Pressure-induced elongation of hydrogen-oxygen bond in sodium silicate melts

ナトリウムケイ酸塩融体における水素-酸素結合の圧力誘起伸長

大橋 智典*; 坂巻 竜也*; 舟越 賢一*; Steinle-Neumann, G.*; 服部 高典   ; Yuan, L.*; 鈴木 昭夫*

Ohashi, Tomonori*; Sakamaki, Tatsuya*; Funakoshi, Kenichi*; Steinle-Neumann, G.*; Hattori, Takanori; Yuan, L.*; Suzuki, Akio*

0-6GPa, 1000-1300Kのドライおよび含水NaSiO融体の構造と高温高圧から回収したガラスの構造をその場中性子回折及びX線回折により調べた。また、0-10GPa, 3000Kの融体の構造をab-initio分子動力学シミュレーションにより調べた。その場中性子実験から、-O-D-O-架橋種の形成によりD-O距離が圧縮とともに増加することが明らかになり、分子動力学シミュレーションでも再現された。圧力による-O-D-O-形成は、水素がより強固に取り込まれることを反映しており、実験的に観測されたケイ酸塩融体中の水の高い溶解度のメカニズムとして働く。一方、0-10GPa, 3000KにおけるドライNaSiOの圧縮は、Si-O-Si角の曲げに支配される。さらに、含水NaSiO融体の分子動力学シミュレーションから、圧力上昇とともに、2(Si-O + Na) Si-(O-Si-O) + 2NaおよびSi-O + Na + Si-OH Si-(O-H-O-Si) + Naで示される反応により、ナトリウムイオンがネットワーク修飾の役割を果たさなくなることを示唆している。

We explore the structures of dry and hydrated (HO and DO) NaSiO melt at 0-6 GPa and 1000-1300 K and glasses recovered from high pressure and temperatures by in-situ neutron and X-ray diffraction. The structures of the melts at 0-10 GPa and 3000 K are also investigated by ab-initio molecular dynamics simulation. In-situ neutron experiments revealed that the D-O distance increases with compression due to the formation of -O-D-O- bridging species, which is reproduced by the molecular dynamics simulations. The pressure-induced -O-D-O- formation reflects a more rigid incorporation of hydrogen, which acts as a mechanism for the experimentally observed higher solubility of water in silicate melts. Together with shrinking modifier domains, this process dominates the compression behavior of hydrous NaSiO melt, whereas the compression of dry NaSiO at 0-10 GPa and 3000 K is governed largely by bending of the Si-O-Si angle. The molecular dynamics simulations on hydrous NaSiO melts further suggest that the sodium ions are scavenged from its network-modifying role via 2(Si-O + Na) Si-(O-Si-O) + 2Na and Si-O + Na + Si-OH Si-(O-H-O-Si) + Na with increasing pressure.