水の動的構造と緩和モードの超低振動数ラマン分光による研究

1998 年度 研究成果報告書概要

• 研究課題/領域番号: 09304037
• 研究種目: 基盤研究(A)
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 一般
• 研究分野: 固体物性Ⅰ(光物性・半導体・誘電体)
• 研究機関: お茶の水女子大学
• 研究代表者: 冨永 靖徳 お茶の水女子大学, 人間文化研究科, 教授 (00013540)
• 研究期間 (年度): 1997 – 1998
• キーワード: 水 / 緩和モード / 動的構造 / 低振動数ラマン散乱 / 過減衰の極限 / 尖鋭化の極限 / 水溶液 / 有機溶媒

研究概要

1.水と同位体水の低振動数ラマンスペクトルの解析から、水分子間の変角振動(50cm^<-1>モード)はH_2O分子全体が動き、水分子間の伸縮振動モード(170cm^<-1>モード)は主に酸素原子が動いていることがわかった。また、水素結合の生成消滅に伴う水分子間の四面体的な構造ゆらぎの緩和が、室温で7cm^<-1>付近に見つかり、この緩和モードを多重二状態遷移模型(MRTモデル)の緩和関数で解析した。
2.四塩化炭素の低振動領域のラマンスペクトルは、Cole-Cole型の緩和モードでは再現できない。多重二状態遷移模型(MRTモデル)に基づいた緩和関数を用いると、この緩和関数だけでスペクトルが見事に再現された。このMRT緩和関数はTHz領域での慣性効果とメモリー効果が実効的に組み入れられているという意味で、緩和モードに対する全く新しいアプローチである。
3.水と電解質水溶液に対してMRTの緩和関数を用いて低振動数ラマンスペクトルを解析した結果、電解質の構造形成イオンと構造破壊イオンの効果が、熱浴側の揺らぎの相関の違いとして得られた。これは、ラマンスペクトルから熱浴側の揺らぎを得たと言う意味で、全く新しい知見である。また、水に対するMRTモデルの解析では、50cm^<-1>の振動モードが室温以上で消失した。この結果は、水の遠赤外吸収の実験結果と一致しており、ラマン散乱におけるTHz領域のダイナミクスに対して、新しい知見を与えるものである。
4.エチレングリコールに対して、超低振動領域までラマンスペクトルの測定と解析の結果、低振動数領域に2個の緩和モードが必要な事が明らかになった。このうち速い緩和モードはoverdamped limitとnarrowing limitが破れていることがわかった。これにより、THz領域での緩和に対する新しい知見を付け加えた。

研究成果

• [文献書誌] Y.Tominaga、A.Fujiwara and Y.Amo: "Dynamical Structure of Water by Raman Spectroscopy"Fluid Phase Equilibria. 144No.1. 323-330 (1998)
• [文献書誌] K.Mizoguchi、T.Ujike and Y.Tominaga: "Dynamical structure of water in NaCl aqueous solution"Journal of Chemical Physics. 109. 1867-1872 (1998)
• [文献書誌] Y.Amo、Y.Tominaga: "Low-frequency Raman Scattering of liquid CCL4、CHCL3 and acetone"Journal of Chemical Physics. 109. 3994-3998 (1998)
• [文献書誌] Y.Amo、Y.Tominaga: "Dynamical structure of water in aqueous solutions of LiCl、NaCl、and KCL by low-frequency Raman scattering :"
• [文献書誌] "comparison between multiple random telegraph model and Cole-Cole relaxation"Physical Review E. 58(6). 7553-7560 (1998)
• [文献書誌] T.Ujike、Y.Tominaga and K.Mizoguchi: "Dynamical structure of water in alkali halide aqueous solutions"Journal of Chemical Physics. 110. 1558-1568 (1999)
• [文献書誌] Y.Amo and Y.Tominaga: "Breakdown of narrowing limit in low-frequency Raman spectra of ethylene glycol"Physica A. 265. 410-415 (1999)
• [文献書誌] Y.Amo and Y.Tominaga: "Possibility of breakdown of overdanped and narrowing limits in low-frequency Raman spectra : Phenomenological band-shape"
• [文献書誌] "analysis using the multiple-random-telegraph model"Physical Review E. 60(2). 1708-1715 (1999)
• [文献書誌] Y.Amo and Y.Tominaga: "Dynamical structure of XCL(X=Li、Na、K) aqueous solutions by low-frequency Raman scattering : relation between 50cm ^<-1>Vibration mode and relaxation mode"Physica A. 275. 33-47 (2000)
• [文献書誌] Y.Amo and Y.Tominaga: "Low-frequency Raman study of water isotopes"Physica A. 276. 401-412 (2000)
• [文献書誌] Y.Amo and Y.Tominaga: "Low-Frequency Raman scattering of KOH and NaOH aqueous solutions"Journal of Raman spectroscopy. (in press). (2000)
• [文献書誌] 冨永靖徳: "水のラマン散乱と水素結合によるクラスター"日本結晶学会誌. 40. 95-100 (1998)
• [文献書誌] 天羽優子、冨永靖徳: "Breakdown of narrowing limit and overdamped limit of relaxation mode in low-frequency Raman Spectra :"
• [文献書誌] "-低振動数ラマン散乱で見る液体のダイナミクス-"物性研究. 73(4). 735-749 (2000)
• [文献書誌] 天羽優子、冨永靖徳: "低振動数ラマン散乱で見る液体の緩和と振動"日本物理学会誌. 55(3). 205-208 (2000)