Material Science of Hydrogen in the deep earth and planets

• Project/Area Number: 18H05224
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (S)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Broad Section B
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 鍵 裕之 東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 教授 (70233666)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 小松 一生 東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 准教授 (50541942) ; 青木 勝敏 東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 客員共同研究員 (30356331) ; 佐野 亜沙美 国立研究開発法人日本原子力研究開発機構, 原子力科学研究部門 J－PARCセンター, 研究主幹 (30547104) ; 柿澤 翔 公益財団法人高輝度光科学研究センター, 回折・散乱推進室, テニュアトラック研究員 (10846819) ; 飯塚 理子 東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 客員共同研究員 (80632413)
• Project Period (FY): 2018-06-11 – 2023-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2022)
• Budget Amount: ¥193,050,000 (Direct Cost: ¥148,500,000、Indirect Cost: ¥44,550,000); Fiscal Year 2022: ¥17,290,000 (Direct Cost: ¥13,300,000、Indirect Cost: ¥3,990,000); Fiscal Year 2021: ¥17,290,000 (Direct Cost: ¥13,300,000、Indirect Cost: ¥3,990,000); Fiscal Year 2020: ¥17,290,000 (Direct Cost: ¥13,300,000、Indirect Cost: ¥3,990,000); Fiscal Year 2019: ¥74,750,000 (Direct Cost: ¥57,500,000、Indirect Cost: ¥17,250,000); Fiscal Year 2018: ¥66,430,000 (Direct Cost: ¥51,100,000、Indirect Cost: ¥15,330,000)
• Keywords: 水素 / 高圧 / 中性子回折 / 地球深部 / 惑星深部 / 地球内部 / 高圧下中性子回折 / 氷 / 塩水和物 / 地球 / 惑星

Outline of Annual Research Achievements

これまでに高圧下でのX線回折や振動分光測定などの実験手法が確立され、地球深部や惑星深部に存在しうる水素を含むさまざまな物質の構造と物性に関する研究が進行した。研究室での室内実験とJ-PARCのパルス中性子源、SPring-8、高エネ研の放射光X線を最大限に活用し、氷高圧相、鉄水素化物、含水鉱物の構造解明でいくつかの成果が得られた。
(1)氷高圧相と新規塩水和物の構造決定: 独自に開発した低温高圧下誘電率測定装置とJ-PARCにおける低温高圧条件での中性子回折実験により、新しい氷の多形（氷XIX）を発見した。氷XIXは、氷VIの水素秩序相に対応するものであるが、これまで知られてきた氷VIの水素秩序相（氷XV）とは異なる秩序相であり、一つの水素無秩序相に対応して複数の秩序相が存在することが初めて明らかになった。
(2)金属水素化物の構造決定: 地球形成初期を模擬した高温高圧下での中性子回折実験を行い、鉄に取り込まれた水素量を決定し、硫黄の共存によって鉄の水素化が抑制されることが分かった。この結果から、鉄を主成分とする地球コアに含まれている軽元素候補の中で、水素と硫黄が溶け込む際の相互の影響が明らかになった。水素と硫黄が地球形成の初期段階で優先して固体の鉄と反応した後に、他の軽元素が鉄に溶けこみやすくなった可能性が示された。また、高温高圧下での放射光X線回折測定によって、Fe-H系の相関係を再検討し、相境界が従来報告されていた温度よりも150-300 K低くなることがわかった。
(3)含水鉱物の高圧下での構造決定: 地球深部の含水鉱物にフッ化物イオンが取り込まれることによる影響を考察する目的で、Mg(OH)Fの高圧下での圧縮挙動とOH伸縮振動の圧力依存を実験的に明らかにした。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

当初の研究計画に加え、氷の新しい高圧相の発見や鉄の水素化に及ぼす硫黄の影響など、計画段階では想定しなかった成果も得られており、総じて計画はおおむね順調に進展していると判断できる。

Strategy for Future Research Activity

最終年度に向けて、引き続き研究を推進する。研究計画の変更や研究を遂行する上での問題点はない。

Assessment Rating

Interim Assessment Comments (Rating)

A: In light of the aim of introducing the research area into the research categories, the expected progress has been made in research.

