynamics studies.

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