地球外固体有機物の形成における鉱物表面の触媒反応と氷の光反応の寄与の定量的解明

• Project Area: Next Generation Astrochemistry: Reconstruction of the Science Based on Fundamental Molecular Processes
• Project/Area Number: 23H03987
• Research Category: Grant-in-Aid for Transformative Research Areas (A)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Transformative Research Areas, Section (II)
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 羽馬 哲也 東京大学, 大学院総合文化研究科, 准教授 (20579172)
• Project Period (FY): 2023-04-01 – 2025-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2024)
• Budget Amount: ¥12,870,000 (Direct Cost: ¥9,900,000、Indirect Cost: ¥2,970,000); Fiscal Year 2024: ¥6,370,000 (Direct Cost: ¥4,900,000、Indirect Cost: ¥1,470,000); Fiscal Year 2023: ¥6,500,000 (Direct Cost: ¥5,000,000、Indirect Cost: ¥1,500,000)
• Keywords: 星間塵 / 固体有機物 / 光反応 / 触媒反応 / 芳香族分子 / 触媒化学 / フィッシャー・トロプシュ反応 / ケイ酸塩鉱物表面 / 一酸化炭素分子 / 水素分子 / 有機物

Outline of Research at the Start

惑星系誕生の舞台となる星間分子雲では，星間塵（鉱物の微粒子）の温度は10-20Kまで下がり，その表面はCOやCH3OHなどを含むH2O氷(氷星間塵)が形成される．いっぽう，太陽系(惑星系)初期に形成された隕石には「炭素質物質」と呼ばれる黒い固体有機物が存在する．なぜ「星間分子雲の氷星間塵」と「太陽系の隕石の炭素質物質」とでは，両者の化学組成がこれほど異なるのかは未だにわかっていない．本研究では，炭素質物質の生成過程として重要視されている「氷星間塵の光反応」と「鉱物表面の触媒反応」について実験し，炭素質物質の生成効率を明らかにすることで，どちらが隕石の炭素質物質の起源として有力か議論する．

Outline of Annual Research Achievements

本研究課題は，星間空間に存在する固体有機分子の生成過程として重要視されている「氷星間塵の光反応」と「鉱物表面の触媒反応」について実験し，両者の固体有機物の生成効率を明らかにすることを目指すものである．研究を開始するにあたり，有機分子の光反応を議論するための基礎となる「有機分子の光吸収スペクトル」を得るべく，紫外吸収分光法によって飽和脂肪酸の光吸収スペクトルを測定していたところ，極めて重要な発見があったので，本年度はそちらに注力した．
飽和脂肪酸は地球の海洋表面や海洋エアロゾルに豊富に含まれることが知られている重要な有機分子である．飽和脂肪酸の光吸収は90年以上研究されてきた歴史があり「飽和脂肪酸は太陽光（295 nmより長波長の光）をよく吸収する」と考えられてきた．しかし，光吸収のメカニズムについては未だによくわかっていない．そこで飽和脂肪酸の一種であるノナン酸について，試薬に含まれる不純物を独自に開発した精製装置により徹底的に取り除いたところ，太陽光をほぼ吸収しないことが明らかになった．紫外吸収分光法，高速液体クロマトグラフィー，核磁気共鳴分光法を組み合わせることで試薬中の不純物を分析したところ，これまでに報告されてきた太陽光の波長領域の光吸収は，ノナン酸に由来するものではなく，試薬中に微量に（0.1 %以下）存在するケトン類の不純物によって引き起こされていたことを明らかにした（Saito et al., Science Advances, 9, eadj6438, 2023)．
本研究によって「海洋表面や海洋エアロゾルの飽和脂肪酸（ノナン酸）が太陽光を吸収し光反応を起こすのか？」という問題に決着がつけることができた．また本研究成果は，光を使った実験研究では不純物の影響を評価することが結果を正しく解釈するために必要であることを示している．

Current Status of Research Progress

1: Research has progressed more than it was originally planned.

