テラヘルツ領域の精密誘電分光による水和ダイナミクスの研究

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0.2から3.5THzにわたるより広い周波数領域での水および重水における誘電率を精密に測定し、テラヘルツ領域の緩和成分の起源について議論した。このTHz成分の同位体効果をデバイ緩和およびローレンツ振動の両方の観点から検討したところ、デバイ緩和でよく記述できることを見出した。またこの温度依存性を慎重に解析してみると、緩和時間や緩和振幅に顕著な温度依存性が見られなかった。この成分の起源としては、分子同士の衝突によるもの、または拡張緩和子などが候補として考えられ、同位体効果や温度依存性をうまく説明することができる。次に様々な溶質資料の水溶液の誘電率を測定し、ここから水和水に関する情報を定量的に求めるために、Onsagerの局所電場理論を用いた解析を試みた。このとき水和水および溶質分子はGHzよりも長い緩和時間を持つと仮定して水和水と溶質の配向分極率をゼロとしているが、テラヘルツ領域に見られる緩和成分は水和されても残っていることを見いだした。これらの実験結果は解析のわずかな誤差に対して求められる水和数が大きく変化してしまう。そこでこれらのパラメータの導出法をより慎重に検討し、また溶質の濃度依存性、溶質分子依存性、温度依存性を新たに測定した。その結果、濃度、温度ともに水和数が減少するのだが、水和水分子の大きさ(密度)はほぼ一定である、分子の表面積が大きくなるほど水和数が大きくなることなどを見出している。このようにテラヘルツ領域の光学応答から水和に関する様々な情報を抽出することができることを見出した。