2003 Fiscal Year Annual Research Report

水の多様性と発現機構

Research Project

Project/Area Number	14001001
Research Institution	Nagoya University
Principal Investigator	大峯巖名古屋大学, 大学院・理学研究科, 教授 (60146719)
Co-Investigator(Kenkyū-buntansha)	田中秀樹岡山大学, 理学部, 教授 (80197459) 斎藤真司名古屋大学, 大学院・理学研究科, 助教授 (70262847)
Keywords	水 / 水素結合ネットワーク / 揺らぎ / 非線形分光法 / 氷化と融解過程への分子論的機構 / 超臨界水中の反応 / 生体高分子内でのプロトン移動機構 / pKwの温度依存性
Research Abstract	「水の多様性の発現機構」に関して、次の4つの課題に挑戦してきた。 (1)水の中の水素結合ネットワークの構造変化の特性を調べ、それに伴う水の中の集団運動・揺らぎを観測するための新しい実験法を開発する。(2)水の相転移の分子論的機構、(3)プロトン移動や超臨界水中の反応など、水中の化学反応、(4)生体高分子内の反応に関して、反応の一意性が如何に生まれているか、その分子機構、の解明。 (1)高次非線形分光法の開発、その理論的基礎付けを行った。反応を引き起こす重要な揺らぎを観測することのできる多次元分光法(多時間相関を観測)、の開発を行い、2次元ラマンスペクトルの観測とそのシグナルの計算に初めて成功し、そのスペクトルの系のダイナミックスへの帰属を明らかにした。即ち非線形性とモードの緩和が如何に2次元ラマンスペクトルに反映されるかを示し、この分光法の有用性と限界を明らかにした。 (2)水の氷化のシミュレーションに成功し、水に特有な間欠的集団運動を示す運動の形態が氷化の初期核の生成に重要な働きをしているのをみつけた。特にその初期核の構造とその成長過程を詳細に解析し水の結晶化の分子論的機構を明らかにした。過冷却の水の水素結合ネットワークが空間的に非常に不均一に分布しており、それが時間とともに揺らいでいることを示し、その揺らぎの中で、低密度のアモルファス的構造が空間の一部に現れ初期核となり、その初期核が水素結合の長距離オーダー性による集団運動を伴って精晶化していく分子機構を明らかにした。特に、水素結合の長距離オーダー性が、アモルファス化と結晶氷化の分岐をいかにつかさどっているかを示唆した。さらに氷の融解過程のシミュレーションとその解析を行い、融解のきっかけとなる構造乱れの生成機構などを明らかにした。 (3)超臨界水中における水和と反応の関係を調べた。特に水の自動解離の温度変化を調べ、H^+,OH^-イオンまわりの水和が、一般常識とは異なり温度とともに(700Kまでは)エネルギー的に強くなることを、高温時における「新しいイオンの水和の機構」を明らかにした。さらに超臨界水中での有機反応における水和の役割を、ギ酸の分解反応を例として具体的に調べた。 (4)バクテリオ・ロドプシンや光合成中心、またイオンチャネルに於ける電荷移動反応の機構、水と揺らぎの役割を解析した。また、光活性イエロープロテイン(PYP)の光反応サイクルを明らかにする理論的研究を行った。

Research Products

(10 results)

All Other

All Publications (10 results)

