Studies on the mechanisms of surface melting of ice polycrystals

2021 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 19H02611
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 30010:Crystal engineering-related
• Research Institution: Hokkaido University
• Principal Investigator: Sazaki Gen 北海道大学, 低温科学研究所, 教授 (60261509)
• 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)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2022-03-31
• Keywords: 氷 / 多結晶 / 表面融解 / 粒界 / 粒表面 / 高分解光学顕微鏡

Outline of Final Research Achievements

We observed the surface melting of polycrystalline ice using an advanced optical microscope, then obtained the following five findings. 1) At temperatures higher than -1.9±0.4 °C, quasi-liquid layers (QLLs) are formed in grooves of grain boundaries. 2) At temperatures higher than -0.7±0.2 °C, QLLs appear on grain surfaces. However, as time elapsed, the QLLs spontaneously disappear within 10 min. 3) At temperatures higher than -0.2 °C, large amount of QLLs appear from grooves of grain boundaries and fully cover grain surfaces. 4) QLLs on grain surfaces show better wettability than those on ice single crystal surfaces. 5) When small amount of NaCl is added, QLLs appear even at -11 °C.

Free Research Field

結晶成長学

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

これまで，単結晶氷の表面融解については，様々な分光学的手法，光学顕微法，原子間力顕微法などを用いて様々な研究が行われてきた．しかし，自然界の大部分の氷は多結晶であり，多結晶は歪みを有する粒界や高指数面からなる粒表面など，単結晶にはない性質を持つ．そのため，様々な自然現象の謎を明らかにするには，まず氷多結晶の表面融解を理解する必要がある．本研究では予想通り，多結晶氷の粒界や粒表面が，単結晶氷にはない特異な表面融解現象を示すことを明らかにすることができた．そのため，本研究で得られた成果は，様々な氷の表面融解に関連する自然現象を今後解明するための出発点として大きく寄与するものと期待している．