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(I) 光譜分析

實驗結果首先探討疏水性的環境是否會對水分子的光譜圖造成影響,第 一段先進行普通水的模擬,根據振動光譜確定,模擬實驗是否具有可代表 性,由圖 3.2.2 中可知,儘管是在疏水性環境中模擬的振動光譜,仍與實驗 光譜穩合。

圖 3.2.1 一般水的在不同溫度下的紅外線吸收光譜v[37]

v Source: Retrieved May 3, 2014, from

http://www1.lsbu.ac.uk/water/water_vibrational_spectrum.html

圖 3.2.2 分子模擬一般水的振動光譜圖

表示雖然在疏水性空間,特性吸收峰值並不受影響,將常態水(密度:

1g/cm-3,溫度:298.15K)的模擬光譜與超臨界水的收光譜進行對照,以確定 在高頻區的吸收是否具顯著差異。

圖 3.2.3 分子模擬一般水與超臨界水的振動光譜圖

圖 3.2.4 分子模擬一般水與超臨界水的高頻區(5000~8000 cm-1)

由計算結果能發現,超臨界水的狀態與普通異態水的光譜,在高頻區的差異 是顯著的,值得注意一點便是在正常吸收 1700 cm-1附近,超臨界水的強度有明 顯下降,光譜吸收強度受躍遷機率與粒子在能階分布的狀態有關,先前推測高頻 區是由小分子簇導致,並且隨著水分子數的增加,氫鍵網架構出現,高頻區的強 度受到抑制,可是在超臨界狀態下,高溫提供水分子高能量,低密度給水有形成 小分子簇的空間,所以粒子分布有所改變,這在光譜吸收強度中能觀察到。

(II) 空間分布分析

透過光譜分析確認在高頻區可以作為超臨界水的特徵,造成高頻區的特徵吸 收明顯,目前推測是由於水分子中具有小分子簇的形成,換言之,超臨界水的內 部要處於非勻相的狀態,才可能形成部分小分子簇,使其脫離氫鍵網的架構中,

不受氫鍵網的影響,分子動力學模擬給與我們每一幕的水分子在空間中的位置分 布,故接著將空間分隔為八個象限,分割方式如表 3.2.1,分別計算每一幕中各 象限的密度,統計如圖 3.2.5。

表 3.2.1 象限編號與座標對應表

象限編號 一 二 三 四 五 六 七 八

X + - + - + - + -

Y + + - - + + - -

Z + + + + - - - -

圖 3.2.5 32 個水分子空間分布

圖 3.2.6 中呈現水分子的分布從原本相近逐漸產生巨大差異性,此時第一個問 題當懷疑模型設計初始便讓水分子的分布極度不平均所導致,不過從圖中能發現 象限三的分布密度由升高轉為降低,表示水分子的分布確實有部分集中,隨後又 開始分散,第二個問題則是疏水性環境設定導致的計算誤差,水分子在遇到障壁 時會被反彈,換言之速度會反向,導致分子往反方向前進,然而這種現象應該是 對每個象限都有的影響,就熱力學第二定律而言,物質會往亂度增加的趨勢前 進,達到均勻的狀態,所以在觀察到這樣的非勻相分布結果,十分讓人震驚,這 樣的證據也給與光譜中,高頻區的顯著吸收一個佐證,在超臨界的環境中,可能 存有某些真空地帶,讓小型水分子簇可以在其中躲避氫鍵網的影響,而能進行不 符合選擇律的躍遷。

從這部分的模擬,目前可以得到初步結論:高頻區是超臨界水的特徵,超臨 界水的非勻相性質,讓小分子簇得以短暫形成,使高頻區的吸收顯著。

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