Research Products

• [Journal Article] Behavior of light elements in iron-silicate-water-sulfur system during early Earth’s evolution (2021)
  • Author(s): Iizuka-Oku Riko, Gotou Hirotada, Shito Chikara, Fukuyama Ko, Mori Yuichiro, Hattori Takanori、Sano-Furukawa Asami, Funakoshi Ken-ichi, Kagi Hiroyuki
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 11 Issue: 1 Pages: 12632-12632
  • DOI: 10.1038/s41598-021-91801-3
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Experimental evidence for the existence of a second partially-ordered phase of ice VI (2021)
  • Author(s): Yamane Ryo、Komatsu Kazuki、Gouchi Jun、Uwatoko Yoshiya、Machida Shinichi、Hattori Takanori、Ito Hayate、Kagi Hiroyuki
  • Journal Title: Nature Communications Volume: 12 Issue: 1 Pages: 1129-1129
  • DOI: 10.1038/s41467-021-21351-9
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] High-pressure and high-temperature neutron-diffraction experiments using Kawai-type multi-anvil assemblies (2021)
  • Author(s): Sano-Furukawa Asami、Kakizawa Sho、Shito Chikara、Hattori Takanori、Machida Shinichi、Abe Jun、Funakoshi Ken-ichi、Kagi Hiroyuki
  • Journal Title: High Pressure Research Volume: 41 Issue: 1 Pages: 65-74
  • DOI: 10.1080/08957959.2020.1867723
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Pressure-induced transition from Jeff = 1/2 to S = 1/2 states in CuAl2O4 (2021)
  • Author(s): Cho Hwanbeom、Kim Choong H.、Lee Yongmoon、Komatsu Kazuki、Cho Byeong-Gwan、Cho Deok-Yong、Kim Taehun、Kim Chaebin、Kim Younghak、Koo Tae Yeong、Noda Yukio、Kagi Hiroyuki、Khomskii Daniel I.、Seoung Donghoon、Park Je-Geun
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 103 Issue: 8
  • DOI: 10.1103/physrevb.103.l081101
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Compressibility and blue-shifting O?H stretching bands of magnesium hydroxyfluoride Mg(OH)F up to 20??GPa (2021)
  • Author(s): He Xuejing、Kagi Hiroyuki、Komatsu Kazuki、Nakano Satoshi
  • Journal Title: Journal of Solid State Chemistry Volume: 303 Pages: 122449-122449
  • DOI: 10.1016/j.jssc.2021.122449
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Revised α/ε′?γ phase boundaries for the Fe?H system (2021)
  • Author(s): Kakizawa Sho、Shito Chikara、Mori Yuichiro、Saitoh Hiroyuki、Aoki Katsutoshi、Kagi Hiroyuki
  • Journal Title: Solid State Communications Volume: 340 Pages: 114542-114542
  • DOI: 10.1016/j.ssc.2021.114542
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Direct evidence of the proton-dynamics crossover in ice VII from high-pressure dielectric measurements beyond 10 GPa (2021)
  • Author(s): Yamane Ryo、Komatsu Kazuki、Kagi Hiroyuki
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 104 Issue: 21 Pages: 214304-214304
  • DOI: 10.1103/physrevb.104.214304
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Neutron diffraction study of hydrogen site occupancy in Fe_0.95Si_0.05 at 14.7 GPa and 800 K (2021)
  • Author(s): MORI Yuichiro, KAGI Hiroyuki, KAKIZAWA Sho, KOMATSU Kazuki, SHITO Chikara, IIZUKA-OKU Riko, AOKI Katsutoshi, HATTORI Takanori、SANO?FURUKAWA Asami, FUNAKOSHI Ken-ichi, SAITOH Hirouyki
