発表者

長藤　昭子（宮坂研）

指導教官

長澤　裕

Title

Structural relaxation in supercooled water by time-resolved spectroscopy

Abstract

Because of the hydrogen bonding, water has many anomalous properties. For example, the melting point and boiling point of water are higher than any other liquids with similar molecular weight and the specific gravity of ice is smaller than that of liquid water, etc.
Water also has anomalous kinetic and thermodynamic properties in the supercooled state. Pure water without any nucleation substances such as dust can maintain the supercooled state down to 235 K. If the coefficient of thermal expansion, isothermal compressibility, and constant-pressure specific heat are extrapolated below 235K, they appear to become infinite at an unreachable temperature of 225 K.
Practically, when water is suddenly cooled down to <130 K, it enters amorphous phase. Further insights into the nature of glass transition might be gained by completely characterizing the structural relaxation in the neighborhood of the singularity temperature. But until now, such a characterization has only been realized in simulations and experimental characterization is not available.
I will present an article about structural relaxation in supercooled water measured by time-resolved optical Kerr effect. This result demonstrates that the structural relaxation of liquid and supercooled water follows the behavior predicted by the mode-coupling theory (MCT) for the first time. That is, structural relaxation in supercooled water can be explained using a fully dynamic model without invoking a thermodynamic one.

概要

水素結合のおかげで水は様々な特異性を持っている。例えば、ほぼ同じ分子量の液体に比べて融点や沸点が異常に高い、氷は水よりも比重が小さい等である。
過冷却状態においても水は異常な動力学的・熱力学的特徴を持つ。塵等の氷核形成物質を含まない純水は235 Kまで過冷却状態を保つことができる。この領域で熱膨張率、定圧比熱、等温圧縮率等を測定し、これ以下の温度まで延長すると、225 K付近でこれらの物理量が無限大に発散する特異点が現れる。実際に水は130 K以下に急冷するとガラス状態となる。この特異点近傍での構造緩和を完璧に解明することができれば、ガラス転移の本質に関してより理解を深めることができるかもしれない。しかし、これまではシミュレーションでしか構造緩和は観測されておらず、実験的な観測はほとんどなされていない。
今回は、時間分解光Kerr効果により過冷却状態における構造緩和を測定した実験を紹介する。この実験結果から、液体状態や過冷却状態の水の構造緩和がモード結合理論（MCT）で予想されるようなふるまいをすることが初めて証明された。つまり、過冷却状態における構造緩和は、熱力学的モデルを用いることなく、動力学的モデルのみで説明できることがわかった。

Reference

Renato Torre et al., Nature, 428, 296-298 (2004)