均一核生成の化学:結晶化の動的過程の理論研究

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シリコンや水などのネットワーク性液体の過冷却融液状態での構造の特徴を抽出する方法として、水の水素結合ネットワークを多面体様フラグメント(擬多面体)に一意的に分割する手法を考案した。擬多面体は、通常の多面体の定義を拡張したもので、低温の水等の水素結合ネットワークの特徴を抽出するのに適している。この手法により、結晶のような明らかな秩序構造をもっていない場合でも、局所構造の特徴を直接識別分類できる。この手法を、シリコンや水、あるいはメタンハイドレートの核生成と結晶化プロセスに適用することで、融液状態から、どのようにして局所的秩序が形成され、それが結晶の長距離秩序につながっていくのかを、余すところなく観察できることを示した。水の液液相転移においては、低密度液相のネットワークの大部分が、ごく少数のフラグメントの組合せで被覆できることを示した。我々の行った過冷却水の均一核生成過程の場合、初期に出現する核は、少数種類の非晶質状のフラグメントを多く含む非晶質核であると推定された。一方、シリコンが均一核生成する場合は、核の構造はすでに結晶の部分秩序を持つことがわかった。低密度水と低密度非晶質シリコンの構造は非常によく似ていることが、フラグメント解析からも裏付けられた。メタン水溶液からメタンハイドレートの結晶が成長する場合には、12面体型ケージが速度論的にまず急激に増加し、あとからそれらに隣接する形で14面体型ケージがゆっくり増加することが観察された。