分子化学進化に及ぼすアモルファス氷の強誘電性効果

• Project Area: Evolution of molecules in space: from interstellar clouds to proto-planetary nebulae
• Project/Area Number: 16H00937
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Science and Engineering
• Research Institution: Kyoto University
• Principal Investigator: 杉本 敏樹 京都大学, 理学研究科, 助教 (00630782)
• Project Period (FY): 2016-04-01 – 2018-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2017)
• Budget Amount: ¥14,300,000 (Direct Cost: ¥11,000,000、Indirect Cost: ¥3,300,000); Fiscal Year 2017: ¥7,280,000 (Direct Cost: ¥5,600,000、Indirect Cost: ¥1,680,000); Fiscal Year 2016: ¥7,020,000 (Direct Cost: ¥5,400,000、Indirect Cost: ¥1,620,000)
• Keywords: 強誘電氷 / アモルファス氷 / 結晶化 / 分子進化 / 和周波発生振動分光 / 赤外振動分光 / 昇温脱離法 / 宇宙分子進化 / 宇宙科学

Outline of Annual Research Achievements

本研究は，分子化学進化においてアモルファス氷の誘電物性が及ぼす影響を解明することを目的としている．星間分子雲や原子惑星系において，氷の構造が紫外光や熱により変化することが知られている．光・熱の履歴によって氷の構造がどのように経時変化するのかを明らかにしておくことは，氷表面で起こる分子進化過程を理解する上でも極めて重要である．昨年度は，モデル単結晶Pt(111)基板上に作製した種々の膜厚の強誘電アモルファス氷が①均一核成長により結晶化する事，②回転自由度と並進自由度が独立して熱力学的に安定な構造に緩和している事を明らかにした．
今年度は，上記の実験に引き続いて実験装置にD2ランプを組み込み．紫外光照射に起因するアモルファス氷の構造変化を解明することを試みた．また，分子雲の星間氷に共存しうる始原的なCOやNH3分子との共吸着によって発現する氷の強誘電性について調べた．その結果，COと共吸着させたPt(111)上の氷は強誘電性を発現させるのに対し，NH3と共吸着させたPt(111)上の氷は常誘電状態をとることが明らかになった．Pt(111)上のNH3分子は，N原子がPtに配位結合するH-up配向をとるため，NH3分子と共吸着させた氷はH-upの配向秩序を持つ強誘電氷となる事を予想していた．この予想に反し，NH3と共吸着させたPt(111)上の氷が常誘電氷になるという結果は，NH3分子のH-up配向秩序が水分子の共吸着により変調されることを示唆している．本研究により，２種分子の共吸着によって互いの分子の配向構造が変調を受け，純粋系とは異なる誘電物性を示しうることを実証する事ができた．この知見は，分子化学進化によって刻一刻と元素組成が変化する分子雲中の氷は，その組成に応じて強誘電性も時々刻々と変化させている事を示唆する．星間氷の強誘電性を決定する重要なファクターを解明する事ができた．

