シミュレーションと実験で、海水中の水の動きをかつてないほど詳細に解明(Simulations and Experiments Reveal Unprecedented Detail about Water’s Motion in Salt Water)

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国際研究チームは、1秒間に1兆回以上動く水の分子など、非常に速いダイナミクスを実験とコンピューターシミュレーションの両方で捉えました。 An international team of researchers captured extremely fast dynamics—including water molecules moving more than a trillion times per second—in both experiments and computer simulations

2023-01-19 ニューヨーク大学 (NYU)

◆ニューヨーク大学とソルボンヌ大学の科学者が主導した実験とシミュレーションの両方によると、塩水溶液では、水分子が塩イオンの周りを1秒間に1兆回以上のスケールで急速に移動していることが明らかになりました。Nature Communications誌に掲載されたこの研究成果は、研究者が、イオンダイナミクスを予測するための、より信頼性の高いモデルを構築することを可能にし、充電式バッテリーの改良からMRIまで、様々な科学の取り組みに利用できるようになるでしょう。
◆イオンはどこにでも存在し、生命維持に不可欠な物質です。ナトリウムやカリウムなど多くのイオンは人体に広く存在し、細胞の生存率、神経シグナル伝達、組織の構造的完全性を決定している。例えば、充電式電池は、電解質溶液中のイオンの動きに依存している。
◆水溶液中のイオンは、通常4~6個の水分子に囲まれているが、これらの分子がどの程度一体となって動くのか、水分子がどの程度運動しているのかはよく分かっていない。これまで使われてきたモデルでは、水とイオンの協調的な運動をとらえることができなかったのです。
◆研究チームは、塩と水の分子の動きを調べるために、分子の構造を決定するために日常的に使用されている汎用的なツールである核磁気共鳴(NMR)分光法を用い、実験データと塩イオンの周りのダイナミクスを原子スケールでモデル化できる詳細なコンピューターシミュレーションを組み合わせました。
◆幅広い濃度・温度の塩水を用い、実験データとコンピューターシミュレーションを組み合わせたところ、水分子がナトリウムイオンと塩化物イオンの周りを1秒間に1兆回以上という非常に速い速度で運動していることが確認されました。また、従来、イオンは周囲の溶媒分子と一体となって動くと考えられていたが、そうではなく、水分子がイオン-水複合体よりもはるかに速い速度でくねくねと動いていることが分かった。

<関連情報>

電解質水溶液におけるサブピコ秒集団ダイナミクスのプローブとしての四極子23Na+NMR緩和の研究 Quadrupolar 23Na+ NMR relaxation as a probe of subpicosecond collective dynamics in aqueous electrolyte solutions

Iurii Chubak,Leeor Alon,Emilia V. Silletta,Guillaume Madelin,Alexej Jerschow & Benjamin Rotenberg
Nature Communications  Published:05 January 2023
DOI:https://doi.org/10.1038/s41467-022-35695-3

Abstract

Nuclear magnetic resonance relaxometry represents a powerful tool for extracting dynamic information. Yet, obtaining links to molecular motion is challenging for many ions that relax through the quadrupolar mechanism, which is mediated by electric field gradient fluctuations and lacks a detailed microscopic description. For sodium ions in aqueous electrolytes, we combine ab initio calculations to account for electron cloud effects with classical molecular dynamics to sample long-time fluctuations, and obtain relaxation rates in good agreement with experiments over broad concentration and temperature ranges. We demonstrate that quadrupolar nuclear relaxation is sensitive to subpicosecond dynamics not captured by previous models based on water reorientation or cluster rotation. While ions affect the overall water retardation, experimental trends are mainly explained by dynamics in the first two solvation shells of sodium, which contain mostly water. This work thus paves the way to the quantitative understanding of quadrupolar relaxation in electrolyte and bioelectrolyte systems.

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