Reason

当初予定していた研究をきっかけに，星間化学だけでなく地球大気化学や光化学に重要な「有機分子の光吸収における不純物の寄与」について重要な知見が得られたため．

Strategy for Future Research Activity

本年度の成果によって，凝縮相（固相と液相）の有機分子についてはノナン酸をはじめ未だに正確な光吸収スペクトルが得られていない分子が多いことがわかった．凝縮相の有機分子の光吸収スペクトルを測定するためには，不純物を除去するための精製法を確立する必要があるが，現状の精製法はノナン酸についてはうまくいくものの，他の分子（オレイン酸など）ではうまくいかないことがわかっている．そこで今後は，ノナン酸以外にも適応できる試薬の精製法の開発に取り組む．また本研究課題で本来行う予定であった「氷星間塵の光反応」や「鉱物表面の触媒反応」による固体有機分子生成実験についても，装置の開発を進めているので，今後も継続して取り組む．

Research Products

• [Journal Article] Chiral Spinodal-like Ordering of Homoimmiscible Water at Interface between Water and Chiral Ice III (2024)
  • Author(s): Niinomi Hiromasa、Yamazaki Tomoya、Nada Hiroki、Hama Tetsuya、Kouchi Akira、Oshikiri Tomoya、Nakagawa Masaru、Kimura Yuki
  • Journal Title: The Journal of Physical Chemistry Letters Volume: 15 Issue: 2 Pages: 659-664
  • DOI: 10.1021/acs.jpclett.3c03006
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Comparing the radiolytic oxidation of sulfur and chloride within ice on Europa and Mars (2024)
  • Author(s): Tan Shuya、Sekine Yasuhito、Kikuchi Takashi、Suematsu Hisayuki、Hama Tetsuya、Takahashi Yoshio
  • Journal Title: Icarus Volume: 410 Pages: 115873-115873
  • DOI: 10.1016/j.icarus.2023.115873
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Structure of crystalline water ice formed through neon matrix sublimation under cryogenic and vacuum conditions (2023)
  • Author(s): Sato Reo、Taniguchi So、Numadate Naoki、Hama Tetsuya
  • Journal Title: The Journal of Chemical Physics Volume: 158 Issue: 21 Pages: 211101-211101
  • DOI: 10.1063/5.0150927
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Observation of hydrogen-ordered cubic ice thin films on the surface of ice Ic nanocrystals upon coarsening (2023)
  • Author(s): Kouchi Akira、Yamazaki Tomoya、Katsuno Hiroyasu、Nada Hiroki、Hama Tetsuya、Kimura Yuki
  • Journal Title: Chemical Physics Volume: 572 Pages: 111966-111966
  • DOI: 10.1016/j.chemphys.2023.111966
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Impurity contribution to ultraviolet absorption of saturated fatty acids (2023)
  • Author(s): Saito Shota、Numadate Naoki、Teraoka Hidemasa、Enami Shinichi、Kobayashi Hirokazu、Hama Tetsuya
  • Journal Title: Science Advances Volume: 9 Issue: 38
  • DOI: 10.1126/sciadv.adj6438
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Anisotropy in spinodal-like dynamics of unknown water at ice V water interface (2023)
  • Author(s): Niinomi Hiromasa、Yamazaki Tomoya、Nada Hiroki、Hama Tetsuya、Kouchi Akira、Oshikiri Tomoya、Nakagawa Masaru、Kimura Yuki
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 13 Issue: 1 Pages: 16227-16227
  • DOI: 10.1038/s41598-023-43295-4
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] <i>In situ</i> cryogenic transmission electron microscopy observation on the formation of hydrogen-ordered hexagonal ices and its astrophysical implications (2023)
  • Author(s): Yamazaki Tomoya、Kouchi Akira、Murata Ken-ichiro、Katsuno Hiroyasu、Nada Hiroki、Hama Tetsuya、Kimura Yuki
