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2018 Fiscal Year Annual Research Report

Hierarchical dynamics of crystal-melt interfaces

Research Project

Project/Area Number 16H05979
Research InstitutionHokkaido University

Principal Investigator

村田 憲一郎  北海道大学, 低温科学研究所, 助教 (60646272)

Project Period (FY) 2016-04-01 – 2019-03-31
Keywords結晶成長 / 融液成長 / その場観察 / ステップバンチング / 擬似液体層
Outline of Annual Research Achievements

単一成分液体からの結晶成長および融解は、普遍的かつ典型的な一次相転移現象であるが、その動力学の主役である結晶-融液界面の物理描像については未解明な点が多く、結晶-気体界面(気相成長)や結晶-溶液界面(溶液成長)ほどの精緻な理解には至っていない。本研究では、密度差が10%に満たない結晶相と液体相がどのように区別されるのか、そしてその界面構造が結晶成長にどのような影響を及ぼすのかを解明することが狙いである。我々は、氷の一分子段差(0.37 nm)を可視化する共焦点微分干渉顕微鏡を用いて氷-水界面をその場観察することにより、界面の微視的状態、および氷成長界面における階層的動力学を実験的に明らかにした。具体的には、水-氷という結晶-融液界面であっても単位ステップが存在すること(即ち結晶相と液体相は一分子レベルで区別されることを示唆する)、また実験条件によって単位ステップがバンチング(束化)を起こし、特異なステップダイナミクスを呈することを見出した。これらの結果は、結晶成長の基本概念であるキンク-ステップ-テラス描像が、気相や溶液等の環境相の違いを越えて、融液成長においても成り立つことを強く示唆する。

加えて、類似の系である気相に接する氷表面の研究、特に擬似液体層に関する研究においても大きな進展があった。上記の共焦点微分干渉顕微鏡により氷表面における擬似液体層の生成を直接観察することで、長年の謎であった擬似液体層の熱力学的起源を解明した。また、氷の気相成長において初めて単位ステップが駆動する渦巻成長過程を可視化することにも成功した。

Research Progress Status

平成30年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

平成30年度が最終年度であるため、記入しない。

  • Research Products

    (8 results)

All 2019 2018

All Journal Article (4 results) (of which Peer Reviewed: 4 results) Presentation (4 results) (of which Int'l Joint Research: 2 results,  Invited: 1 results)

  • [Journal Article] How Do Ice Crystals Grow inside Quasiliquid Layers?2019

    • Author(s)
      Murata Ken-ichiro、Nagashima Ken、Sazaki Gen
    • Journal Title

      Physical Review Letters

      Volume: 122 Pages: -

    • DOI

      https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.122.026102

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Uptake Mechanism of Atmospheric Hydrogen Chloride Gas in Ice Crystals via Hydrochloric Acid Droplets2018

    • Author(s)
      Nagashima Ken、Sazaki Gen、Hama Tetsuya、Murata Ken-ichiro、Furukawa Yoshinori
    • Journal Title

      Crystal Growth & Design

      Volume: 18 Pages: 4117~4122

    • DOI

      10.1021/acs.cgd.8b00531

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] In situ observations of spiral growth on ice crystal surfaces2018

    • Author(s)
      Murata Ken-ichiro、Nagashima Ken、Sazaki Gen
    • Journal Title

      Physical Review Materials

      Volume: 2 Pages: -

    • DOI

      https://doi.org/10.1103/PhysRevMaterials.2.093402

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Quasi-Liquid Layers Can Exist on Polycrystalline Ice Thin Films at a Temperature Significantly Lower than on Ice Single Crystals2018

    • Author(s)
      Chen Jialu、Nagashima Ken、Murata Ken-ichiro、Sazaki Gen
    • Journal Title

      Crystal Growth & Design

      Volume: 19 Pages: 116~124

    • DOI

      10.1021/acs.cgd.8b01091

    • Peer Reviewed
  • [Presentation] In situ observation of ice crystal growth inside quasi-liquid layers2019

    • Author(s)
      Ken-ichiro Murata
    • Organizer
      IMS symposium "Water at interfaces 2018"
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 氷-水成長界面におけるステップダイナミクス2019

    • Author(s)
      村田 憲一郎
    • Organizer
      日本物理学会 第74回年次大会
  • [Presentation] Why is the surface of ice wet?2018

    • Author(s)
      Ken-ichiro Murata
    • Organizer
      Water on Materials Surface 2018
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] 高分解光学顕微鏡で見る氷-水成長・融解界面の構造とダイナミクス2018

    • Author(s)
      村田 憲一郎
    • Organizer
      第47回結晶成長国内会議

URL: 

Published: 2019-12-27  

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