  • Journal Title: Journal of Mineralogical and Petrological Sciences Volume: 116 Issue: 6 Pages: 309-313
  • DOI: 10.2465/jmps.210825
  • ISSN: 1345-6296, 1349-3825
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] High-pressure responses of alkali metal hydrogen carbonates, RbHCO3 and CsHCO3: Findings of new phases and unique compressional behavior (2020)
  • Author(s): Iizuka-Oku Riko、Gui Weibin、Komatsu Kazuki、Yagi Takehiko、Kagi Hiroyuki
  • Journal Title: Journal of Solid State Chemistry Volume: 283 Pages: 121139-121139
  • DOI: 10.1016/j.jssc.2019.121139
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Ice Ic without stacking disorder by evacuating hydrogen from hydrogen hydrate (2020)
  • Author(s): Komatsu Kazuki、Machida Shinichi、Noritake Fumiya、Hattori Takanori、Sano-Furukawa Asami、Yamane Ryo、Yamashita Keishiro、Kagi Hiroyuki
  • Journal Title: Nature Communications Volume: 11 Issue: 1 Pages: 464-464
  • DOI: 10.1038/s41467-020-14346-5
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Anomalous hydrogen dynamics of the ice VII?VIII transition revealed by high-pressure neutron diffraction (2020)
  • Author(s): Komatsu Kazuki、Klotz Stefan、Machida Shinichi、Sano-Furukawa Asami、Hattori Takanori、Kagi Hiroyuki
  • Journal Title: Proceedings of the National Academy of Sciences Volume: 117 Issue: 12 Pages: 6356-6361
  • DOI: 10.1073/pnas.1920447117
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Incorporation of Incompatible Strontium and Barium Ions into Calcite (CaCO3) through Amorphous Calcium Carbonate (2020)
  • Author(s): Saito Ayaka、Kagi Hiroyuki、Marugata Shiho、Komatsu Kazuki、Enomoto Daisuke、Maruyama Koji、Kawano Jun
  • Journal Title: Minerals Volume: 10 Issue: 3 Pages: 270-270
  • DOI: 10.3390/min10030270
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] High nitrogen solubility in stishovite (SiO2) under lower mantle conditions (2020)
  • Author(s): Fukuyama Ko、Kagi Hiroyuki、Inoue Toru、Kakizawa Sho、Shinmei Toru、Hishita Shunichi、Takahata Naoto、Sano Yuji
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 10 Issue: 1 Pages: 10897-10897
  • DOI: 10.1038/s41598-020-67621-2
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Pressure-induced Esterification Reaction between Phosphoric Acid and Methanol (2020)
  • Author(s): Sun Yuchen、Fujimoto Chikako、Kagi Hiroyuki
  • Journal Title: Chemistry Letters Volume: 49 Issue: 8 Pages: 885-887
  • DOI: 10.1246/cl.200289
  • NAID: 130007884735
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Search for a ferroelectrically ordered form of ice VII by neutron diffraction under high pressure and high electric field (2019)
  • Author(s): Yamane R., Komatsu K., Maynard-Casely H.E., Lee S., Booth N., and Kagi H.
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 99 Issue: 17 Pages: 174201-174201
  • DOI: 10.1103/physrevb.99.174201
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Crystal structure of a high-pressure phase of magnesium chloride hexahydrate determined by in-situ X-ray and neutron diffraction methods (2019)
  • Author(s): Yamashita Keishiro、Komatsu Kazuki、Hattori Takanori、Machida Shinichi、Kagi Hiroyuki
