地球外模擬有機物の付着力測定：惑星形成初期段階における有機物の役割の解明

• Project/Area Number: 22KJ0209
• Project/Area Number (Other): 22J00091 (2022)
• Research Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• Allocation Type: Multi-year Fund (2023); Single-year Grants (2022)
• Section: 国内
• Review Section: Basic Section 17010:Space and planetary sciences-related
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: 長足 友哉 東北大学, 理学研究科, 特別研究員(PD)
• Project Period (FY): 2023-03-08 – 2025-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2024)
• Budget Amount: ¥5,200,000 (Direct Cost: ¥4,000,000、Indirect Cost: ¥1,200,000); Fiscal Year 2024: ¥1,690,000 (Direct Cost: ¥1,300,000、Indirect Cost: ¥390,000); Fiscal Year 2023: ¥1,690,000 (Direct Cost: ¥1,300,000、Indirect Cost: ¥390,000); Fiscal Year 2022: ¥1,820,000 (Direct Cost: ¥1,400,000、Indirect Cost: ¥420,000)
• Keywords: 原始惑星系円盤 / ダスト / 有機物 / 付着力

Outline of Research at the Start

惑星は固体微粒子（ダスト）が合体成長して形成したとされているが，岩石質ダストは付着性が低いとされ，その成長を理論的に説明できていない．一方，成層圏で採集される地球外岩石質ダストは有機物に覆われており，それが付着性に大きく影響した可能性がある．本研究は，地球外有機物の合成反応の一つとされるホルモース型反応による合成有機物の付着力を測定することで，岩石質ダストの付着成長条件の解明に迫るものである．

Outline of Annual Research Achievements

圧縮ばねを用いてガラス平板を加速させ，衝突板に衝突させることで平板に付着した粒子に衝撃加速度を与え，粒子が平板から離れる加速度に基づき付着力を測定する機構を考案・実現した．付着力を測定する粒子としては，ホルムアルデヒド，グリコールアルデヒド，アンモニアを水熱反応させて合成される地球外有機物模擬物を用いた．現状では常温常圧環境でのみ測定が可能であることから，潮解性を持つ水に溶ける成分を除去し，不溶性成分のみを使用した．同様の条件下で遠心法による付着力測定も行い，本研究で新しく開発した機構による測定が遠心法と同等の測定結果を示すことを確認した．また，異なる加熱温度で合成される不溶性有機物は異なる粒径をもつことから，付着力の粒径依存性を調べたところ，付着力が粒径に比例するという付着接触理論と調和的な結果が得られた．その比例係数に基づき，不溶性有機物模擬物の表面エネルギーはシリカと同様かより小さいと推定され，原始惑星系円盤における岩石質ダストの付着成長を促進しない可能性が高い．以上の結果は，2025年2月に「The Planetary Science Journal」に掲載された．
また，常温常圧環境は，原始惑星系円盤環境とは大きく異なるため，付着力に影響している可能性がある．そのため，より現実的な低温・真空環境での測定の実現に向け，衝撃加速度発生装置に取り付けることができる冷却可能な小型真空容器を設計した．しかし，質量が増加したことや真空引きのための配管が原因で，現在の衝撃加速度発生機構ではうまく取り扱うことができず，また，加速度計が故障してしまったこともあり，改良がうまく進まなかった．低温・真空環境での付着力測定の実現のため，今後も容器・衝突板・圧縮ばね等の改良を行う予定である．

Research Products

• [Journal Article] Surface Energy of Insoluble Organic Matter Simulant: Evaluation Based on Adhesive Force Measured by Centrifugal and Impact Separation Methods (2025)
  • Author(s): Nagaashi Yuuya、Furukawa Yoshihiro、Nakamura Akiko M.
  • Journal Title: The Planetary Science Journal Volume: 6 Issue: 2 Pages: 34-34
  • DOI: 10.3847/psj/ada60c
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] Evaluation of surface energy of insoluble organic matter simulants from adhesive force measurements (2025)
  • Author(s): Yuuya Nagaashi
  • Organizer: Pebbles in Planet Formation
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 粉体流ダストクラスター間衝突実験システムの開発 (2025)
  • Author(s): 長足友哉
  • Organizer: 令和6年度宇宙科学に関する室内実験シンポジウム
• [Presentation] 不溶性有機物模擬物の表面エネルギー：大気中および真空中での付着力測定による評価 (2024)
  • Author(s): 長足友哉
  • Organizer: 天体の衝突物理の解明（XX）
• [Presentation] Cohesive force measurements of simulated extraterrestrial organic matter (2023)
  • Author(s): Yuuya Nagaashi, Yoshihiro Furukawa, Akiko M. Nakamura
  • Organizer: Protostars and Planets VII
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 地球外模擬有機物の付着力測定に向けた衝撃加速度を用いた測定装置の開発 (2023)
  • Author(s): 長足 友哉，古川 善博
  • Organizer: 日本地球惑星科学連合2023年大会
• [Presentation] 地球外模擬有機物の付着力：遠心法と衝撃分離法による測定 (2023)
  • Author(s): 長足 友哉，古川 善博，中村 昭子
  • Organizer: 日本惑星科学会2023年秋季講演会
• [Presentation] 衝撃加速度を用いた固体微粒子の付着力測定 (2023)
  • Author(s): 長足 友哉，古川 善博，中村 昭子
  • Organizer: 天体の衝突物理の解明 (XIX) ～惑星科学・天文学における衝突現象の解析法～
• [Presentation] ダストサイズ分布をもつ粉体流中の凝集体形成実験および地球外模擬有機物の付着力測定 (2023)
  • Author(s): 長足友哉，中村昭子，長谷川直，古川善博，和田浩二
  • Organizer: 新学術領域「星・惑星形成」2022年度大研究会
• [Presentation] 粉体流中のダストクラスター成長に対するダストサイズ分布の効果 (2023)
  • Author(s): 長足友哉，中村昭子，長谷川直，和田浩二
  • Organizer: 令和４年度宇宙科学に関する室内実験シンポジウム
• [Presentation] Weak and size-independent cohesive force of meteorite fragments: Implications for mobility of particles on a small body (2023)
  • Author(s): Nagaashi, Y., Nakamura, A.
  • Organizer: The 54th Lunar and Planetary Science Conference
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] ダスト凝集現象に対するダストのサイズ分布の効果 (2022)
  • Author(s): 長足友哉，中村昭子，長谷川直，和田浩二
  • Organizer: 第18回 衝突研究会・研究集会
• [Presentation] 地球外模擬有機物の真空・低温環境での付着力測定に向けて (2022)
  • Author(s): 長足友哉，古川善博，中村昭子
  • Organizer: 太陽系天体若手研究会2022