2016 Fiscal Year Research-status Report
中性子回折による水素ハイドレートの高圧結晶構造の解明と横断的科学分野への応用
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16K17547
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| Research Institution | 一般財団法人総合科学研究機構(総合科学研究センター(総合科学研究室)及び中性子科学センター(研究開発 |
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Principal Investigator |
町田 真一 一般財団法人総合科学研究機構(総合科学研究センター(総合科学研究室)及び中性子科, 中性子科学センター, 研究員 (30554373)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | 水素ハイドレート / 高圧 / 中性子回折 / 構造解析 / ダイヤモンドアンビルセル |
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| Outline of Annual Research Achievements |
水素ハイドレートとは、氷と水素分子の共存状態において、低温あるいは高圧条件下で形成される固体結晶である。宇宙空間中の広い範囲で、この水素ハイドレートが偏在し、水素分子のリザーバとして、天体の形成や進化に重要な影響を及ぼしている可能性がある。しかしながら、従来の研究手法では結晶構造内での水素の情報を得ることが難しかったため、水素ハイドレートの物性研究には、詳細な構造の解明など多くの未解決問題が残されている。本研究では、水素原子を直接測定することが可能な中性子回折実験の手法を用いて、水素ハイドレートの詳細な高圧構造を決定し、ハイドレート物性を解明することを目的として研究を行っている。
本年度は、高圧条件下における水素ハイドレートの中性子回折実験を行うための、高圧発生装置の開発を行った。すなわち、大強度のパルス中性子源を利用した中性子実験施設、J-PARC・物質生命科学実験施設(MLF)の、高圧中性子ビームラインPLANETにおいて使用することのできる、高圧発生装置・ダイヤモンドアンビルセル(DAC)を開発することを課題として取り組んできた。
DACとは、先端を平らにした2つのダイヤモンドアンビルで、ガスケットと呼ばれる金属板を挟むことで加圧を行う装置である。本年度の装置開発により、中性子回折実験を行うために必要な新たな大容量のDACを製作した。その後、本装置を用いたDACの加圧テストを行い、35万気圧の高圧発生に成功した。さらに、J-PARCのPLANETビームラインにおいて、水を試料とした高圧中性子回折実験を行うことにも成功し、DAC中の高圧試料について、中性子回折パターンを得ることが可能となった。一方で、ダイヤモンドを通したことで中性子の入射強度のプロファイルが変化することが明らかとなり、構造解析を行うためには、プロファイルの補正方法を確立する必要があることが示された。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
平成28年度は、高圧発生装置・ダイヤモンドアンビルセル(DAC)を開発して本装置の高圧発生テストを行うこと、また、J-PARC・MLFの高圧中性子ビームラインPLANETにおいて中性子回折実験のテストを行うことを目標として研究を進めてきた。
実際の成果として、DAC装置を用いた35万気圧の高圧発生に成功した。さらに、水を試料として中性子回折実験を行うことができた。このことから、本年度の研究計画を達成できたということができる。また本成果により、次年度以降に目標としていた水素ハイドレートの高圧中性子回折実験の実施の足掛かりを築くことができた。
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| Strategy for Future Research Activity |
平成29年度は、開発を行ったダイヤモンドアンビルセル(DAC)を用いて、水素ハイドレートの高圧実験を行い、結晶構造の解析を行う計画である。
そのための課題として、中性子ビームをダイヤモンドアンビルに通すことで変化する、入射強度のプロファイルを補正するための方法を確立する必要がある。この課題は、平成28年度の研究によって新たに生じたものであり、測定方法及び補正の計算方法を検討しながら、研究を進めていく。
水素ハイドレート試料は、物質・材料研究機構において、あらかじめ水を充填しておいたDAC内にD2水素の超臨界流体を充填し、その後加圧して生成する計画である。作成した試料は、DACごとJ-PARC, MLFのPLANETビームラインに持ち込み、高圧中性子実験を行う。得られた回折パターンについて結晶構造解析を行い、水素ハイドレートの詳細な構造の決定を行っていく。
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