  • Journal Title: Acta Crystallographica Section C Structural Chemistry Volume: 75 Issue: 12 Pages: 1605-1612
  • DOI: 10.1107/s2053229619014670
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] A nano-polycrystalline diamond anvil cell with bulk metallic glass cylinder for single-crystal neutron diffraction (2019)
  • Author(s): Yamashita Keishiro、Komatsu Kazuki、Klotz Stefan、Fernandez-Diaz Maria T.、Fabelo Oscar、Irifune Tetsuo、Sugiyama Kazumasa、Kawamata Tooru、Kagi Hiroyuki
  • Journal Title: High Pressure Research Volume: 40 Issue: 1 Pages: 88-95
  • DOI: 10.1080/08957959.2019.1700980
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Hexagonal Close-packed Iron Hydride behind the Conventional Phase Diagram (2019)
  • Author(s): Machida Akihiko、Saitoh Hiroyuki、Hattori Takanori、Sano-Furukawa Asami、Funakoshi Ken-ichi、Sato Toyoto、Orimo Shin-ichi、Aoki Katsutoshi
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 9 Issue: 1 Pages: 12290-12290
  • DOI: 10.1038/s41598-019-48817-7
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Direct observation of symmetrization of hydrogen bond in d-AlOOH under mantle conditions using neutron diffraction (2018)
  • Author(s): Sano-Furukawa A., Hattori T., Komatsu K., Kagi H., Nagai T., Molaison J.J., dos Santos A.M. and Tulk C.A.
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 8 Issue: 1 Pages: 15520-15520
  • DOI: 10.1038/s41598-018-33598-2
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Pressure-induced stacking disorder in boehmite (2018)
  • Author(s): Ishii Y.、Komatsu K.、Nakano S.、Machida S.、Hattori T.、Sano-Furukawa A.、Kagi H.
  • Journal Title: Physical Chemistry Chemical Physics Volume: 20 Issue: 24 Pages: 16650-16656
  • DOI: 10.1039/c8cp02565g
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Presentation] Fe-H 系における bcc/dhcp-fcc 相転移境界の再決定 (2021)
  • Author(s): 柿澤 翔・市東 力・森 悠一郎・齋藤 寛之・ 青木 勝敏 ・ 鍵 裕之
  • Organizer: 日本高圧力学会
• [Presentation] 高圧高温下中性子 ・ X 線回折実験による hcp 相 Fe0.95Si0.05 水 素化物の水素誘起体積膨張率の推定 (2021)
  • Author(s): 森 悠一郎・鍵 裕之・柿澤 翔・市東 力・青木 勝敏・ 舟越 賢一 ・ 佐野 亜沙美 ・ 服部 高典 ・ 丹下 慶範 ・ 肥後 祐司
  • Organizer: 日本高圧力学会
• [Presentation] ナノ多結晶ダイヤモンドとバルク金属ガラスを用いた高圧セルの開発 とその場中性子回折実験 (2021)
  • Author(s): 山下 恵史朗 ・ 小 松 一 生 ・ KLOTZ Stefan ・ FABERO Oscar ・ FERNANDEZ-DIAZ Maria T.・大原 高志・宗像 孝司・入舩 徹男・新名 亨・杉山 和正・ 川又 透 ・ 鍵 裕之
  • Organizer: 日本高圧力学会
• [Presentation] 構造中にバリウムを含むカルサイトの高圧下での挙動 (2021)
  • Author(s): 鍵 裕之・ 斉藤 綾花
  • Organizer: 日本鉱物科学会
• [Presentation] 非晶質炭酸カルシウムを経由したカルサイト格子中へのL-アスパラギン酸の取り込み (2021)
  • Author(s): 丸形 詩歩・鍵 裕之・小松 一生
  • Organizer: 日本鉱物科学会
• [Presentation] 硫酸コバルト六水和物(Moorhouseite)の圧力誘起相転移と未知高圧相の構造決定 (2021)
  • Author(s): 趙 政皓・小松 一生・山下 恵史朗・鍵 裕之・中野 智志
  • Organizer: 日本鉱物科学会
• [Presentation] 高温高圧下での Fe0.9Ni0.1 合金への水素原子の取り込みと体積膨張 (2021)
  • Author(s): 鍵 裕之・市東 力・柿澤 翔・青木 勝敏・小松 一生・飯塚 理子・阿部 淳・齋藤 寛之・佐野 亜沙美・服部 高典
  • Organizer: 日本地球化学会
• [Presentation] Structures of Metal Hydroxides, Salt Hydrates, and Metal Hydrides at High Pressure (2021)
  • Author(s): Hiroyuki Kagi
  • Organizer: 10th Asian Conference on High Pressure Research
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] ナノ多結晶ダイヤモンドとバルク金属ガラスを使用した中性子単 結晶回折用高圧セル (2020)
