Takuma Yagasakia), Masakazu Matsumoto, and Hideki Tanaka

Molecular dynamics study of grain boundaries and triple junctions in ice

J. Chem. Phys. 153, 124502 (2020).


We perform classical molecular dynamics simulations of polycrystalline ice at 250 K using the TIP4P/Ice model. The structures of polycrystalline ice are prepared by growing ice particles in supercooled water. An order parameter developed recently is used to characterize local structures in terms of the liquid–liquid phase transition scenario. It is shown that the grain boundaries and triple junctions in ice are structurally similar to low-density liquid water in which most water molecules form four hydrogen bonds and the O–O–O angles deviate from the tetrahedral angle of 109.47°. The thickness of the grain boundaries is ∼1 nm. The diffusion coefficient of water molecules along the grain boundaries calculated in this study, 5.0 × 10−13 m2 s−1, is in good agreement with experimental data. The diffusion along the triple junctions is 3.4 times faster than that along the grain boundaries. We model the grain size dependence of diffusivity of water molecules in polycrystalline ice using the simulation results and find that the impact of the grain boundaries and the triple junctions on the diffusivity is negligible for typical polycrystalline ice samples having grain sizes of the order of millimeters. We also demonstrate that the properties of the grain boundaries are quite different from those of the ice/vapor interface at the same temperature: the quasi-liquid layer at the ice/vapor interface is similar to high-density liquid water and the diffusion coefficient along the ice/vapor interface is two orders of magnitude larger than that along the grain boundaries.

TIP4P/Iceモデルを用いて250Kでの多結晶氷の古典的分子動力学シミュレーションを行った。多結晶氷の構造は、過冷却水中で氷粒子を成長させることで作成した。最近開発された次数パラメータを用いて、液-液相転移シナリオの観点から局所構造を特徴付けることに成功した。その結果、氷の結晶粒界と三重接合は、ほとんどの水分子が4つの水素結合を形成し、O-O-O角が109.47°の四面体角からずれている低密度の液体水と構造的に類似していることが示された。結晶粒界の厚さは∼1nmである。本研究で計算された粒界に沿った水分子の拡散係数は5.0×10-13m2 s-1であり、実験データとよく一致している。また、トリプルジャンクションに沿った拡散は、粒界に沿った拡散よりも3.4倍速いことがわかった。シミュレーション結果を用いて多結晶氷中の水分子の拡散率の粒径依存性をモデル化したところ、ミリオーダーの粒径を持つ典型的な多結晶氷試料では、粒界と三重接合が拡散率に与える影響は無視できることがわかった。また、結晶粒界の特性は、同じ温度でも氷/蒸気界面の特性とは大きく異なることも明らかにした。 (DeepLによる機械翻訳)

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