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氷惑星マントル物質の高温高圧実験に基づく天王星・海王星の内部構造モデルの構築

Research Project

Project/Area Number 19J01467
Research Category

Grant-in-Aid for JSPS Fellows

Allocation TypeSingle-year Grants
Section国内
Review Section Basic Section 17040:Solid earth sciences-related
Research InstitutionNational Institute for Materials Science

Principal Investigator

門林 宏和  国立研究開発法人物質・材料研究機構, 機能性材料研究拠点, 特別研究員(PD)

Project Period (FY) 2019-04-25 – 2022-03-31
Project Status Completed (Fiscal Year 2021)
Budget Amount *help
¥4,810,000 (Direct Cost: ¥3,700,000、Indirect Cost: ¥1,110,000)
Fiscal Year 2021: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000)
Fiscal Year 2020: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000)
Fiscal Year 2019: ¥1,690,000 (Direct Cost: ¥1,300,000、Indirect Cost: ¥390,000)
Keywords高温高圧実験 / 天王星・海王星 / メタン / ダイヤモンド / ダイヤモンドアンビルセル / 天王星 / 海王星 / 分子解離 / アンモニア / 放射光X線回折 / ラマン分光
Outline of Research at the Start

本研究では、天王星と海王星の内部構造モデルの構築を目的とした氷惑星マントル物質の高温高圧実験を行う。特に、メタンやアンモニアの融解や分子解離挙動に着目し、これに派生して生じるダイヤモンドや新規物質の生成とその条件を解明する。そして、得られた物質科学的知見を統合し、氷惑星の内部構造モデルの構築を行う。

Outline of Annual Research Achievements

本研究は、氷惑星マントル組成物質の高温高圧実験を行うことにより、メタンやアンモニアの融解や分子解離挙動、及び、これに派生して生じるダイヤモンドや新奇物質の生成プロセスとその条件を解明することを目的としている。
2021度は、昨年度から引き続き、抵抗加熱式および外熱式ダイヤモンドアンビルセルの改良を行うとともに、CO2レーザー加熱式ダイヤモンドアンビルセルを用いた高温高圧実験により、C-N-O-H系物質の氷惑星内部条件下における挙動の解明に取り組んだ。
その結果、一部の試料において、レーザー加熱による加熱中心部の黒色化が観察された。この黒色化の原因を明らかにすべく、室温へ温度クエンチ後、黒色部に対し、X線回折を行ったところ、典型的なダイヤモンドの回折線が得られた。加えて、ラマン分光により、固体水素やメタンと水素から成る分子化合物の生成が示され、さらに脱圧回収後の固体生成物からは明瞭なダイヤモンドのラマンピークが得られた。これらの結果は、高温高圧下におけるメタンの分子解離および重合によるダイヤモンドの生成が、氷惑星のマントル内部条件を想定したC-N-O-H系においても起こり得ることを示すものである。
これら得られた成果については、国内学会・シンポジウムで発表を行うとともに、査読付き国際雑誌(Kadobayashi et al., Sci. Rep. 11, 8165 (2021))にて公表している。

Research Progress Status

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

Report

(3 results)
  • 2021 Annual Research Report
  • 2020 Annual Research Report
  • 2019 Annual Research Report
  • Research Products

    (24 results)

All 2022 2021 2020 2019

All Journal Article (13 results) (of which Peer Reviewed: 9 results,  Open Access: 6 results) Presentation (11 results) (of which Int'l Joint Research: 3 results,  Invited: 1 results)

  • [Journal Article] Equation of states for dense ice up to 80 GPa at low-temperature conditions2022

    • Author(s)
      Hiroshi Fukui, Hirokazu Kadobayashi, Hirotaka Abe, Ryunosuke Takahashi, Hiroki Wadati, Naohisa Hirao
    • Journal Title

      The Journal of Chemical Physics

      Volume: 156 Issue: 6 Pages: 064504-064504

    • DOI

      10.1063/5.0084278

    • Related Report
      2021 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] 天王星と海王星の内部条件下におけるメタンハイドレートからのダイヤモンド生成2022

    • Author(s)
      門林宏和
    • Journal Title

      NEW DIAMOND

      Volume: 145 Pages: 26-27

    • Related Report
      2021 Annual Research Report
  • [Journal Article] Diamond formation from methane hydrate under the internal conditions of giant icy planets2021

