Structure of water under high temperature and pressure

高温高圧下の水の構造

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

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

常圧での水は特異な性質を示すが、これらは水素結合によるネットワーク構造と関係している。われわれは水の構造の圧力変化を調べるために、X線回折実験をSPring-8の放射光とマルチアンビル型プレスを組合せて20GPaの圧力まで行った。これによって、融点直上では、約4GPaまで水分子の配位数が急速に増加することがわかった。高密度水の第一原理動力学シミュレーションも行った。得られた酸素間の動径分布関数は、実験結果とよく一致した。シミュレーションの結果から、水の構造変化には温度が重要であることが示されたため、4.1GPaまでで、温度を変化させたX線回折実験を行った。シミュレーションの結果は実験結果とよく一致した。これらの研究によって水素結合液体から単純な液体への構造変化が起きる領域が明らかになった。

Liquid water shows unique properties and they are related to the network structure formed by hydrogen bonds between water molecules. To study pressure dependence of structure of water, we measured X-ray diffraction of water up to 20 GPa using multi-anvil type presses in SPring-8. The coordination number of water molecules increased rapidly up to 4 GPa while maintaining the intermolecular distance. First-principles molecular dynamics simulations were also performed for high-density water. The obtained oxygen-oxygen radial distribution functions were in excellent agreement with the experimental results. Results of the simulations revealed that temperature was more important factor for the structural change. We have performed additional measurements at high temperatures. The calculated oxygen-oxygen radial distribution functions were again consistent with our experimental results. These studies clarified a pressure-temperature region where the significant structural change occurred.