Observation of the structure and dynamics of water in aqueous alkaline chloride solutions under gigapascal pressure by neutron scattering

ギガパスカル圧力下におけるアルカリ塩の水溶液中の水の構造とダイナミクスの中性子散乱による観測

Jing, Z.*; 山口 敏男*; 服部 高典   ; 山田 武*; 玉造 博夢   ; 松浦 直人*; Zhou, Y.*

Jing, Z.*; Yamaguchi, Toshio*; Hattori, Takanori; Yamada, Takeshi*; Tamatsukuri, Hiromu; Matsuura, Masato*; Zhou, Y.*

一連のアルカリ塩化物水溶液に対して高圧中性子回折および準弾性中性子散乱実験を行い、圧力およびイオンによって引き起こされる水構造および拡散の変化が、それぞれ異なる物理的メカニズムに起因することを明らかにした。ギガパスカル級の圧力を加えると、イオンの種類にかかわらず、第2および第3配位殻の崩壊と格子間水分子数の増加により、水の四面体状水素結合ネットワーク構造がデンス・ランダム・パッキング構造へと変化する。これに対し、溶解したイオンは常圧下では第2配位殻を乱すものの、水本来の四面体状ネットワーク構造を維持する。常圧条件下でLiからCsにかけて見られた水の拡散に関する異常な傾向は、ギガパスカル級の圧力下では消失し、すべてのイオンが構造形成イオンの挙動を示す。

We conducted high-pressure neutron diffraction and quasielastic neutron scattering on a series of aqueous alkaline chloride solutions and clarified that the pressure- and ion-induced modifications to the water structure and diffusion originate from distinct physical mechanisms. Applying gigapascal pressure transforms the tetrahedral hydrogen-bonded network structure of water into a dense random packing, due to the collapse of the second and third coordination shells and an increase in the number of interstitial water molecules, regardless of the ion species. On the contrary, dissolved ions disturb the second shell but preserve the inherent tetrahedral network structure of water at ambient pressure. The anomalous trend of water diffusion from Li to Cs under the ambient conditions disappears under the gigapascal pressure, and all the ions show a behavior of structure-making ions.