  • Journal Title: Monthly Notices of the Royal Astronomical Society Volume: 527 Issue: 2 Pages: 2858-2868
  • DOI: 10.1093/mnras/stad3401
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] キラル氷 III/水界面で水から分離する同素不混和水のスピノーダル様キラル秩序 (2024)
  • Author(s): 新家寛正, 山崎智也, 灘浩樹, 羽馬哲也, 香内晃, 押切友也, 中川勝, 木村勇気
  • Organizer: 令和５年度日本表面真空学会東北・北海道支部学術講演会
• [Presentation] Formation of Local Cage Structures relevant to Methane Clathrate Hydrate under Interstellar Conditions (2023)
  • Author(s): Reo Sato, So Taniguchi, Naoki Numadate, Tetsuya Hama
  • Organizer: JpGU Meeting 2023
• [Presentation] 氷V/水界面に生成する未知の水のスピノーダル分解様ダイナミクス (2023)
  • Author(s): 新家寛正, 山崎智也, 灘浩樹, 羽馬哲也, 香内晃, 押切友也, 中川勝, 木村勇気
  • Organizer: 日本地球惑星科学連合2023年大会
• [Presentation] Infrared measurement for the column density of dangling-OH bonds in amorphous ice at 20 K (2023)
  • Author(s): HASEGAWA, Takeshi, YANAGISAWA, Hiroto, NAGASAWA, Takumi, NUMADATE, Naoki, HAMA, Tetsuya
  • Organizer: 38th Symposium on Chemical Kinetics and Dynamics
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] The formation of water-cage structure relevant to methane hydrate in cryogenic and ultrahigh vacuum conditions (2023)
  • Author(s): SATO, Reo, TANIGUCHI, So, NUMADATE, Naoki, HAMA, Tetsuya
  • Organizer: 38th Symposium on Chemical Kinetics and Dynamics
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Purification of liquid carboxylic acids by recrystallization method and measurement of absorption spectra in near UV wavelength (2023)
  • Author(s): SAITO, Shota, TERAOKA, Hidemasa, NUMADATE, Naoki, HAMA, Tetsuya
  • Organizer: 38th Symposium on Chemical Kinetics and Dynamics
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Physics and chemistry of interstellar ice: A laboratory perspective (2023)
  • Author(s): HAMA, Tetsuya
  • Organizer: 38th Symposium on Chemical Kinetics and Dynamics
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] In situ surface analysis of plant cuticle using microscopic attenuated-total-reflection infrared spectroscopy (2023)
  • Author(s): TERAOKA, Hidemasa, SAITO, Shota, NUMADATE, Naoki, OSHIMA, Yoshimi, HAMA, Tetsuya
  • Organizer: 38th Symposium on Chemical Kinetics and Dynamics
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Spectroscopic analysis of the correlation between surface and hydrogen bond network in vapor-deposited amorphous water (2023)
  • Author(s): NAGASAWA, Takumi, HASEGAWA, Takeshi, YANAGISAWA, Hiroto, NUMADATE, Naoki, HAMA, Tetsuya
  • Organizer: 38th Symposium on Chemical Kinetics and Dynamics
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Dynamics study on ultraviolet photodissociation of liquid oleic acid using laser-induced fluorescence (2023)
  • Author(s): KOIZUMI, Kensei, SAITO, Shota, NUMADATE, Naoki, HAMA, Tetsuya
  • Organizer: 38th Symposium on Chemical Kinetics and Dynamics
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Absolute cross section for OH radical desorption during the 213 nm photolysis of liquid nonanoic acid (2023)