    • Author(s)
      Kadobayashi Hirokazu、Ohnishi Satoka、Ohfuji Hiroaki、Yamamoto Yoshitaka、Muraoka Michihiro、Yoshida Suguru、Hirao Naohisa、Kawaguchi-Imada Saori、Hirai Hisako
    • Journal Title

      Scientific Reports

      Volume: 11 Issue: 1 Pages: 8165-8165

    • DOI

      10.1038/s41598-021-87638-5

    • Related Report
      2021 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] 室温超高圧・高温高圧下におけるメタンハイドレートの安定性と相転移機構2021

    • Author(s)
      門林宏和
    • Journal Title

      高圧力の科学と技術

      Volume: 30 Pages: 311-311

    • NAID

      130008028879

    • Related Report
      2021 Annual Research Report
  • [Journal Article] Effect of Ammonia on Methane Hydrate Stability under High-Pressure and High-Temperature Conditions2020

    • Author(s)
      Kadobayashi Hirokazu、Hirai Hisako、Ohfuji Hiroaki、Kawamura Hideaki、Muraoka Michihiro、Yoshida Suguru、Yamamoto Yoshitaka
    • Journal Title

      The Journal of Physical Chemistry A

      Volume: 124 Issue: 51 Pages: 10890-10896

    • DOI

      10.1021/acs.jpca.0c09652

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      2020 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Sequential in situ Raman spectroscopy for observing dissociation behavior of filled‐ice Ih of methane hydrate at high pressure2020

    • Author(s)
      Kadobayashi Hirokazu、Hirai Hisako、Suzuki Keita、Ohfuji Hiroaki、Muraoka Michihiro、Yoshida Suguru、Yamamoto Yoshitaka
    • Journal Title

      Journal of Raman Spectroscopy

      Volume: 51 Issue: 12 Pages: 2536-2542

    • DOI

      10.1002/jrs.6012

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      2020 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] High-pressure phase transition of methane hydrate in water-methane-ammonia system2020

    • Author(s)
      Kadobayashi Hirokazu、Hirai Hisako、Machita Kenji、Ohfuji Hiroaki、Muraoka Michihiro、Yoshida Suguru、Yamamoto Yoshitaka
    • Journal Title

      Journal of Physics: Conference Series

      Volume: 1609 Issue: 1 Pages: 012006-012006

    • DOI

      10.1088/1742-6596/1609/1/012006

    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Stability of methane hydrate at high-pressure and high-temperature of up to 40 GPa and 573 K2020

    • Author(s)
      Kadobayashi Hirokazu、Ohfuji Hiroaki、Hirai Hisako、Ohtake Michika、Yamamoto Yoshitaka
    • Journal Title

      Journal of Physics: Conference Series

      Volume: 1609 Issue: 1 Pages: 012007-012007

    • DOI

      10.1088/1742-6596/1609/1/012007

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      2020 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Structural evolution of methane hydrate under pressures up to 134 GPa2020

    • Author(s)
      Kadobayashi Hirokazu、Hirai Hisako、Ohfuji Hiroaki、Ohtake Michika、Muraoka Michihiro、Yoshida Suguru、Yamamoto Yoshitaka
    • Journal Title

      The Journal of Chemical Physics

      Volume: 152 Issue: 19 Pages: 194308-194308

    • DOI

      10.1063/5.0007511

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      2020 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Retention of filled-ice structure of methane hydrate up to 134 GPa2020

    • Author(s)
      Hirokazu Kadobayashi, Hisako Hirai, Yoshitaka Yamamoto
    • Journal Title

      Photon Factory Activity Report 2019

      Volume: 37 Pages: 24-24

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      2020 Annual Research Report
    • Open Access
  • [Journal Article] High-pressure X-ray diffraction study on the phase transition of methane hydrate in water-methane-ammonia system2020

    • Author(s)
      Hirokazu Kadobayashi, Hisako Hirai, Yoshitaka Yamamoto
    • Journal Title

      Photon Factory Activity Report 2019

      Volume: 37 Pages: 74-74

    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • Open Access
  • [Journal Article] Review: high pressure generation techniques beyond the limit of conventional diamond anvils2019

    • Author(s)
      Yagi Takehiko、Sakai Takeshi、Kadobayashi Hirokazu、Irifune Tetsuo
    • Journal Title

      High Pressure Research

      Volume: 40 Issue: 1 Pages: 148-161

    • DOI

      10.1080/08957959.2019.1704753

    • Related Report
      2019 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Conical support for double-stage diamond anvil apparatus2019

