2020 Fiscal Year Annual Research Report
Studies on the mechanisms of surface melting of ice polycrystals
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19H02611
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| Research Institution | Hokkaido University |
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Principal Investigator |
佐崎 元 北海道大学, 低温科学研究所, 教授 (60261509)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
長嶋 剣 北海道大学, 低温科学研究所, 助教 (60436079)
村田 憲一郎 北海道大学, 低温科学研究所, 助教 (60646272)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | 氷 / 多結晶 / 表面融解 / 高分解光学顕微鏡 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
多結晶氷は単結晶氷とは異なり，粒界や高指数面からなる粒表面を持つ．これらが氷結晶の表面融解に及ぼす影響について調べ，2020年（令和２年）度には主に下記の３つの成果を得た．
１．粒界での擬似液体層の生成について：昨年度に，-2°C以上の温度では，粒界の溝で擬似液体層が生成することを見出した．本年度は，粒界溝での擬似液体層の生成と水蒸気圧の関係を調べた．その結果，水蒸気圧が過飽和・未飽和・平衡のいずれであっても，粒界溝では擬似液体層が同様に生成することを見出した．この結果は，粒界溝での擬似液体層の生成は，粒界自体の性質に基づくことを示す．すなわち，温度の増加とともに歪みエネルギーのために不安定な粒界が融解したと考えられる．
２．結晶粒表面での液相の生成：昨年度に，-0.8～-0.6°C以上の温度では，結晶粒表面で擬似液体相が生成するが，10分程度で自発的に消滅することを見出した．本年度は，擬似液体層の生成と水蒸気圧の関係を調べた．その結果，擬似液体層は平衡蒸気圧下ではほとんど生成せず，水蒸気の過飽和・未飽和の増大とともにより多数の擬似液体層が生成することを見出した．この結果は，過飽和・未飽和の増大とともに，擬似液体層の核形成速度が増大したことを示す．すなわち，擬似液体層は準安定相であり，水蒸気の凝縮過程および氷の昇華過程で速度論的に生成することがわかった．
３．融点直下での挙動について：昨年度に，-0.2～-0.1°C以上の温度では，多量の擬似液体層が生成し，多結晶氷表面を覆い尽くすことを見出した．本年度は，その機構を解明するべく，粒界および粒表面の高さの変化を，リニーク型光干渉計を用いて精密に計測した．その結果，粒表面の高さはほぼ変化せず，粒界の高さが大きく上昇することを明らかにした．この結果は，多量の擬似液体層は，粒表面ではなく粒界が融解したために生成したことを示す．
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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
昨年度はじめに計画した研究項目，１）粒界での擬似液体層の生成，２）粒表面での擬似液体層の生成，３）融点直下での挙動，の全てにおいて，研究実績の概要に示したように順調な進展が見られた．
しかし，研究実績２）結晶粒表面での液相の生成の研究を進める中で，結晶粒表面では，単結晶表面での場合に比べてずっと小さな過飽和（未飽和）条件でも擬似液体層が生成することが明らかとなった．この結果は，結晶粒表面はベーサル面に比べて擬似液体層に対する濡れ性がより良いことを示唆する．結晶表面の濡れ性は，擬似液体層の濡れ転移（K. Murata, et al., Proc. Nat. Acad. Sci. USA., 113, E6741-E6748, 2016）に極めて大きな影響を及ぼす．そのため，結晶粒表面での擬似液体層の濡れ性については，2021年度に検討課題として取り組みたい．
また，同じ研究実績２）の課題に取り組む中で，結晶粒表面で一旦生成した擬似液体層が自発的に消滅する新たな原因が浮上した．すなわち，高指数面で形成される結晶粒表面は付着成長機構で成長するため，主に渦巻き成長機構で成長するベーサル面よりも速く成長する．そのため，粒表面の速い成長に伴い準安定相である擬似液体層が消費されるために，擬似液体層が消滅してしまうものと考えられる．この可能性については，2021年度の研究を推進する中で，余裕があれば検討したい．
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| Strategy for Future Research Activity |
これまでの結果に基づき，2021年度には，下記の４点の研究を実施予定である．
１）結晶粒表面の濡れ性の解明：2020年度の研究により，氷多結晶の結晶粒表面では，氷単結晶表面に比べて，擬似液体層との濡れ性が良いことが示唆された．この違いは，氷単結晶表面は低指数面で囲まれるのに対し，多結晶粒表面では高指数面が露出しているためであると予想される．この予想を裏付けるべく，結晶粒表面で擬似液体層が生成する過程をレーザー共焦点微分干渉顕微鏡(LCM-DIM)およびリニーク型光干渉計を用いて直接観察し，擬似液体層の接触角や生成形態を明らかにする．
２）多結晶氷の表面融解に及ぼす不純物の影響：これまでは超純水を試料として研究を行ってきたが，天然の環境中では常に何らかの不純物が氷多結晶に含まれており，その影響は大きいと予想される．そのため，天然にも多量に存在するNaClを不純物として意図的に加えた系について，LCM-DIMを用いてこれまでと同様のその場観察を行う．そして，NaClが粒界の融解や結晶粒表面での擬似液体層の生成に及ぼす効果を明らかにする．
３）より低温下（-150～-30 °C）での多結晶氷の光学直接観察：近年，和周波分光法による氷単結晶表面の研究により，-90°C以上の温度では氷単結晶の最外分子層が融解し，さらに-16°C以上の温度では第２分子層も融解する可能性が示された．この知見が本当であれば，高指数面で覆われる結晶粒の場合には，さらに顕著な変化が見られるはずである．そこで，-150～-30 °Cの低温下で氷結晶表面をその場観察できるチャンバーを新たに作成し，氷多結晶の結晶粒表面をLCM-DIM観察することで，氷多結晶の結晶粒表面に特有な表面融解現象を見出す．
４）総括：これまでに得られた全ての知見を総合し，多結晶氷に特有な表面融解現象を総合的に理解する．
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Research Products
(14 results)
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[Journal Article] Ice crystal growth experiments conducted in the Kibo of international space station2021
Author(s)
Y. Furukawa, K. Nagashima, E. Yokoyama, S. Nakatsubo, S. Zepeda, I. Yoshizaki, H. Tamaru, T. Shimaoka, T. Sone, T. Maki, Asuka Yamamoto, T. Tomobe, K. Murata, G. Sazaki
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Journal Title
Int. J. Microgravity Sci. Appl.
Volume: 38
Pages: 380101-1-24
DOI
Peer Reviewed
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