Research Progress Status

29年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

29年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Origins of emergent high-Tc ferroelectric ordering in heteroepitaxial ice film: Sum-frequency generation spectroscopy of H2O and D2O ice films on Pt(111) (2018)
  • Author(s): N. Aiga, *T. Sugimoto, Y. Otsuki, K. Watanabe & Y. Matsumoto
  • Journal Title: Phys. Rev. B Volume: 97 Issue: 7 Pages: 075410-075410
  • DOI: 10.1103/physrevb.97.075410
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] ; Water-assisted hole trapping at highly curved surface of nano-TiO2 photocatalyst (2018)
  • Author(s): K. Shirai, G. Fazio, *T. Sugimoto, D. Selli, L. Ferraro, K. Watanabe, M. Haruta, B. Ohtani, H. Kurata, C. Di Valentin & Y. Matsumoto
  • Journal Title: J. Am. Chem. Soc Volume: 140 Issue: 4 Pages: 1415-1422
  • DOI: 10.1021/jacs.7b11061
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Inelastic electron tunneling mediated by a molecular quantum rotator (2017)
  • Author(s): Sugimoto Toshiki、Kunisada Yuji、Fukutani Katsuyuki
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 96 Issue: 24 Pages: 241409-241409
  • DOI: 10.1103/physrevb.96.241409
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Particle size dependence of carrier dynamics and reactivity of photocatalyst BiVO4 probed with single-particle transient absorption microscopy (2017)
  • Author(s): M. Yabuta, A. Takeda, T. Sugimoto, K. Watanabe, A. Kudo & Y. Matsumoto
  • Journal Title: J. Phyc. Chem. C. Volume: 121 Issue: 40 Pages: 22060-22066
  • DOI: 10.1021/acs.jpcc.7b06230
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Unveiling subsurface hydrogen-bond structure of hexagonal water ice (2017)
  • Author(s): Otsuki Yuji、Sugimoto Toshiki、Ishiyama Tatsuya、Morita Akihiro、Watanabe Kazuya、Matsumoto Yoshiyasu
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 96 Issue: 11 Pages: 115405-115405
  • DOI: 10.1103/physrevb.96.115405
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Enhancement of the Exciton Coherence Size in Organic Semiconductor by Alkyl Chain Substitution (2016)
  • Author(s): S. Tanaka, K. Miyata, T. Sugimoto, K. Watanabe, T. Uemura, J. Takeya and Y. Matsumoto
  • Journal Title: J. Phys. Chem. C Volume: 120 Issue: 15 Pages: 295-299
  • DOI: 10.1021/acs.jpcc.5b12686
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Effect of Water Adsorption on Carrier Trapping Dynamics at the Surface of Anatase TiO2 Nanoparticles (2016)
  • Author(s): K. Shirai, *T. Sugimoto, K. Watanabe, M. Haruta, H. Kurata & Y. Matsumoto
  • Journal Title: Nano Lett Volume: 16 Issue: 2 Pages: 1323-1327
  • DOI: 10.1021/acs.nanolett.5b04724
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Disentangling multidimensional non-equilibrium dynamics of adsorbates: CO desorption from Cu(100) (2016)
  • Author(s): 7.K-I.Inoue, K. Watanabe, T. Sugimoto, Y. Matsumoto & T. Yasuike
  • Journal Title: Phys. Rev. Lett. Volume: 117 Issue: 18 Pages: 186101-186101
  • DOI: 10.1103/physrevlett.117.186101
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Nuclear Spin Dynamics of Molecular Hydrogen Adsorbed on Solid Surfaces―Interdisciplinary Surface Electromagnetic Process― (2016)
  • Author(s): T. Sugimoto & K. Fukutani
  • Journal Title: Butsuri Volume: 71 Issue: 10 Pages: 668-678
  • DOI: 10.11316/butsuri.71.10_668
  • NAID: 130006906734
  • ISSN: 0029-0181, 2423-8872
  • Peer Reviewed
• [Presentation] 表面修飾Pt(111)基板上の強誘電結晶氷薄膜の形成 (2017)
  • Author(s): 相賀 則宏, 杉本 敏樹, 渡邊 一也, 松本 吉泰
  • Organizer: 日本物理学会第72回年次大会(2017)
  • Place of Presentation: 大阪大学豊中キャンパス
  • Year and Date: 2017-03-17
• [Presentation] High-Tc Ferroelectric Ordering of Strongly Correlated and Frustrated Protons in Heteroepitaxial Ice films (2017)
  • Author(s): Toshiki Sugimoto
  • Organizer: Symposium on Surface Science & Nanotechnology -25th Anniversary of SSSJ Kansai
  • Place of Presentation: Kyoto International Community House
  • Year and Date: 2017-01-24
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Size effect on the paraelectric transition of ferroelectric crystalline ice on Pt(111) (2017)
  • Author(s): Norihiro Aiga, Toshiki Sugimoto, Kazuya Watanabe and Yoshiyasu Matsumoto
  • Organizer: Symposium on Surface Science & Nanotechnology -25th Anniversary of SSSJ Kansai