  • Author(s): NUMADATE, Naoki, SAITO, Shota, NOJIMA, Yuki, ISHIBASHI, Taka-aki, ENAMI, Shinichi, HAMA, Tetsuya
  • Organizer: 38th Symposium on Chemical Kinetics and Dynamics
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Experimental approaches towards understanding the surface physics and chemistry of interstellar dust and atmospheric aerosols (2023)
  • Author(s): Tetsuya Hama
  • Organizer: XXXIII International Conference on Photonic, Electronic and Atomic Collisions (ICPEAC 2023)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Low- and High-Density Unknown Waters at Interfaces between Water and Ices Grown/Melted by Pressure (2023)
  • Author(s): Hiromasa Niinomi, Tomoya yamazaki, Hiroki Nada, Tetsuya Hama, Akira Kouchi, Tomoya Oshikiri, Masaru Nakagawa, Jun Nozawa, Junpei T. Okada, Satoshi Uda, Yuki Kimura
  • Organizer: The International Conference on Crystal Growth and Epitaxy-ICCGE-20
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Rapid Crystallization at the Surface of Vapor-Deposited Amorphous Water through Hydrates Formation and Dissociation at 120 K (2023)
  • Author(s): Reo Sato, So Taniguchi, Naoki Numadate, Tetsuya Hama
  • Organizer: The 9th International Discussion Meeting on Relaxations in Complex Systems (9 IDMRCS)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Correlation between surface and bulk hydrogen-bond networks in amorphous water studied by IR-MAIRS (2023)
  • Author(s): Takumi Nagasawa, Takeshi Hasegawa, Naoki Numadate, Tetsuya Hama
  • Organizer: The 9th International Discussion Meeting on Relaxations in Complex Systems (9 IDMRCS)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Infrared multiple-angle incidence resolution spectrometry for laboratory analogs of interstellar ices (2023)
  • Author(s): Tetsuya Hama
  • Organizer: The 8th Asian Spectroscopy Conference (ASC2023)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Ultra-High Vacuum Cryogenic Transmission Electron Microscopy of Ices Indicates the Possible Formation of Hydrogen-Ordered Ices (2023)
  • Author(s): Tomoya Yamazaki, Akira Kouchi, Ken-ichiro Murata, Hiroyasu Katsuno, Hiroki Nada, Tetsuya Hama, Yuki Kimura
  • Organizer: The 15th International Conference on the Physics and Chemistry of Ice (PCI-2023)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Visible Light Induced Photodesorption of Hydroxyl Radicals from Amorphous Solid Water (2023)
  • Author(s): Masashi Tsuge, Ayane Miyazaki, Ni-En Sie, W.M.C. Sameera, Yoichi Nakai, Tetsuya Hama, Hiroshi Hidaka, Akira Kouchi, Naoki Watanabe
  • Organizer: The 15th International Conference on the Physics and Chemistry of Ice (PCI-2023)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] In-Situ Observations of Low- and High-Density Unknown Waters at Interfaces between Water and Ices Grown/Melted by Pressure (2023)
