分子動力学法を用いた水の固液相変化のシミュレーションに関する研究

• Project/Area Number: 06650234
• Research Category: Grant-in-Aid for General Scientific Research (C)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Research Field: Thermal engineering
• Research Institution: Tokyo Institute of Technology
• Principal Investigator: 大河 誠司 東京工業大学, 工学部, 助教授 (60201373)
• Project Period (FY): 1994
• Project Status: Completed (Fiscal Year 1994)
• Budget Amount: ¥2,000,000 (Direct Cost: ¥2,000,000); Fiscal Year 1994: ¥2,000,000 (Direct Cost: ¥2,000,000)
• Keywords: 水 / 氷 / 融解 / 凝固 / 水素結合 / 分子動力学法 / シミュレーション / 圧力一定

Research Abstract

水は、ごく一般に見られる物質であり、人間を始めとする生物にとってなくてはならないものである。しかし、水は、密度の逆転があること、凝固に伴い体積が膨張することなど他の分子液体と比べて水素結合を原因とする特異な性質を持つ。単原子分子を扱った分子動力学法による解析は以前から多くの研究者等によって行われているが、水分子の様な多原子分子でしかも双極性を持ったものを扱った研究、特に固液間の相変化に関しては、まだ数が少ない。本研究は、水の特異な性質の一つである相変化(凝固・融解現象)のメカニズムを、分子レベルでのシミュレーションによりミクロ的に解明することを目的としている。
576個の水分子を氷の配置に置き、運動エネルギーを与えることにより何度で氷の配置が崩れるかを調べた。以前、体積不変の条件下で予備的な計算を行ったが、その際得られた融点は約420Kと高い値となっていた。これは、融解に伴い圧力が負圧となり、融解の進行を妨げたためであると考えている。そこで今回は、条件を圧力一定に変えて計算を行ってみた。その結果、融点は約310Kとなること、融解潜熱は1.3kcal/molとなること、体積は約一割減少することなどが分かった。これらは、マクロ的な値とほぼ一致している。また、固相及び液相状態の各温度における自己拡散係数、熱伝導率、液相状態の粘性係数を求め、これらもマクロ的な値に近いことを確かめた。
更に、液相状態の水の温度を凝固点以下まで徐々に下げていくことにより、2体位置相関関数が氷の配置構造状に近づくことが分かった。但し、今回は完全に凝固するところまでは至っていない。