2020 Fiscal Year Annual Research Report
Hydrogen-bond dynamics and collective reorganizations in supercooled and glassy water
Publicly Offered Research
| Project Area | Aquatic Functional Materials: Creation of New Materials Science for Environment-Friendly and Active Functions |
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| Project/Area Number |
20H05221
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| Research Institution | Osaka University |
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Principal Investigator |
金 鋼 大阪大学, 基礎工学研究科, 准教授 (20442527)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | 過冷却水 / 高分子 / 水素結合 / 水和構造 / 分子シミュレーション |
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| Outline of Annual Research Achievements |
「凍らない水」における水素結合ダイナミクスを正しく評価する技術は水圏機能材料の開発において重要
要素である。しかしながら、過冷却水における液液転移を含めた水の異常性の起源そのものが基礎科学として未解決問題とされている。そこで分子動力学シミュレーションが主要な役割を果たし、多数の水分子が関与する水素結合ダイナミクスの解析に多くの注目が集まっている。本研究では、マルコフ状態モデルを利用して水素結合切り替え運動の遷移経路解析を行った。従来、マルコフ状態モデルは主に生体分子の構造変化ダイナミクスを評価するために利用される手法であるが、凝縮系の協同的運動に対して適用する研究はほとんどされなかった。本研究では、これを過冷却水へ適用し、3分子間の水素結合切り替え運動の温度依存性を評価した。状態間遷移行列を定量化し、マルコフ近似が成り立つ時間スケールにおいいて遷移経路分解をおこなった。切り替えの初通過時間は、水素結合1本の平均寿命と同様の温度依存性を示しており、本マルコフ状態モデルの妥当性が検証された。さらに水素結合切り替え運動の遷移経路の選択率を求めた。常温では二股水素結合状態を遷移状態として、水素結合アクセプター分子を切り替える運動が主要である。一方で、温度を低下させると、アクセプター分子が水素結合4本を持つ遷移経路の選択率は上昇し、それ以外の選択率は減少することがわかった。このことは過冷却状態では4面体ネットワークに沿ったアクセプター切り替えが際立つことを示唆するものである。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
成果として得た過冷却水における水素結合切り替え運動に対してマルコフ状態モデルを適用した研究は新規なものである。特に、切り替えの遷移経路を分子論的に明らかにする解析枠組を提示しており、これを一般の水圏機能材料における水素結合ダイナミクスへ展開することができる。
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| Strategy for Future Research Activity |
過冷却水をプロトタイプとしその水素結合切り替えの遷移経路を抽出する研究を、一般の水圏機能材料へ展開する。特に、高分子-水混合系では、水分子は高分子近傍で官能基と強く相互作用することにより、純水とは異なる動的挙動を示す。そこではガラス化と結晶化が競合しており、そこで水素結合ダイナミクスを正しく評価することは必要不可欠である。高分子官能基と吸着と乖離を繰り返す水の運動性を明らかにし、複数の分子が関与する協働的運動と巨視的な物性との関係を得ることを目指す。
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