2023 Fiscal Year Annual Research Report
A Self-Oscillatory Growth Model of an Ice Crystal in presence of AFGP impurity
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18K04961
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| Research Institution | Gakushuin University |
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Principal Investigator |
横山 悦郎 学習院大学, 付置研究所, 教授 (40212302)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
古川 義純 北海道大学, 低温科学研究所, 名誉教授 (20113623)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2024-03-31
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| Keywords | 結晶成長速度 / 氷結晶 / 不凍糖タンパク質 / 過冷却水 / 自発的振動 / 不純物効果 / 時間依存したラングミュア吸着等温式 / 遅延時間 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
結晶成長速度の時間変動に関しては、古くからその存在の予測はあったものの原因は成長条件の変動という外因説と推測され、そのメカニズムは不明なままであった。国際宇宙ステーションで行われた不凍糖タンパク質（AFGP）存在下の過冷却水中で成長する氷結晶の実験において振動成長を実際に観察・測定し、その原因がシステム自身に内在することが初めて示された(内因説)。
本研究では、AFGP吸着の時間遅れ効果をラングミュア吸着等温式に取り入れる新たなモデルを構築した。１分子のAFGPには多くの吸着結合子が存在することから、全ての吸着結合子が氷結晶界面の吸着子と結合するまでには時間が必要と予想される。ここでは吸着を阻害できる吸着子は全ての吸着結合子が結合したAFGP分子（完全吸着）のみが関与すると仮定し、この完全吸着に要する時間を吸着の遅延効果とした。この効果を取り入れた時間依存するラングミュア吸着等温式を数値解析的に解くと、完全吸着したAFGP分子の氷界面への吸着量が時間に関して減衰振動する。また吸着界面におけるマクロステップの沿面成長からAFGP分子の吸着量ゼロのリセットが引き起こされ、減衰振動は断続的に発生する。更にAFGPの吸着量と成長速度の相関関係を仮定すると、成長速度の振動が説明できる。以上のAFGPの吸着量が時間に関して減衰振動するモデルは、現在、論文投稿準備中である。
一方、地上実験ではAFGPという不純物の存在下によって成長する氷結晶の成長速度の異方性と結晶形態が変化することが観察されている。そこではAFGPの吸着により成長速度が促進されることが測定されている。この促進現象は、その吸着が界面カイネティックスに及ぼす影響を考察する必要がある。これは今後の課題であり、提案した理論モデルの適用範囲外である。
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