| Project Area | Next Generation Astrochemistry: Reconstruction of the Science Based on Fundamental Molecular Processes |
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| Project/Area Number |
20H05849
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Transformative Research Areas (A)
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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Transformative Research Areas, Section (II)
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| Research Institution | Institute of Physical and Chemical Research |
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Principal Investigator |
今田 裕 国立研究開発法人理化学研究所, 開拓研究本部, 上級研究員 (80586917)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
杉本 宜昭 東京大学, 大学院新領域創成科学研究科, 准教授 (00432518)
清水 智子 慶應義塾大学, 理工学部(矢上), 准教授 (00462672)
金 有洙 国立研究開発法人理化学研究所, 開拓研究本部, 主任研究員 (50373296)
数間 恵弥子 国立研究開発法人理化学研究所, 開拓研究本部, 研究員 (50633864)
日高 宏 北海道大学, 低温科学研究所, 助教 (00400010)
香内 晃 北海道大学, 低温科学研究所, 教授 (60161866)
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| Project Period (FY) |
2020-11-19 – 2025-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2022)
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| Budget Amount *help |
¥186,290,000 (Direct Cost: ¥143,300,000、Indirect Cost: ¥42,990,000)
Fiscal Year 2022: ¥23,140,000 (Direct Cost: ¥17,800,000、Indirect Cost: ¥5,340,000)
Fiscal Year 2021: ¥43,940,000 (Direct Cost: ¥33,800,000、Indirect Cost: ¥10,140,000)
Fiscal Year 2020: ¥72,930,000 (Direct Cost: ¥56,100,000、Indirect Cost: ¥16,830,000)
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| Keywords | 塵モデル表面 / 走査プローブ顕微鏡 / 反応素過程 / 単分子分光 / 透過型電子顕微鏡 |
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| Outline of Research at the Start |
分子雲から原始惑星系円盤形成までの構造形成の場は、化学反応が非常に活発に起こる分子進化の場であり、塵表面での分子の表面反応素過程の理解は、分子進化の全容を解明する上で非常に重要である。従来の星間化学では、極低温環境下における物理的にシンプルな仮定に基づき学理が構築されてきた。しかし近年、極低温から中間温度(10-300 K)にかけて、熱励起に起因する豊かな化学反応プロセスの重要性が指摘され、学理の再構築が必要不可欠な状況にある。本研究では、単一分子・原子レベルでの実空間観測・表面分光に基づき塵表面での反応素過程の詳細を解明し、極低温から中間温度における表面反応素過程の学理の再構築を目指す。
