Structure of water under high pressure and high temperature

高温高圧下の水の構造

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

Katayama, Yoshinori; Yagafarov, O.; Ikeda, Takashi; Saito, Hiroyuki; Aoki, Katsutoshi; Hattori, Takanori; 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まで水分子間の距離はほとんど変わらず、分子の配位数が急速に増加することがわかった。一方、高密度水の第一原理動力学シミュレーション結果から、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、比較的低圧で、温度を変化させたX線回折実験を行った。その結果は、温度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ことを支持するものであった。

Liquid water at ambient pressure shows unique properties and they are related to the network structure formed by hydrogen bonds between water molecules. To study structural change in the liquid water under high-pressure and high-temperature conditions, we have measured X-ray diffraction of liquid water just above the melting line up to 20 GPa. Up to 4 GPa, the coordination number increased rapidly while the intermolecular distance changed slightly. First-principles molecular dynamics simulations were also performed for high-density water. Results of the simulations in a wide pressure- temperature range revealed that temperature was more important factor for the crossover between the hydrogen-bonded and simple liquid-like liquids. We have measured X-ray diffraction of water as a function of temperature. The experimental results supported the results of the simulation.