Exploring general nature of interfacial melting on ice crystals: in situ approach by optical microscopy
| Project/Area Number |
21H01824
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Basic Section 30010:Crystal engineering-related
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| Research Institution | Hokkaido University |
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Principal Investigator |
村田 憲一郎 北海道大学, 低温科学研究所, 助教 (60646272)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
佐崎 元 北海道大学, 低温科学研究所, 教授 (60261509)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2024-03-31
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| Project Status |
Completed (Fiscal Year 2023)
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| Budget Amount *help |
¥17,680,000 (Direct Cost: ¥13,600,000、Indirect Cost: ¥4,080,000)
Fiscal Year 2023: ¥2,080,000 (Direct Cost: ¥1,600,000、Indirect Cost: ¥480,000)
Fiscal Year 2022: ¥2,080,000 (Direct Cost: ¥1,600,000、Indirect Cost: ¥480,000)
Fiscal Year 2021: ¥13,520,000 (Direct Cost: ¥10,400,000、Indirect Cost: ¥3,120,000)
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| Keywords | 氷の界面融解 / 擬似液体層 / 結晶成長 / 光学顕微鏡その場観察 / 不純物 / 疑似液体層 |
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| Outline of Research at the Start |
本研究では, これまで精力的に研究されてきた気相に接した裸の氷の表面融解を越えて, 金属, 誘電体, 有機液体等に接した, より広義な氷界面での表面融解（氷の界面融解）の包括的理解を目指している. 特に, 光学顕微鏡法をベースにした非侵襲的なその場観察システムを新たに提案することで, 長年の懸案であった擬似液体層の厚みの精密測定を行う. 更に, 界面により誘起/抑制された擬似液体層の新たな熱力学的存在条件を探索することで, 一般化された氷の界面融解の普遍的性質を探求する. 加えて, 界面により誘起された擬似液体層を介した氷の新たな結晶成長機構を提案する.
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| Outline of Annual Research Achievements |
令和４年度末に，パラフィンをガラス基板上に蒸着することで透明基板上に効率よく氷単結晶のベーサル面およびプリズム面をヘテロエピタキシャル成長させることが可能であることを見出した．令和５年度は，この発見により，当初の目標であった氷単結晶表面での微粒子によるエバネッセント光の散乱をその場観察することに成功した．
一方で，微粒子による擬似液体層の生成メカニズムに関しては，当初予想していた微粒子－氷界面の間の相互作用（ファンデルワールス相互作用に代表される界面ポテンシャル）による濡れ転移に起因するのではなく，微粒子が氷結晶内部に取り込まれる際に生じるらせん転位などの結晶欠陥に由来することが分かってきた．このような結晶欠陥により誘起される擬似液体層は，欠陥のない結晶表面の擬似液体層よりさらに低温域（-15℃近傍）においても存在し，高い準安定性を示した．令和５年度は主にラテックス粒子（直径2μm）を標準微粒子として用いたが，結晶欠陥を誘起する観点からはさらに粒径の小さい粒子でも構わないと考え，金ナノ粒子でも同様の実験を進めた．予備的な結果ではあるものの，現時点ではラテックス粒子と同様の結果が得られている．引き続き粒子のサイズや表面修飾が結晶欠陥の誘起や擬似液体層の生成にどのように関与するのかを系統的かつ包括的に調べることで，更なる研究の広がりが期待される．
また，令和４年度に発見した塩化ナトリウムの潮解と氷の表面融解の間のアナロジーに関する研究も引き続き進めた．特に上記の微粒子による効果が潮解においても発現するか，すなわち微粒子は潮解水膜を誘起するか，について検討した．その結果，微粒子が塩化ナトリウム表面に付着することにより，より低湿度領域まで潮解液滴が微粒子近傍に残り，擬似液体層と同様，高い準安定性を示すことが分かった．この結果は，２つの現象のさらなる類似性を強く示唆するものである．
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| Research Progress Status |
令和5年度が最終年度であるため、記入しない。
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| Strategy for Future Research Activity |
令和5年度が最終年度であるため、記入しない。
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Report
(3 results)
Research Products
(17 results)
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[Journal Article] Transmission Electron Microscopy Study of the Morphology of Ices Composed of H2O, CO2, and CO on Refractory Grains2021
Author(s)
Kouchi, A., Tsuge, M., Hama, T., Oba, Y., Okuzumi, S., Sirono, S.-. iti ., Momose, M., Nakatani, N., Furuya, K., Shimonishi, T., Yamazaki, T., Hidaka, H., Kimura, Y., Murata, K.-. ichiro ., Fujita, K., Nakatsubo, S., Tachibana, S., & Watanabe, N.
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Journal Title
The Astrophysical Journal
Volume: 918
Issue: 2
Pages: 45-45
DOI
Related Report
Peer Reviewed / Open Access
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