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では3つの研究項目（1. 塵モデル表面の作製・評価、2. 氷形成過程と構造の分子・原子レベル解明、3. 表面反応素過程の単一分子レベル解明）に分けられる。項目1では、塵表面のモデルシステムとなるケイ酸塩薄膜はパルスレーザー堆積法（PLD）装置の立上げを最初に行った。次に、チタン酸ストロンチウム(STO)基板にルテニウム酸ストロンチウム薄膜を堆積し、その構造をX線回折、原子間力顕微鏡および走査型トンネル顕微鏡を用いて評価した。PLDにおける各種パラメータに加え、STO基板の洗浄方法を最適化することでSRO薄膜の欠陥を減らせることが明らかとなった。項目2では、アモルファス氷(a-H2O)上のCO、CO2の表面拡散の活性化エネルギー(Esd)を測定した。COの場合は、porousなa-H2O上の方がcompact なa-H2O上よりもEsdが大きいことも分かった。a-H2O上に生成されるCO結晶が、a-H2Oを一様に覆うのではなく、１個のCO単結晶がa-H2Oに付着するような形態で成長することを見出した。さらに、結晶氷表面を微視的に理解することは、氷表面上の様々な化学反応を理解する重要なステップであることから、様々な基板を用いて結晶氷を作製して原子間力顕微鏡によって、その構造を原子レベルで解析した。Pt(111)およびRh(111)基板上に作成した氷は、膜厚によって積層の仕方が異なるが、表面構造は膜厚に依らず同じであった。理想表面は得られず、短距離的秩序を持つ構造が共通に得られ、定説を覆す結果となった。項目3では、星間分子の単分子反応としてAOCSを対象とし、塵モデル表面の対照実験として、Ag表面の上の吸着状態を走査トンネル顕微鏡(STM)により調べた。Ag表面上でOCSは島状構造を形成する一方、孤立分子は観察されず、紫外光または電子によってOCSが反応した様子を確認した。
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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
項目1では、塵表面のモデルシステムとなるケイ酸塩薄膜はPLDにより作製する。2020年度はPLD装置の立上げおよびケイ酸塩を堆積させるための下地となるルテニウム酸ストロンチウム(SRO)薄膜の作製を実施した。チタン酸ストロンチウム(STO)基板にSRO薄膜を堆積し、その構造をX線回折、原子間力顕微鏡および走査型トンネル顕微鏡を用いて評価した。PLDにおける各種パラメータに加え、STO基板の洗浄方法を最適化することでSRO薄膜の欠陥を減らせることが明らかとなった。
項目2では、アモルファス氷(a-H2O)上のCO、CO2の表面拡散の活性化エネルギー(Esd)を測定した。COの場合は、porousなa-H2O上の方がcompact なa-H2O上よりもEsdが大きいことも分かった。a-H2O上に生成されるCO結晶が、a-H2Oを一様に覆うのではなく、１個のCO単結晶がa-H2Oに付着するような形態で成長することを見出した。これはこれまでの氷微粒子の付着成長過程の抜本的見直しを迫る成果である。
さらに、結晶氷表面を微視的に理解することは、氷表面上の様々な化学反応を理解する重要なステップであることから、様々な基板を用いて結晶氷を作製して原子間力顕微鏡によって、その構造を原子レベルで解析した。Pt(111)およびRh(111)基板上に作成した氷は、膜厚によって積層の仕方が異なるが、表面構造は膜厚に依らず同じであった。理想表面は得られず、短距離的秩序を持つ構造が共通に得られ、定説を覆す結果となった。
項目3では、星間分子の単分子反応としてAOCSを対象とし、塵モデル表面の対照実験として、Ag表面の上の吸着状態をSTMにより調べた。Ag表面上でOCSは島状構造を形成する一方、孤立分子は観察されなかった。紫外光照射、電子注入のいずれも場合もOCSが反応した様子を確認した。
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| Strategy for Future Research Activity |
本研究では3つの研究項目（1. 塵モデル表面の作製・評価、2. 氷形成過程と構造の分子・原子レベル解明、3. 表面反応素過程の単一分子レベル解明）を遂行する。項目1では、立ち上げたパルスレーザー堆積（PLD）を用いて、塵モデル表面作製の基板として用いるルテニウム酸ストロンチウム薄膜の最適化を進める。作製した薄膜試料表面を原子間力顕微鏡および走査型トンネル顕微鏡（STM）で観察し、欠陥が少なく、ステップフロー成長により平坦な表面が実現されているか確認する。最適な薄膜基板にさらにマグネシウムや鉄を含むケイ酸塩をPLDで堆積し、その構造を評価する。 項目2では、昨年度に作製したa-Mg2SiO4、有機物、a-C基板を用いて、それらの基板にH2Oを蒸着させた時に生成される氷の構造と組織を、透過型電子顕微鏡で観察する。その結果から、H2Oの各基板上での表面拡散の活性化エネルギーを測定する。同様な手法で，a-H2O上のOCSの表面拡散の活性化エネルギーも測定する。さらに、超高真空中で作成した結晶氷の表面に少量の水分子を吸着させて、超高真空低温原子間力顕微鏡によって高分解能観察を行う。温度を変えながら観察を行うことによって、氷表面上の水分子の拡散に関する情報を得る。また、基板によって氷表面のモルフォロジーが変わることがわかっているため、拡散の基板依存性も調べる。項目3では、STMによる実空間観測および単分子分光を駆使して、PLD装置で作製した塵モデル表面での星間分子の単分子反応の研究を展開していく。初年度に引き続き、厳密に規定された金属表面および不活性な酸化物表面上における分子の解離反応の素過程を、STMを用いた実験により解明する。吸着種の分光学的同定、吸着構造解析、反応エネルギー障壁などの熱力学パラメータの計測、光や電子による反応素過程の単分子計測に基づき、表面反応素過程を解明する。
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