In spite of the fact that water is involved in many systems of engineering and plays a crucial role in them, the need of research on the water itself is often neglected unconsciously. In this thesis, several researches are performed on the structures of various water not only for the scientific purpose but also for the eventual engineering application with a mind that a practical improvement in many systems can be achieved if we have sufficient knowledge about the relationship between the structure and the properties of water and we can control the structure of water properly.
In Chapter 2, the structures and properties of liquid water near (111) and (100) planes of platinum with those of bulk liquid water are studied using molecular dynamics simulation. First, three regions, i.e., bound water region (Z), semi-bound region (Y), and bulk-like region (X) are determined according to density profile analysis. This criterion is confirmed by investigating the diffusivities of water molecules in these regions. Ring size analysis in Y regions near (111) and (100) planes shows the ratio(R6/R5) of hexameric ring structure(R6) and penameric ring structure(R5) is higher than that of bulk water in both of them. Previous works showed hydrophilicity resulted in such a behavior, and it is supposed that other adsorbent materials in addition to Pt which can attract water strongly give such a result generally.
The reason for the use of adsorbent ceramics as photocatalyst, support material, and bio ceramics is discussed in terms of the change of water structure near them: Proton transfer is facilitated and beneficial biological effect is observed in hexameric ring structure of water. Thicker hydration layer is also expected in this structure.
In Chapter 3, based on the model that water is composed of two main structures and at equilibrium of them, the partition function of water which represents two liquid structures explicitly is induced using significant liquid structure theory. For this, supplementary parameterization algorithm is devised in addition to previous one. Various properties are calculated from this partition function, showing an excellent agreement with experimental data. From this research, much useful information can be also obtained.
In Chapter 4, this devised methodology is applied to D2O, which gives a validation again.
In Chapter 5, magnetic water is described by modifying parameters of two respective structures supposing that breaking of hydrogen bonds with weak intensity in moderate scale induces phase transformation (the change of equil. const.) from structure II to I.
Various puzzling problems of magnetic water can be explained in this rationale though the complete identity is still beyond our knowledge.
많은 공학 시스템에서 물이 관여될 뿐만 아니라 중요한 역할을 한다는 사실에도 불구하고 물 자체에 대한 연구의 필요성은 무의식적으로 종종 간과되어 왔다. 본 논문에서는 우리가 물의 구조와 성질과의 관계에 대해서 충분한 지식을 얻고 구조를 적절히 조절할 수 있다면 고려하는 많은 시스템에서 실질적인 효능 향상을 얻을 수 있다는 취지 아래, 과학적 목적뿐만 아니라 궁극적인 공학에서의 응용을 위한 기본 연구로서 다양한 물들의 구조와 성질에 대한 연구를 하였다.
2 장에서는 백금의 (111) 면과 (100) 면 근처에서 물의 구조와 성질들을 순수한 액체 물의 구조와 성질과 같이 분자동력학적 모의실험을 통해 연구하였다. 먼저 3개의 영역, 즉 속박된 물의 영역(Z로 표시), 반(半)속박된 물의 영역(Y), 비(非)속박된 물의 영역(X)을 밀도분포 분석에 따라 정하였다. 이렇게 나눈 기준은 이 영역들의 확산계수를 조사하여 그 타당성을 재확인하였다. (111) 면과 (100) 면 근처의 Y 영역에서의 링크기 분석 결과, 육각고리구조(R6)와 오각고리구조(R5)의 비(R6/R5)가 일반적인 물의 경우에 비해 높게 나왔다. 기존의 연구들이 물질의 친수성이 높아질수록 주변의 물에서 육각고리구조가 오각고리구조보다 많아지는 결과들을 보여주었는데, 이런 맥락에서 물을 주변에 강하게 끌어들이는, 백금 외의 흡착성 물질들도 일반적으로 이런 결과를 보여줄 것으로 추측됐다.
또한 흡착성 세라믹 물질들이 광촉매, 촉매상의 지지대, 바이오 세라믹으로 사용되는 이유에 대한 하나의 설명이 상기한 주변의 물의 구조변화라는 관점에서 검토되었다: 기존의 연구 결과를 보면 육각고리구조의 비율이 많을 경우, 프로톤 이동도의 향상과 이로운 생물학적 효과가 예상된다. 또한 이러한 구조에서는 수화층이 두꺼워질 것으로 기대된다.
3 장에서는, 액체 물은 두개의 주요한 구조(상)들이 있고 이 둘의 평형에 의해 이루어진다는 기존의 모델 아래, Significant Liquid Structure 이론을 이용하여 이런 두 구조가 명확히 드러나는 새로운 분배함수를 유도하였다. 이것을 위하여, 매개변수 계산과정에서 기존의 알고리즘에 더하여 보충적인 알고리즘을 하나 더 고안하여 사용하였다. 이 분배함수로부터 다양한 성질들이 계산되었고 이것은 실험값과 아주 좋은 일치를 보였다. 또한 유도과정에서 많은 유용한 정보를 얻을 수 있었다.
4 장에서는 3 장에서 고안된 일련의 방법들을 중수(重水)에 적용하여보았고, 계산 결과, 방법론의 유효성을 한번 더 확인할 수 있었다.
5 장에서는, 적당한 범위에서 일어나는 약한 크기의 수소결합의 파괴는 상 II에서 상 I로의 상전이(두 상간의 평형상수의 변화)를 유도할 수 있다는 추측 아래, 자화수의 상태를 각각의 두 상의 매개변수를 약간 수정함으로써 묘사해 보았다. 비록 그 완전한 실체는 아직 우리의 지식 밖에 있으나, 이러한 물의 구조론적 접근을 통해 당혹스러운 자화수의 많은 문제들을 설명할 수 있었다.
