분자 수준에서 얼음을 녹이기 시작하는 "트리거"를 성공적으로 설명했습니다

2013 년 6 월 20 일

○ 원본 기사 : 균질 한 펜던트 슬롯 용해의 제어 단계로서의 결함 쌍 분리
○ 잡지 이름 게시 :자연이 연구는 2013 년 6 월 20 일에 Nature Magazine의 표지를 장식했습니다

[논문의 모든 저자]
Mochizuki Kenji
(물리학 대학원 물리 대학원, 물리 대학원 대학원 기능 분자 과학과 4 학년 박사 과학 프로그램)
Matsumoto Masakazu
(펜던트 슬롯, 자연 과학 대학원 부교수)
omine iwao
(분자 과학 연구소의 교수 및 이사, 통합 연구 대학원, 물리 과학 대학원, 물리 과학 대학원의 교수 (결합 된 직책)

[연구 내용]
1. 소개
펜던트 슬롯은 일반적으로 용융점에서 용기의 벽과 표면에서 녹기 시작합니다 (1 대기에서 0 ° C) (불균일 한 용융). 대조적으로, 인터페이스가없는 이상적인 환경에서, 균질 용융이라는 현상이 발생하며, 여기서 펜던트 슬롯 자체는 자발적으로 결정 구조를 방해하고 녹는 방아쇠를 만듭니다. 친숙한 예에서, 펜던트 슬롯에 강한 빛이 펜던트 슬롯에 적용될 때, 그것은 표면뿐만 아니라 내부에서도 녹고 녹은 액체 물은 펜던트 슬롯에서 눈송이와 비슷한 chindal 동상이라는 모양을 형성합니다 (그림 1). 내부 에서이 용융은 인터페이스가없는 이상적인 환경에 해당합니다. chindal 동상은 펜던트 슬롯 꽃으로도 알려져 있습니다.
얼음 의이 균질 한 용융은 소위 1 차 위상 전이 인 가장 중요한 물리학 및 화학 현상 중 하나입니다. 각각의 물 분자는 4 개의 인접한 물 분자와 4 ​​개의 수소 결합을 형성하고,도 2에 도시 된 바와 같이, 이는 규칙적인 순서를 유지하는 매우 안정적인 수소 결합 네트워크 구조를 형성한다. 반면에 액체 물은 여전히 ​​수소 결합을 가지고 있지만 더 지저분하고 무질서한 구조를 가지고 있습니다 (그림 3). 균질 용해에서, 얼음의 안정적인 구조를 방해하고이를 지저분한 액체 물 구조, 특히 순서 대기를 시작하는 "트리거"로 변형시키는 메커니즘은 지금까지 미스터리로 남아있었습니다.
이번에는 Mochizuki Kenji (5 년째, 물리학 대학원, 4 학년, 4 학년, 일관된 물리 과학)의 일관된 박사 학위 프로그램)는 분자 수준에서 세부적으로 균질 용융의 초기 과정을 성공적으로 언급 한 최초의 최초였습니다.

2. 연구 방법
이 연구는 분자 역학이라는 컴퓨터 시뮬레이션 기술을 사용하여 펜던트 슬롯의 용융 과정을 재현했습니다. 특히, 우리는 펜던트 슬롯 구조의 난기류의 크기를 측정하기위한 새로운 척도를 개발하고 물리 화학 물리학 물리 화학 물질을위한 다양한 이론적 계산 방법을 사용하여 분석했습니다.

3. 연구 결과
이 연구에서, 우리는 펜던트 슬롯 구조의 파괴의 초기 발생률에서 성장, 궁극적으로 대규모 구조적 붕괴에 이르기까지 과정을 자세히 따랐다. 결과적으로, 펜던트 슬롯의 용융 과정은 지금까지 고안된 간단한 경로보다는 어떤 종류의 격자 결함 쌍의 형성 및 분리와 같은 트위스트와 회전을 겪은 복잡한 과정 (그림 5)을 거치지 않으면 서 녹을 수 없다는 것이 밝혀졌습니다.
물 분자 사이의 수소 결합 에너지는 매우 강력하므로 온도로 인해 구조의 변동으로 인해 몇 가지 결함이 생성 되더라도 곧 안정적인 얼음 구조로 돌아갑니다. 그러나 일단 격자 결함 쌍이 분리되면, 이러한 결함 쌍을 지우고 완전한 얼음 구조로 되돌려서 실이 얽히고 원래 상태로 복원하기가 어려워서 "수소 결합 네트워크의 얽히기"가 어렵다. 이 결함 쌍은 결정에 "침습적 결함"으로 계속 존재하며, 수소 결합 네트워크의 재조합을 활성화함으로써, 우리는이 쌍이 얼음의 강한 수소 결합 네트워크 구조의 붕괴로 이어지는 "트리거"가 될 수 있음을 발견했다.

4. 미래 개발 및 파급 효과
이 연구는 물리 화학의 가장 기본적인 문제를 명확히하기 위해 도전했다. 이 결과는 가장 친숙한 물질 인 물을 대상으로 "물질의 단계"가 바뀌는 원인에 대한 가장 기본적인 질문에 대한 해결책을 제공합니다. 이러한 기본 연구의 결과는 즉시 "유용하지 않습니다". 그러나 분자 수준에서 광범위하고 보편적 인 물리적 현상을 설명하고 오늘날 전자 제품을 지원하는 실리콘과 같은 다양한 다른 재료의 구조적 변화 메커니즘을 명확히하는 데 도움이됩니다. 물 자체는 또한 우리의 삶에 필수적입니다. 예를 들어, 주변 물은 또한 단백질의 생리적 기능에 기여하는 것이 제안되었다. 물의 구조적 변화에 대한이 연구는 "생명의 메커니즘"을 명확히하는 데 도움이 될 수 있습니다.