    • Author(s)
      Sakai Takeshi、Yagi Takehiko、Takeda Ryosuke、Hamatani Toshiki、Nakamoto Yuki、Kadobayashi Hirokazu、Mimori Hideto、I. Kawaguchi Saori、Hirao Naohisa、Kuramochi Keitaro、Ishimatsu Naoki、Kunimoto Takehiro、Ohfuji Hiroaki、Ohishi Yasuo、Irifune Tetsuo、Shimizu Katsuya
    • Journal Title

      High Pressure Research

      Volume: 40 Issue: 1 Pages: 12-21

    • DOI

      10.1080/08957959.2019.1691190

    • Related Report
      2019 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Presentation] 天王星と海王星の内部におけるダイヤモンド生成の可能性2022

    • Author(s)
      門林宏和
    • Organizer
      第8回愛媛大学先進超高圧科学研究拠点(PRIUS)シンポジウム
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      2021 Annual Research Report
    • Invited
  • [Presentation] 氷惑星内部におけるダイヤモンドの生成条件の検討2021

    • Author(s)
      門林宏和、境毅、大西里佳、山本佳孝、村岡道弘、吉田卓、平井寿子、中野智志
    • Organizer
      第62回高圧討論会
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
  • [Presentation] Effect of ammonia on the stability of methane hydrate under high-pressure and high-temperature2019

    • Author(s)
      Hirokazu Kadobayashi, Hisako Hirai, Hiroaki Ohfuji, Hideaki Kawamura, Michika Ohtake, Yoshitaka Yamamoto
    • Organizer
      JpGU Meeting 2019
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      2019 Annual Research Report
  • [Presentation] 氷天体内部条件下におけるメタンハイドレートの高温高圧安定性2019

    • Author(s)
      門林宏和, 平井寿子, 中野智志, 町田憲治, 大藤弘明, 川村英彰, 大竹道香, 山本佳孝
    • Organizer
      第60回高圧討論会
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      2019 Annual Research Report
  • [Presentation] アンモニア存在下におけるメタンハイドレートの室温高圧安定性2019

    • Author(s)
      町田憲治, 平井寿子, 門林宏和, 大藤弘明, 大竹道香, 山本佳孝
    • Organizer
      第60回高圧討論会
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      2019 Annual Research Report
  • [Presentation] Cavityつきアンビルによる高圧下屈折率測定2019

    • Author(s)
      三守秀門, 境毅, 門林宏和, 河口沙織, 平尾直久
    • Organizer
      第60回高圧討論会
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      2019 Annual Research Report
  • [Presentation] グラッシーカーボンからのナノ多結晶ダイヤモンド合成と圧縮挙動2019

    • Author(s)
      上田千晶, 入舩徹男, 國本健広, 有本岳史, 新名亨, 大藤弘明, 境毅, 門林宏和, 八木健彦, 河口沙織, 河口彰吾
    • Organizer
      第60回高圧討論会
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      2019 Annual Research Report
  • [Presentation] マルチメガバールにおける圧力スケールの相互比較2019

    • Author(s)
      境毅, 門林宏和, 三守秀門, 中本有紀, 加良勇輔, 八木健彦, 河口沙織, 平尾直久
    • Organizer
      第60回高圧討論会
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      2019 Annual Research Report
  • [Presentation] High-pressure and high-temperature behavior of methane hydrate in water-methane-ammonia system2019

    • Author(s)
      Hirokazu Kadobayashi, Hisako Hirai, Kenji Machita, Hiroaki Ohfuji, Hideaki Kawamura, Michika Ohtake, Yoshitaka Yamamoto
    • Organizer
      The 27th AIRAPT International Conference on High Pressure Science and Technology
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      2019 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] High pressure and high temperature stability of methane hydrate in water-methane-ammonia system2019

    • Author(s)
      Hirokazu Kadobayashi, Hisako Hirai, Hiroaki Ohfuji, Hideaki Kawamura, Michika Ohtake, Yoshitaka Yamamoto
    • Organizer
      The 57th European High Pressure Research Group Meeting on High Pressure Science and Technology
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      2019 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Phase transition mechanisms of methane hydrate under high pressure by time-resolved XRD and Raman spectroscopy2019

    • Author(s)
      Hisako Hirai, Hirokazu Kadobayashi, Naohisa Hirao, Yasuo Ohishi, Michika Ohtake, Yoshitaka Yamamoto
    • Organizer
      The 57th European High Pressure Research Group Meeting on High Pressure Science and Technology
    • Related Report
      2019 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research

URL: 

Published: 2019-05-29   Modified: 2024-03-26  

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