パーシステントホモロジーにより見出された表面水と自由水のクロスオーバー

摘要

物質表面の水の構造については実験・シミュレーションの双方から様々な研究が行われている。特に、表面の水については濡れ性や摩擦といった一般的な物性にも大きく関わるため非常に重要である。物質表面の水がもたらす濡れ性や摩擦については、典型的な疎水表面としてグラファイト表面を用いた研究が古くからなされており、近年ではグラフェンやCNTといったナノ炭素材料に対する研究も盛hに行われている。これらナノ炭素材料は原子レベルで平坦な面を有しており、物質表面での水の構造・振る舞いを研究する好適な材料である。また、グラフェンやCNTは疎水表面でありながら、水分子が薄くトラップされていることも報告されており、非常に興味深い。しかし、物質表面の影響を受けた水の構造はあまりに複雑であり、未解明な問題が多く残されている。そこで今回我々は、近年発展が目覚しい統計的データ解析技術のなかでも、特に注目度の高いパーシステントホモロジーを初めて水系に適用し、物質表面の水の構造に迫った。今回はグラフェン上の水の構造を対象とし、古典分子動力学法で作成した構造に対する解析を行った。その結果、物質表面の水に関する最も素朴な疑問の1つである界面水と自由水のクロスオーバーを見出すことに成功した。グラフェン表面においては、僅か3層分の水が積層することによって界面水から自由水への変化が生じていることを明らかにした。