[Publications] S.Saito, I.Ohmine: "Theoretical Study on nonresonant two-dimensional Raman spectroscopy of liquids"Time Resolved Vibratinal Spectrosocpy XI(Springer-Verlarg, New York). (In press). (2004)
[Publications] K.Yamamoto, T.Satoh, H.Okuno, K.Tominaga, S.Saito, J.Loughnane, A Scodinu, J.T.Foukas: "Terahertz Radiation Spectroscopy on Chloroform Confined in Porous Silica Glasses"Mat.Res.Soc.Symp.Proc.. 790. 7.29.1-7.29.6 (2004)
[Publications] S.Saito, I.Ohmine: "Off-resonant two-dimensional fifth-order Raman spectroscopy of liquid CS_2 : Detection of anharmonic dynamics"J.Chem.Phys.. 119. 9073-9083 (2003)
[Publications] K.Ohta, H.Maekawa, S.Saito, K.Tominaga: "Probing the Spectral Diffusion of Vibrational Transitions of OCN^- and SCN^- ii Methanol by Three-Pulse Infrared Photon Echo Spectroscopy,"J.Phys.Chem.. B107. 5643-5649 (2003)
[Publications] L.J.Kaufman, S.Saito, L.D.Ziegler, I.Ohmine, G.R.Fleming: "Heterodyne detected fifth-order nonresonant Raman spectroscopy of CS2 : Evidence for anharmonic coupling"Ultrafast Phenomena Eds.R.D.Miller, M.M.Murnane, N.F.Scherer, A.M.Weiner,(Springer, Germany,2003). 13. 554-556 (2003)
[Publications] Hideki Tanaka: "On the thermodynamic stability of clathrate hydrates."Can.J.Phys.. 81. 55-60 (2003)
[Publications] B.Bai, X.C.Zeng, Kenichiro Koga, Hideki Tanaka: "Formation of Quasi Two-dimensional Bilayer Ice in Hydrophobic Slits : A Possible Candidate for Ice XIII?"Mol.Simulations. 26. 619-626 (2003)
[Publications] Jaeil Bai, X.C.Zeng, Hideki Tanaka, J.Y.Zeng: "Metallic single-walled silicon nanotubes"Proc.Natnl, Acad.Sci.USA. 101. 2664-2668 (2004)
[Publications] Jan Slovak, Hideki Tanaka, Kenichiro Koga, Xiao C.Zeng: "Computer Simulation and Thermodynamics of Bilayer Ice."Physica A. 319. 163-174 (2003)
[Publications] J.Bai, C.Su, Ruben D.Parra, Xiao C.Zeng, Hideki Tanaka, Kenichiro Koga, J.-M.Li: "Ab initio studies of quasi-one-dimensional pentagonal and hexagonal ice nanotubes"J.Chem.Phys.. 118. 3913-3916 (2003)

2003 Fiscal Year Annual Research Report

水の多様性と発現機構

Principal Investigator

大峯 巖 名古屋大学, 大学院・理学研究科, 教授 (60146719)

Research Products

[Publications] S.Saito, I.Ohmine: "Theoretical Study on nonresonant two-dimensional Raman spectroscopy of liquids"Time Resolved Vibratinal Spectrosocpy XI(Springer-Verlarg, New York). (In press). (2004)

[Publications] K.Yamamoto, T.Satoh, H.Okuno, K.Tominaga, S.Saito, J.Loughnane, A Scodinu, J.T.Foukas: "Terahertz Radiation Spectroscopy on Chloroform Confined in Porous Silica Glasses"Mat.Res.Soc.Symp.Proc.. 790. 7.29.1-7.29.6 (2004)

[Publications] S.Saito, I.Ohmine: "Off-resonant two-dimensional fifth-order Raman spectroscopy of liquid CS_2 : Detection of anharmonic dynamics"J.Chem.Phys.. 119. 9073-9083 (2003)

[Publications] K.Ohta, H.Maekawa, S.Saito, K.Tominaga: "Probing the Spectral Diffusion of Vibrational Transitions of OCN^- and SCN^- ii Methanol by Three-Pulse Infrared Photon Echo Spectroscopy,"J.Phys.Chem.. B107. 5643-5649 (2003)

[Publications] L.J.Kaufman, S.Saito, L.D.Ziegler, I.Ohmine, G.R.Fleming: "Heterodyne detected fifth-order nonresonant Raman spectroscopy of CS2 : Evidence for anharmonic coupling"Ultrafast Phenomena Eds.R.D.Miller, M.M.Murnane, N.F.Scherer, A.M.Weiner,(Springer, Germany,2003). 13. 554-556 (2003)

[Publications] Hideki Tanaka: "On the thermodynamic stability of clathrate hydrates."Can.J.Phys.. 81. 55-60 (2003)

[Publications] B.Bai, X.C.Zeng, Kenichiro Koga, Hideki Tanaka: "Formation of Quasi Two-dimensional Bilayer Ice in Hydrophobic Slits : A Possible Candidate for Ice XIII?"Mol.Simulations. 26. 619-626 (2003)

[Publications] Jaeil Bai, X.C.Zeng, Hideki Tanaka, J.Y.Zeng: "Metallic single-walled silicon nanotubes"Proc.Natnl, Acad.Sci.USA. 101. 2664-2668 (2004)

[Publications] Jan Slovak, Hideki Tanaka, Kenichiro Koga, Xiao C.Zeng: "Computer Simulation and Thermodynamics of Bilayer Ice."Physica A. 319. 163-174 (2003)

[Publications] J.Bai, C.Su, Ruben D.Parra, Xiao C.Zeng, Hideki Tanaka, Kenichiro Koga, J.-M.Li: "Ab initio studies of quasi-one-dimensional pentagonal and hexagonal ice nanotubes"J.Chem.Phys.. 118. 3913-3916 (2003)

大峯巖名古屋大学, 大学院・理学研究科, 教授 (60146719)