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氷の結晶構造が崩壊し解けて水になるきっかけ コンピューターのシミュレーションで解明

【分子科学】氷の結晶構造が崩壊… 2013/06/23 05:58

【分子科学】氷の結晶構造が崩壊し解けて水になるきっかけ コンピューターのシミュレーションで解明/総合研究大学院大など
http://anago.2ch.net/test/read.cgi/scienceplus/1371911212/-100
1 :白夜φ ★:2013/06/22(土) 23:26:52.10 ID:???
氷から水、きっかけ解明=結晶構造崩壊を計算-総研大など

氷の結晶構造が崩壊し、解けて水になるきっかけをコンピューターのシミュレーションで解明したと、
総合研究大学院大(神奈川県葉山町)の院生望月建爾さんらが英科学誌ネイチャーに発表した。

岡山大の松本正和准教授や分子科学研究所(愛知県岡崎市)の大峯巌所長との共同研究で、
さまざまな化学物質の構造や水を含むたんぱく質の構造が変わる仕組みを解明するのに役立つという。

水分子は小さな水素原子2個と大きな酸素原子1個から成る。
固体の氷では、分子が六角形の網を構成するように整然と並んでいる。

しかし、温度が上昇すると分子が揺らぎ出し、分子同士の結合が切れて六角形の形が崩れる所が現れる。
望月さんらはこの結合の切れ方に注目し、分子間に働く力の計算を繰り返した。

分子が揺らいで結合が切れ、六角形の形が崩れても、初めのうちはすぐつながって元に戻る。
しかし、温度上昇で揺れがひどくなると、つながる際に間違った分子の組み合わせが発生してしまい、
連鎖的に組み替えが起きて結晶構造が崩壊することが分かった。(2013/06/22-19:07)
______________

▽記事引用元 時事ドットコム 2013/06/22-19:07配信記事
http://www.jiji.com/jc/c?g=soc_30&k=2013062200252

画像:固体の氷の結晶構造が崩壊し、液体の水に変わってゆくイメージ。
総合研究大学院大と岡山大、分子科学研究所は、崩壊のきっかけを解明したと発表した(総研大・岡山大・分子研提供)
2190752.jpg

▽関連
・総合研究大学院大
2013年6月20日(木)
【プレスリリース】機能分子科学専攻 大学院生 望月建爾さんの論文が Natureに掲載されました
プレスリリース概要
『氷の融解が始まる“きっかけ”を分子レベルで解明することに成功』
http://www.soken.ac.jp/news_all/3059.html

2190722.jpg
図1:氷の内部融解で現れるチンダル像の写真。単結晶の氷の内部から融解した時に現れる模様。写真の中の六花模様は融解で生じた液体の水で、その周りは氷の結晶。チンダル像の大きさは5 mm程度。
(クレジット:中谷宇吉郎雪の科学館)

2190736.jpg
図2:氷の結晶の分子構造。赤色が酸素原子、水色が水素原子を表す。白色の線は分子内の酸素と水素の結合、黄色の線は分子間の水素結合を表す。各分子が周囲の4分子と4本の水素結合を作っている。6つの水分子が環を作り、非常に秩序だった構造である。
(クレジット:総研大・岡山大・分子研)

2190754.jpg
図3:液体の水の分子構造。色は図2と同じ。氷とは異なり、乱雑な構造である。
(クレジット:総研大・岡山大・分子研)

2190726.jpg
図 4:分離した欠陥対の典型的な構造。左右の青と赤で囲まれた図は、中央の図の欠陥対の周辺構造を拡大した。左の欠陥は、侵入型欠陥と呼ばれ、結晶中に一つ 余分な分子が入っている。右の欠陥は、空孔型欠陥と呼ばれ、結晶点にあるはずの分子が抜けている。二つの欠陥は対として生成し、フレンケル欠陥と呼ばれて いる。
(http://en.wikipedia.org/wiki/Frenkel_defect)
欠 陥対以外の部分は、整然とした氷構造を保っているのが分かる(中央の図)。この欠陥を消すには、結合を一旦壊しながら、中央の図の橙色の矢印の経路を辿 り、侵入型と空孔型の2つの欠陥が出会う必要がある。このように、特定の経路を通らないと、完全な結晶構造に戻れない状態を“糸のからまり”と表現した (研究内容)。氷の結晶中には、他にもさまざまな種類の欠陥が存在するが、数ある欠陥の中で、この欠陥対が融解を引き起こす事実を明らかにし、その理由を 物理的に説明したのは本研究が世界で初めてである。
(クレジット:総研大・岡山大・分子研)
・Nature Volume: 498, Pages: 350?354 Date published: (20 June 2013) DOI: doi:10.1038/nature12190
Received 30 April 2012 Accepted 12 April 2013 Published online 19 June 2013
Defect pair separation as the controlling step in homogeneous ice melting
http://www.nature.com/nature/journal/v498/n7454/abs/nature12190.html
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