  • Place of Presentation: Kyoto International Community House
  • Year and Date: 2017-01-24
• [Presentation] Interface Effect on Homogeneous Crystallization of Nanoscale Amorphous-Ice Thin Films (2017)
  • Author(s): Kuniaki Harada, Toshiki Sugimoto, Kazuya Watanabe, Yoshiyasu Matsumoto
  • Organizer: Symposium on Surface Science & Nanotechnology -25th Anniversary of SSSJ Kansai
  • Place of Presentation: Kyoto International Community House
  • Year and Date: 2017-01-24
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Emergent high-Tc Ferroelectric Ordering of Strongly Correlated and Frustrated Protons in Crystalline-Ice films (2017)
  • Author(s): Toshiki Sugimoto,
  • Organizer: Symposium on Molecular Science of Ice,
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] H/D exchange reaction at surface of crystalline-ice thin films (2017)
  • Author(s): F. Kato, T. Sugimoto, K. Watanabe and Y. Matsumoto,
  • Organizer: The 8th International Symposium on Surface Science (ISSS-8),
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Inelastic Electron Tunneling Mediated by Molecular Quantum Rotator (2017)
  • Author(s): Toshiki Sugimoto, Yuji Kunisada and Katsuyuki Fukutani,
  • Organizer: 5th Ito international Research Center conference (IIRC5)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] ヘテロエピタキシャル結晶氷薄膜における水分子の強誘電的配向秩序：熱的性質と同位体効果 (2017)
  • Author(s): 杉本敏樹
  • Organizer: 日本物理学会 2017年秋季大会
  • Invited
• [Presentation] 結晶氷薄膜における強誘電的配向秩序 ～熱的性質・同位体効果～ (2017)
  • Author(s): 杉本敏樹，,
  • Organizer: 中部・関西誘電体セミナー
  • Invited
• [Presentation] 表面融解点以下の低温領域でみられる結晶氷Ih(0001)最表面の特異な構造転移, (2017)
  • Author(s): 杉本敏樹,
  • Organizer: サテライトワークショップ~高分解能顕微・分光法による表面・界面研究の最前線~
  • Invited
• [Presentation] 同位体混合氷の昇華における二種の競合同位体効果 (2017)
  • Author(s): 加藤 史明，原田 国明，杉本 敏樹，渡邊 一也，松本 吉泰,
  • Organizer: 第11回分子科学討論会2017
• [Presentation] Pt(111)上の氷薄膜の水素結合ネットワーク構造変化 (2017)
  • Author(s): 原田 国明，加藤 史明，杉本 敏樹，向井 孝三，吉本 真也，吉信 淳，渡邊 一也，松本 吉泰,
  • Organizer: 第11回分子科学討論会2017
• [Presentation] 親水・疎水性を制御した基板におけるアモルファス氷薄膜の成長と結晶化 (2016)
  • Author(s): 原田国明、高桑弘明、杉本敏樹、渡邊一也、松本吉泰
  • Organizer: 第36回表面科学学術講演会
  • Place of Presentation: 名古屋国際会議場
  • Year and Date: 2016-11-29
• [Presentation] Size and isotope effect on ferroelectricity of crystalline ice on Pt(111) (2016)
  • Author(s): 相賀則宏, 大槻友志, 杉本敏樹, 渡邊一也，松本吉泰
  • Organizer: 表面界面スペクトロスコピー2015
  • Place of Presentation: 仙台 秋保温泉 岩沼屋
  • Year and Date: 2016-11-25
• [Presentation] 同位体混合氷薄膜の協同的昇華と同位体分別 (2016)
  • Author(s): 加藤 史明、杉本 敏樹、渡邊 一也、松本 吉泰
  • Organizer: 関西薄膜・表面物理セミナー
  • Place of Presentation: 神戸セミナーハウス講堂
  • Year and Date: 2016-11-18
• [Presentation] Rh(111)上のアモルファス氷薄膜の和周波発生振動分光 (2016)
  • Author(s): 大槻友志，杉本敏樹，渡邊一也，松本吉泰
  • Organizer: 第10回分子科学討論会2016
  • Place of Presentation: 神戸ファッションマート
  • Year and Date: 2016-09-13
• [Presentation] 和周波発生振動分光による結晶氷表面の水素結合構造の解明 (2016)
  • Author(s): 杉本敏樹,大槻友志, 石山達也, 森田明弘, 渡邊一也，松本吉泰
  • Organizer: 第10回分子科学討論会2016
  • Place of Presentation: 神戸ファッションマート
  • Year and Date: 2016-09-13
• [Presentation] Emergent high-Tc ferroelectric ordering in heteroepitaxial ice films (2016)
  • Author(s): Toshiki Sugimoto, Norihiro Aiga, Yuji Otsuki, Kazuya Watanabe and Yoshiyasu Matsumoto
  • Organizer: 7th SFG work shop
  • Place of Presentation: 東京工業大学大岡山キャンパス
  • Year and Date: 2016-06-10
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Heterodyne-detected sum-frequency-generation vibrational spectroscopy of ice surface (2016)
  • Author(s): Yuji Otsuki, Toshiki Sugimoto, Ishiyama Tastuya, Akihiro Morita, Kazuya Watanabe and Yoshiyasu Matsumoto
  • Organizer: 7th SFG work shop
  • Place of Presentation: 東京工業大学大岡山キャンパス
  • Year and Date: 2016-06-10
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Isotope effects on proton order-disorder transition in ferroelectric ice films, (2016)
  • Author(s): Norihiro Aiga, Toshiki Sugimoto, Kazuya Watanabe and Yoshiyasu Matsumoto
  • Organizer: 7th SFG work shop
  • Place of Presentation: 東京工業大学大岡山キャンパス
  • Year and Date: 2016-06-10
  • Int'l Joint Research
• [Remarks] 京都大学理学系研究科化学専攻
  • URL: http://www.kuchem.kyoto-u.ac.jp/organization/member/toshiki.html
• [Remarks] 水分子の向きが揃った結晶氷
  • URL: http://www.sci.kyoto-u.ac.jp/ja/news/detail_368.html
• [Remarks] 水分子の向きが揃った結晶氷 －特殊な結晶氷の構造と生成メカニズムの解明
  • URL: http://www.kyoto-u.ac.jp/ja/research/research_results/2016/160726_2.html