그림 1 : 펜던트 슬롯의 내부 용융에 나타나는 chindal 동상의 사진. 단결정 펜던트 슬롯 내부에서 녹을 때 나타나는 것으로 보입니다. 사진의 로쿠카 패턴은 용융에 의해 생성 된 액체 물이며 주변 지역은 펜던트 슬롯 결정입니다. chindal 동상의 크기는 약 5mm입니다.
(신용 : Nakaya Ukichiro 's Snow Science Museum)



그림 2 : 펜던트 슬롯 결정의 분자 구조. 빨간색은 산소 원자를 나타내고 흰색은 수소 원자를 나타냅니다. 흰색 선은 분자 내의 산소와 수소 사이의 결합을 나타내고, 연한 청색 선은 분자들 사이의 수소 결합을 나타낸다. 각 분자는 주변의 4 개의 분자와 4 ​​개의 수소 결합을 형성합니다. 6 개의 물 분자는 고리를 형성하여 매우 순서가 큰 구조입니다.
(신용 : Soken University, Okenama University, Molecular Research Institute)



그림 3 : 액체 물의 분자 구조. 색상은 그림 2에서와 동일합니다. 펜던트 슬롯과 달리 지저분한 구조가 있습니다.
(신용 : Soken University, Okenama University, Molecular Research Institute)



그림 4 : 분리 된 결함 쌍의 전형적인 구조. 파란색과 빨간색으로 둘러싸인 왼쪽과 오른쪽은 중앙 그림에서 결함 쌍의 주변 구조를 확대했습니다. 왼쪽의 결함을 침습적 결함이라고하며 결정에 하나의 추가 분자를 포함합니다. 오른쪽의 결함을 빈 결함이라고하며 결정 지점에 위치 해야하는 분자는 누락됩니다. 두 결함은 쌍으로 생성되며 프렌 켈 결함이라고합니다.
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결함 쌍 이외의 부품은 순서 대통령 얼음 구조 (중앙 다이어그램)를 유지한다는 것을 알 수 있습니다. 이 결함을 제거하기 위해서는 결합을 깨고 중앙 다이어그램에서 주황색 화살표의 경로를 따라야합니다. 이런 식으로, 특정 경로를 통과하지 않고는 완벽한 결정 구조로 돌아갈 수없는 상태는 "실의 엉킴"(연구 내용)으로 묘사됩니다. 얼음 결정에는 다른 많은 유형의 결함이 있지만,이 연구는 세계에서 처음 으로이 결함이 녹는 것을 유발 하고이 결함이 녹는 이유를 물리적으로 설명한다는 사실을 밝혀 냈습니다.
(신용 : Soken University, Okenama University, Molecular Research Institute)



그림 5 : 용융 과정의 개략도. 결정 지점에서 멀리 떨어진 분자 (결함 분자)는 밝은 색이며, 그들이 생성 한 수소 결합은 빨간색 선으로 표시됩니다. 그림과 유사합니다. 도 4, 완벽한 결정 구조로 돌아가는 경로는 오렌지 화살표로 표시됩니다. 먼저, 구조 (a)와 같은 결함있는 분자를 함유하는 구조는 얼음으로부터 형성 될 수있다. (a) 결함이 많은 분자가 많지만 얼음으로의 경로는 짧고 열 변동은 얼음으로 쉽게 돌아올 수 있음을 보여줍니다. 따라서, 구조는 파괴되지 않으며 위상은 액체 물로 전이됩니다. 완벽한 결정 구조로 돌아가려면 모든 결함이있는 분자는 적절한 위치로 돌아와야합니다. 그러나 때로는 실패하고 그림 (b)에 표시된 것처럼 침입 결함 및 빈 결함 (프렌 켈 결함)이 남아 있습니다. 연구에서 설명한 바와 같이,이 결함 쌍은 얼음으로 돌아 가지 않는 "침습적 결함"으로 계속 존재하며 수소 결합 네트워크의 구조적 변화를 촉진함으로써 액체 물로 이어진다.
(신용 : Soken University, Okenama University, Molecular Research Institute)

　　　

그림 6 : 일반 펜던트 슬롯 구조 내부에서 녹는 시작 및 액체 물이 어떻게 나타나는지 개략적으로 보여줍니다.
(신용 : Soken University, Okenama University, Molecular Research Institute)

비디오 1 : 펜던트 슬롯에서 액체까지의 전체 프로세스 비디오 (크레딧 : Soken University, Okenama University, Molecular Research Institute)
　　　　　　
　


○ 연락처 :
(1) 화자 : Mochizuki Kenji
(5 년간의 통합 박사 프로그램, 물리학 대학원, 물리 대학원, 물리 대학원, 4 년)
　　전화 : 0564-55-7394 (Labs)
　　　　개인 웹 사이트 :

(2) 공동 저자 : Matsumoto Masakazu
(펜던트 슬롯, 자연 과학 대학원 부교수)
　　전화 : 086-251-7846 (Labs)
　　　　실험실 웹 사이트 :
　　　　개인 웹 사이트 :

(3) 공동 저자 : Omine Iwao (Oomine Iwao)
(분자 과학 연구소 교수 겸 이사, 구조 분자 과학 교수, 물리 과학 대학원, 종합 연구 대학원, 종합 연구 대학원
전화 : 0564-55-7103 (labstract)
랩 웹 사이트 :

(4) 홍보 책임자 : Mayama Satoshi
홍보 사무소, 연구 대학원
　　　　홍보 사무소 전화 : 046-858-1658/1590


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