水の多様性の発現機構

2002 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 14001001
• 研究機関: 名古屋大学
• 研究代表者: 大峰 巌 名古屋大学, 大学院・理学研究科, 教授 (60146719)
• 研究分担者: 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)
• キーワード: 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稼動機構 / pKwの温度依存性

研究概要

本研究で「水の多様な特性の発現機構」に関する次の3つの課題について研究を進めた。
(1)水の中の水素結合ネットワークの構造変化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の開発。即ち5次の非線形分光法の開発とその理論。
(2)水の氷化と、逆の氷から水への融解過程への分子論的機構の解明。
(3)超臨界水中の反応、またペーハーの変化の分子機構。
(4)生体高分子内でのプロトン移動機構の解明。
を行った。
(1)液体の位相空間ダイナミックスを探る実験方法論の開発をおこなった。すなわち熱振動に埋もれている最も大切な基本構造の変化を抽出し観測することが出来る新しい実験方法の原理、方法論を開発し、液体(水を含む)のダイナミックス特性が如何にその5次の非線形分光スペクトルに反映されるかを調べた。特に、スペクトルに節(Node)の存在がモードの緩和と非線形ダイナミックスに関係しているかを明らかにした。
(2)「水の氷化、また氷の融解の分子論的機構」を調べ、その相転移に関する自由エネルギー面を、各種オーダーパラメーターに対して投影し、その相転移に伴う、それらの物理的因子の変化のようすを明らかにした。さらに氷の融解に関して、その構造変化に伴うポテンシャルエネルギーの変化の様相、各種モードの立ち上がり、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)pKwが広範囲の熱力学的状態によって如何に変化するかを明らかにした。特に数百気圧程度の気圧下において、300〜1000Kの温度領域の水分子の自動解離の自由エネルギー変化を理論的に求め、pKwが300K〜500Kの間の温度の上昇とともに一旦低くなり、500K程度からその値は上昇し始め、特に650K以上では急激に上昇することを示し、その物理化学的原因を明らかにした。
(4)生体高分子中のプロトン移動機構を調べ、特に光中心における光誘起の電子移動後のプロトン移動過程をQM/MM法で解析し、蛋白質と水分子が作る水素ネットワークの局所構造変化と、系全体の大きな構造変化の関係、さらにプロトン移動に伴うポテンシャルエネルギーとその成分の変化の様相、などを解析した。

研究成果

• [文献書誌] S.Saito, I.Ohmine: "Off-resonant fifth-order response function for two-dimensional Raman spectroscopy of liquids CS2 and water"Phys.Rev.Lett.. 88. 207401-1-207401-4 (2002)
• [文献書誌] I.Ohmine M.Matsumoto, S.Saito, A.Baba, Y.Yonekura, S.Ogasawara, H.Inagaki, C.Kobayashi: "Landscape of Water Dynamics and Chemical Reactions""New Kind of Phase Transitions : Transformation in Disordered Substances" Kluwer Academic Publisher, London. 613-622 (2002)
• [文献書誌] T.Yagasaki, S.Saito, I.Ohmine: "A theoretical study on decomposition of formic acid in sub-and super-critical water"J.Chem.Phys.. 117. 7631-7639 (2002)
• [文献書誌] Hideki Tanaka, Udayan Mohanty: "On the Debye-Waller Factor of Hexagonal Ice : A Computer Simulation Study"J.Am.Chem.Soc.. 124. 8085-8089 (2002)
• [文献書誌] Hideki Tanaka, Yukako Amano: "Pressure-induced amorphization of clathrate hydrates"Mol.Phys.. 100. 2183-2188 (2002)
• [文献書誌] Kenichiro Koga, Guangtu Gao, Hideki Tanaka, Xiao C.Zeng: "How does water freeze inside carbon nanotubes?"Physica A. 314. 462-469 (2002)
• [文献書誌] Jan Slovak, Hideki Tanaka, Kenichiro Koga, Xiao C.Zeng: "Computer Simulation and Thermodynamics of Bilayer Ice"Physica A. 319. 163-174 (2003)
• [文献書誌] 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)