  • Author(s): 山下 恵史朗 ・ 小松 一生 ・ KLOTZ Stefan ・ FABERO Oscar ・ FERNANDEZ-DIAZ Maria T. ・ 入舩 徹男 ・ 新名 亨 ・ 杉山 和正 ・ 川又 透 ・ 鍵 裕之
  • Organizer: 高圧討論会
• [Presentation] 高温高圧中性子回折による hcp-FeHx 中の水素位置の検討 (2020)
  • Author(s): 柿澤翔・鍵裕之・市東力・佐野 亜沙美 ・ 服部 高典 ・ 青木 勝敏
  • Organizer: 高圧討論会
• [Presentation] Pressure-induced esterification reaction between phosphoric acid and methanol: a possibility of prebiotic formation of alkyl phosphate and phospholipid at high pressure (2020)
  • Author(s): 孫 語辰、藤本 千賀子、鍵 裕之
  • Organizer: JpGU-AGU Joint Meeting
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 鉄ー含水シリケイト中の軽元素：高温高圧下中性子およびX線その場観察によるコア形成プロセスの探索 (2020)
  • Author(s): 飯塚 理子、後藤 弘匡、市東 力、鍵 裕之、鈴木 昭夫
  • Organizer: JpGU-AGU Joint Meeting
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Temperature dependence on nitrogen solubility in bridgmanite under lower mantle conditions: its role in formation of deep nitrogen reservoir through solidification of magma ocean. (2020)
  • Author(s): 福山 鴻、鍵 裕之、井上 徹、柿澤 翔、新名 亨、佐野 有司、Cecile Deligny、Evelyn Furi
  • Organizer: JpGU-AGU Joint Meeting
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 氷VI相の新しい秩序相の発見 (2019)
  • Author(s): 山根 崚, 小松 一生, 郷地 順, 上 床 美也, 町田 真一, 服部 高典, 伊藤 颯, 鍵 裕之
  • Organizer: 第60回高圧討論会
• [Presentation] 結晶構造中に取り込まれた塩による高圧氷への影響 (2019)
  • Author(s): 山下 恵史朗, 小松 一生, 鍵 裕之
  • Organizer: 第60回高圧討論会
• [Presentation] hcp FeHxの安定水素組成-温度-圧力領域 (2019)
  • Author(s): 青木 勝敏, 福山 鴻, 柿澤 翔, 鍵 裕之, 齋藤 寛之, 町田 晃彦
  • Organizer: 第60回高圧討論会
• [Presentation] 高温高圧中性子回折その場観察による鉄化合物中の水素量の定量 (2019)
  • Author(s): 飯塚 理子, 後藤 弘匡, 市東 力, 福山 鴻, 佐野 亜沙美, 服部 高典, 舟越 賢一, 鍵 裕之
  • Organizer: 第60回高圧討論会
• [Presentation] 積層不整のない ice Ic の合成 (2019)
  • Author(s): 小松 一生, 町田 真一, 服部 高典, 佐野 亜沙美, 山根 崚, 山下 恵史朗, 鍵 裕之
  • Organizer: 第60回高圧討論会
• [Presentation] β-CrOOD(guyanaite)の高温高圧中性子回折測定と水素結合の温度圧力依存性 (2019)
  • Author(s): 市東 力, 鍵 裕之, 佐野 亜沙美, 柿澤 翔, 小松 一生, 青木 勝敏, 飯塚 理子, 町田 真一, 古川 登, 鈴木 昭夫
  • Organizer: 第60回高圧討論会
• [Presentation] MA6-8 式による高温高圧中性子回折実験に向けた実験技術開発 (2019)
  • Author(s): 柿澤翔, 鍵裕之, 佐野亜沙美, 服部 高典, 新名 亨, 入舩 徹男
  • Organizer: 第60回高圧討論会
• [Presentation] 地球深部における含水鉱物の水素結合対称化:高温高圧下におけるβ-CrOOD の中性子回折実験 (2019)
  • Author(s): 市東 力, 鍵 裕之, 佐野 亜沙美, 柿澤 翔, 小松 一生, 青木 勝敏, 飯塚 理子, 町田 真一, 古川 登, 鈴木 昭夫
  • Organizer: 2019年度日本地球化学会年会
• [Presentation] 鉄-含水シリケイトの高温高圧X線イメージングによる地球進化過程の解明 (2019)
  • Author(s): 飯塚 理子, 後藤 弘匡, 鈴木 昭夫, 鍵 裕之
  • Organizer: 2019年度日本地球化学会年会
• [Presentation] カルサイト構造をもつ(Ba,Ca)CO3の合成と炭酸イオンの特異な挙動 (2019)
  • Author(s): 鍵 裕之, 斉藤 綾花, 小松 一生, 丸形 詩歩, 川野 潤
  • Organizer: 2019年度日本地球化学会年会
• [Presentation] nvestigation of multi light elements in iron-silicate-water system using high pressure and temperature neutron experiments: Implications for the Earth's evolution (2019)
  • Author(s): Iizuka-Oku R., Gotou H., Fukuyama K., Kagi H.
  • Organizer: 日本地球惑星科学連合2019年大会
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 12GPaまでの氷VII相の高圧下誘電率測定 (2018)
  • Author(s): 山根崚、 小松 一生、 鍵 裕之
  • Organizer: 第59回高圧討論会
• [Presentation] MgCl2 常温高圧水和物の単結晶構造解析 (2018)
  • Author(s): 山下 恵史朗、 小松 一生、 鍵 裕之
  • Organizer: 第59回高圧討論会
• [Presentation] 高圧下で見出された NaCl・13H2O の結晶構造 (2018)
  • Author(s): 中山 和也、小松 一生、服部 高典、佐野 亜沙美、鍵 裕之
  • Organizer: 第59回高圧討論会