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Nature of the physicochemical process in water photolysis uncovered by a computer simulation

計算機シミュレーションがみいだした水の光分解における物理化学過程の本質

甲斐 健師   ; 樋川 智洋   ; 鵜飼 正敏*; 藤井 健太郎*; 渡邊 立子*; 横谷 明徳*

Kai, Takeshi; Toigawa, Tomohiro; Ukai, Masatoshi*; Fujii, Kentaro*; Watanabe, Ritsuko*; Yokoya, Akinari*

水の放射線分解・光分解に関する新たな科学的知見は、放射線化学・放射線生物学を含む様々な研究分野の劇的進歩に必要不可欠である。水に放射線を照射すると、その飛跡上に沿って、反応性の高い水和電子が無数に生成される。水和電子は、発生した電子と水分子の運動が動的に相関し、形成されることは知られているが、その形成に至るまでの、電子の非局在化、熱化、分極メカニズムは未だ解明していない。本研究で独自に開発したコードを利用した解析結果から、これらの過渡的現象は、水特有の水素結合ネットワークに由来する分子間振動モードと、水和を進行する水分子の回転モードの時間発展に支配されるように進行することが明らかとなった。本研究によるアプローチは、水に限らず、様々な溶媒に適用可能であり、そこから得られる科学的知見は、放射線生物影響、原子力化学、放射線計測など幅広い研究領域へ適用されることが期待できる。

New insight into water radiolysis and photolysis is indispensable in the dramatic progress of sciences and technologies in various research areas. In the radiation field, reactive hydrated electrons are considerably produced along radiation tracks. Although the formation results from a transient dynamic correlation between ejected electrons and water, the individual mechanisms of electron thermalization, delocalization, and polarization are unknown. Using a dynamic Monte Carlo code, we show herein that the ejected electrons are immediately delocalized by molecular excitations in parallel with phonon polarization and gradually thermalized by momentum transfer with an orientation polarization in a simultaneous manner. Our results show that these mechanisms heavily depend on the intermolecular vibration and rotation modes peculiar to water. We expect our approach to be a powerful technique for connecting physical and chemical processes in various solvents.

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