2021 Fiscal Year Research-status Report
微小重力環境下での結晶成長過程における不純物効果の理論的解明
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20K05347
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| Research Institution | Nagoya City University |
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Principal Investigator |
三浦 均 名古屋市立大学, 大学院理学研究科, 准教授 (50507910)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2024-03-31
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| Keywords | 宇宙実験 / 結晶成長 / 不純物効果 / 成長ヒステリシス / 自発的振動成長 / 平均場理論 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
不純物の存在によって結晶の成長が大きく影響を受けることは古くから知られていた。不純物の含有量がわずかであっても結晶成長に大きく影響することがあるため，結晶成長を考える際には不純物の影響を無視することはできない。近年，結晶成長における不純物効果の解明を目指し，国際宇宙ステーション（ISS）に搭載された日本実験棟「きぼう」においていくつかの結晶成長その場観察実験が実施された。微小重力環境にて実施されたこれらの実験は，結晶成長における未知の現象の存在を示唆した。しかし，ISSで得られた実験結果は，理論的に十分説明されているとは言えない。本研究では，ISSで得られた実験結果を数値計算によって再現することを通して，結晶成長における不純物効果の理解を深め,その成果を結晶成長学に還元し，結晶成長が関与する諸分野の発展に貢献することを目的としている。
ISSで実施された実験プロジェクトに，過冷却水からの氷結晶成長その場観察実験Ice Crystal 2プロジェクト（IC2）がある。IC2では，氷結晶の成長に対する不凍糖タンパク質（AFGP）の影響を調べるため，AFGPを含む過冷却水を用いた。ISSの微小重力環境下で成長する氷結晶ベーサル面の成長速度をその場測定した結果，結晶成長セルの温度を一定に制御していたにも関わらず，成長速度が自発的に振動するという未知の現象（自発的振動成長）が発見された。自発的振動成長自体は，他の結晶と不純物の組み合わせを用いた地上実験でも確認されていたが，IC2で確認された振動現象は成長速度の「促進」を伴うという点で特異的な現象である。AFGPが氷結晶の成長に及ぼす作用を理論的に解明することは、水が凍る現象に関連するさまざまな分野への応用を検討する上で重要である。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
二年目が終了した時点の主な成果は以下の2点である。(1) AFGPによる氷結晶の成長抑制・促進効果をモデル化し，平均場近似に基づいて定式化することで，IC2で確認された結晶成長の促進を伴う自発的振動成長メカニズムを理論的に説明することに世界で初めて成功した点，および，(2)フェーズフィールド法とモンテカルロ法という異なる2つの数値計算手法を組み合わせることで，平均場理論が予想する自発的振動成長をコンピュータ上で再現することに世界で初めて成功した点，である。当初の計画では，二年目のうちに成果(1)のモデル化を完了させる予定だったが，それは計画通りである。現在，国際学術誌への投稿用原稿を執筆中である（2022年5月13日現在，英文校正が終了し，投稿準備がほぼ完了した状態）。また，当初の計画では，二年目から四年目にかけて数値計算・実験結果との比較に取り組む予定であったが，数値計算コードはすでに開発がほぼ完了しており，上記の成果(2)のとおりに結果も得られている。まとめると，二年目に完了する予定であったモデル化はすでに成果がほぼまとまっており，四年目までに完了する予定であった数値計算・実験結果との比較は，二年目終了時点で成果が得られつつあることから，当初の計画以上に進展していると判断できる。
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| Strategy for Future Research Activity |
今後は，当初の研究の予定どおり，数値計算・実験結果との比較，および，理論の一般化に取り組む。数値計算については，「現在までの進捗状況」でも述べたとおり，数値計算結果がすでに得られつつある。この成果をまとめ，2022年度内に国際学術誌に投稿し，掲載を目指す。実験結果との比較をする際は，研究協力者と協議を行なう。協議にはインターネットを介した遠隔会議ツールを積極的に活用するが，必要に応じて直接打ち合わせを行なう。また，AFGPによる氷結晶成長の阻害・促進効果のモデルを他の系に適用し，起こりうる結果を理論予測することで，理論の一般化を検討する。得られた成果は，国内外の学会や研究会で発表し，また，学術論文にまとめて国際的ジャーナルに投稿する。
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| Causes of Carryover |
当初の予定では，令和３年度の予算の大半は旅費に使用する予定だった。しかし，新型コロナウイルス感染症の流行のため，出張が制限されたことが，次年度使用が生じた理由である。
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