小角散乱を用いた雪氷コア含有エアロゾルのマルチスケール定量解析技術の開発

2016 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 15K13567
• Research Institution: Nagaoka University of Technology
• Principal Investigator: 東 信彦 長岡技術科学大学, 工学研究科, 学長 (70182996)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 本間 智之 長岡技術科学大学, 工学研究科, 准教授 (50452082)
• Project Period (FY): 2015-04-01 – 2018-03-31
• Keywords: クリープ / 雪氷 / X線小角散乱

Outline of Annual Research Achievements

気候に影響を及ぼすエアロゾル微粒子が積雪に取り込まれた後の挙動を知ることは、氷床コア解析による古気候復元や氷床モデリングで極めて重要である。これまでの研究では、氷床コアから得られたエアロゾルの情報は、氷床コアを融解または昇華した後の分析結果であり、in-situではない。本研究では、氷床コア中のin-situでのエアロゾル微粒子の大きさ、形状をX線小角散乱（SAXS）を用いてマルチスケール（nm～mm）で定量解析する先鋭的技術を開発する。
平成28年度は、平成27年度に開発した冷却機能を有する試料ホルダーを用いて人工氷中に分散させた10～20nm程の直径を有するシリカの測定を行った。シリカの濃度は0.01、0.1、1wt.%を選択し、0.01wt%まではSAXSを用いてシリカの検出を行うことができることを確認した。SAXSデータの測定には汎用の計算用ソフトにプラグイン可能なIrenaパッケージを用いた。このソフトを用いて得られたSAXSデータを解析したところ、0.01、0.1、1wt.%シリカ添加氷中のシリカの凝集体の大きさが32、60、40nmに達することがわかった。ただし、1wt.%シリカ含有氷ではSAXSの測定上限と言われる100nm以上の大きさを有するシリカの凝集体が形成されるため、見かけ上の凝集体の大きさが小さくなる。
比較のために、走査型電子顕微鏡（SEM）を用いた氷とシリカの表面の直接観察を行った。SAXSでは測定しえないマイクロメートルスケールの凝集体も生成しており、SAXSデータとの整合性が確認できた。

Current Status of Research Progress

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

Reason

クリープ変形後のシリカの挙動のSAXS測定も始めており、おおむね順調である。

Strategy for Future Research Activity

今後はクリープ変形後にいくつかのひずみを選択し、各ひずみにおけるSAXS測定を行う。同時にSEMに付随する後方散乱電子回折を用いた結晶粒径、ひずみ、極点図の測定を実現し、微細なシリカを分散した人工氷のクリープ変形挙動にともなう組織変化を理解する。

Causes of Carryover

当初X線小角散乱専用の特殊ホルダー開発に多額の費用が発生することが危惧された。しかし、試行錯誤により比較的製作コストを低くすることに成功した。

Expenditure Plan for Carryover Budget

透過型電子顕微鏡が瞬停により不具合を起こし、その修理費等に充てる。

Research Products

• [Presentation] Effects of solid particles on crystal structures and mechanical properties of polycrystalline ice (2016)
  • Author(s): T. Saruya, K. Nakajima, T. Homma, M. Takata, N. Azuma, K. Goto-Azuma
  • Organizer: The Seventh Synmposium on Polar Science
  • Place of Presentation: 東京都立川市
  • Year and Date: 2016-11-29 – 2016-12-02
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Effects of solid particles on deformation and texture/facbric evolution of ice (2016)
  • Author(s): W. Shigeyama, N. Nagatsuka, T. Homma, M. Takata, K. Goto-Azuma, I. Waikusat, M.R. Drury, E.J. Kuiper, G.M. Pennock, R.V. Mateiu, N. Azuma
  • Organizer: The Seventh Synmposium on Polar Science
  • Place of Presentation: 東京都立川市
  • Year and Date: 2016-11-29 – 2016-12-02
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] X線小角散乱を用いた人工氷中の超微粒子の定量解析 (2016)
  • Author(s): 新保尚敬、本間智之、高田守昌、東久美子、東信彦
  • Organizer: 雪氷研究大会（2016・名古屋）
  • Place of Presentation: 名古屋大学東山キャンパス
  • Year and Date: 2016-09-29 – 2016-10-01
• [Presentation] 微細粒多結晶氷の塑性変形に及ぼす固体微粒子の影響 (2016)
  • Author(s): 猿谷友孝、中島甲葵、本間智之、高田守昌、東信彦、東久美子
  • Organizer: 雪氷研究大会（2016・名古屋）
  • Place of Presentation: 名古屋大学東山キャンパス
  • Year and Date: 2016-09-29 – 2016-10-01
• [Presentation] 北東グリーンランド氷流での国際氷床深層掘削プロジェクトによる気候・氷床変動の研究 (2016)
  • Author(s): 東久美子, 川村賢二, 藤田秀二, 奥野淳一, 本山秀明, 阿部彩子, グレーベ・ラルフ, 齋藤冬樹, 本間智之, 東信彦, 榎本浩之, Dorthe Dahl-Jensen
  • Organizer: Japan Geoscience Union Meeting 2016
  • Place of Presentation: 千葉県幕張市
  • Year and Date: 2016-05-22 – 2016-05-26