  • Author(s): Hiromasa Niinomi, Tomoya Yamazaki, Hiroki Nada, Tetsuya Hama, Akira Kouchi, Tomoya Oshikiri, Masaru Nakagawa, Jun Nozawa, Junpei T. Okada, Satoshi Uda, Yuki Kimura
  • Organizer: The 15th International Conference on the Physics and Chemistry of Ice (PCI-2023)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 赤外多角入射分解分光法による極低温アモルファス氷の表面構造解析 (2023)
  • Author(s): 長谷川 健, 柳澤 広登, 長澤 拓海, 沼舘 直樹, 羽馬 哲也
  • Organizer: 第17回分子科学討論会2023
• [Presentation] 液体脂肪酸試薬中に含まれる微量不純物が紫外吸収スペクトルに与える影響 (2023)
  • Author(s): 齊藤 翔大, 沼舘 直樹, 寺岡 秀将, 小林 広和, 江波 進一, 羽馬 哲也
  • Organizer: 第17回分子科学討論会2023
• [Presentation] 高温真空昇温脱離法(TPD)を用いた模擬星間有機物ダストの化学構造の分析 (2023)
  • Author(s): 妹尾梨子, 左近樹, 吉井丈晴, 羽馬哲也, 清水俊介, 川口遼, 尾中敬
  • Organizer: 日本天文学会2023年秋季年会
• [Presentation] 異方スピノーダル様脱濡れが示唆する水/氷V界面における未知の水の液晶性 (2023)
  • Author(s): 新家 寛正, 山崎 智也, 灘 浩樹, 羽馬 哲也, 香内 晃, 押切 友也, 中川 勝, 木村 勇気
  • Organizer: 第72回高分子討論会
• [Presentation] Impurity contribution to photoabsorption of saturated fatty acids and its implications to tropospheric chemistry (2023)
  • Author(s): T. Hama, S. Saito, N. Numadate, H. Teraoka, S. Enami, H. Kobayashi
  • Organizer: Workshop on Interstellar Matter 2023 (ISM2023)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Experimental measurement for absorption cross section of two-coordinated dangling OH bonds on the surface of amorphous ice at 20 K (2023)
  • Author(s): T. Hasegawa, H. Yanagisawa, T. Nagasawa, N. Numadate, T. Hama
  • Organizer: Workshop on Interstellar Matter 2023 (ISM2023)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] In situ electron diffraction analysis of stacking sequences in ice I under interstellar conditions (2023)
  • Author(s): R. Sato, S. Taniguchi, N. Numadate, T. Hama
  • Organizer: Workshop on Interstellar Matter 2023 (ISM2023)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 液体脂肪酸の光吸収断面積と対流圏での光分解速度 (2023)
  • Author(s): 齊藤翔大, 沼舘直樹, 寺岡秀将, 小林広和, 江波進一, 羽馬哲也
  • Organizer: 第28回大気化学討論会(2023)
• [Presentation] 不純物を除去した液相脂肪酸の紫外吸収スペクトルと吸収断面積 (2023)
  • Author(s): 羽馬 哲也, 齊藤 翔大, 沼舘 直樹, 寺岡 秀将, 小林 広和, 江波 進一
  • Organizer: 原子衝突学会 第48回年会
• [Presentation] 液体有機物界面の光分解ダイナミクス研究への挑戦 (2023)
  • Author(s): 沼舘 直樹, 小泉 憲生, 齊藤 翔大, 羽馬 哲也
  • Organizer: 原子衝突学会 第48回年会
• [Presentation] 氷V/水界面の未知の水のスピノーダル様脱濡れにおける異方性 (2023)
  • Author(s): 新家寛正, 山崎智也, 灘浩樹, 羽馬哲也, 香内晃, 麻川明俊, 押切友也, 中川勝, 木村勇気
  • Organizer: 第52回結晶成長国内会議（JCCG-52）
• [Book] 植物の超階層生物学: ゲノミクス×フェノミクス×生態学でひもとく多様性 第7章 赤外分光法によるヤセイカンランのクチクラの構造解析 -物理化学者による非破壊計測の試み (2023)
  • Author(s): 羽馬 哲也 , 関 功介
  • Total Pages: 344
  • Publisher: 文一総合出版
  • ISBN: 9784829962107
• [Remarks] 物質進化の謎を解き明かす『宇宙の化学』の物語
  • URL: https://10mtv.jp/pc/column/article.php?column_article_id=3813
• [Remarks] 東大と筑波大、海洋エアロゾルに含まれる脂肪酸の光吸収効率を決定することに成功
  • URL: https://www.nikkei.com/article/DGXZRSP662193_Z10C23A9000000/
• [Remarks] 海洋エアロゾル、太陽光ほぼ吸収せず 東大など解明、気候変動予測の精度向上
  • URL: https://www.nikkan.co.jp/articles/view/00686472
• [Remarks] 東北大・北大・鳥取大・東大、キラルな高圧氷と水の界面にキラル液晶らしき水を発見
  • URL: https://www.nikkei.com/article/DGXZRSP666818_R10C24A1000000/