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Pressure-dependent structure of methanol-water mixtures up to 1.2 GPa; Neutron diffraction experiments and molecular dynamics simulations

1.2GPaまでの圧力に依存した液体メタノール-水混合系の構造; 中性子回折実験および分子動力学シミュレーション

Temleitner, L.*; 服部 高典; 阿部 淳*; 中島 陽一*; Pusztai, L.*

Temleitner, L.*; Hattori, Takanori; Abe, Jun*; Nakajima, Yoichi*; Pusztai, L.*

全組成域にわたるメタノール水混合系(CD$$_{3}$$OD-D$$_{2}$$O)の全構造因子を中性子回折により約1.2GPaまでの圧力で調べた。最も大きな圧力変化は、$$Q=$$ 5 $AA$^{-1}$$以下の範囲において、第一および第2ピークのシフトとして見られた。この変化の起源を明らかにするために、実験した圧力での分子動力学計算を行った。その結果、ピーク高はあまり再現できなかったものの、ピークシフトは、定量的に再現できた。圧力が隣接分子間の斥力に大きな影響を与えることを考慮すると、実験と計算の一致は満足できるものであると言える。圧力の局所構造への影響を調べるために、計算で得られた構造を水素結合に関係した部分動径分布関数や水素結合環状構造のサイズ分布の観点から解析した。その結果、水リッチおよびメタノールリッチな組成域で、構造の圧力変化に大きな違いがあることが分かった。

Total structure factors of per-deuterated methanol and heavy water, CD$$_{3}$$OD and D$$_{2}$$O, have been determined across the entire composition range at pressures of up to 1.2 GPa, by neutron diffraction. Largest variations due to increasing pressure were observed below $$Q=$$ 5 $AA$^{-1}$$, mostly as shifts of the first and second maxima. Molecular dynamics computer simulations been conducted at the experimental pressures to interpret neutron diffraction results. The peak shifts mentioned above could be qualitatively reproduced by simulations. In order to reveal the influence of changing pressure on the local intermolecular structure, simulated structures have been analyzed in terms of hydrogen bond related partial radial distribution functions and size distributions of hydrogen bonded cyclic entities. Distinct differences between pressure dependent structures of water-rich and methanol-rich composition regions have been revealed.

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