星間アモルファス氷の普遍的な過冷却液体化の可能性とその物性

• 研究課題/領域番号: 16H04072
• 研究種目: 基盤研究(B)
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 一般
• 研究分野: 岩石・鉱物・鉱床学
• 研究機関: 北海道大学
• 研究代表者: 香内 晃 北海道大学, 低温科学研究所, 教授 (60161866)
• 研究期間 (年度): 2016-04-01 – 2020-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2019年度)
• 配分額: 17,810千円 (直接経費: 13,700千円、間接経費: 4,110千円); 2019年度: 3,770千円 (直接経費: 2,900千円、間接経費: 870千円); 2018年度: 5,330千円 (直接経費: 4,100千円、間接経費: 1,230千円); 2017年度: 3,770千円 (直接経費: 2,900千円、間接経費: 870千円); 2016年度: 4,940千円 (直接経費: 3,800千円、間接経費: 1,140千円)
• キーワード: アモルファス氷 / 紫外線照射 / 液化 / 粘性 / 誘電緩和 / 過冷却液体 / 誘電緩和時間

研究成果の概要

不純物分子を含むアモルファス氷は星間分子雲や原始惑星系円盤に最も大量に存在する固体物質である．それに紫外線が照射されると，アミノ酸，糖，核酸塩基などが生成されることが知られている．しかし，紫外線の照射を受けた氷の物性に関しては研究がなかった．そこで，本研究では，アモルファス氷に10Kで紫外線を照射し，それを加熱する際の変化を光学顕微鏡および透過型電子顕微鏡で観察した．その結果，不純物を含む氷では65～150Kで，アモルファスH2O氷では50-140Kで，液体的挙動をすることがわかった．

研究成果の学術的意義や社会的意義

これまで，アモルファス氷は固体であり，紫外線照射によって変化することはないと考えられてきた．しかし，本研究の発見によりこの常識は覆された．また，この結果は，液化した氷（水）中では光化学反応が格段に速く進むこと，これらの微粒子同士の付着成長が促進される可能性があることを示している．これまでの惑星科学の常識を見直す必要があることを示している．

研究成果

• [国際共同研究] 香港城市大学(中国)
• [雑誌論文] Direct Measurements of Activation Energies for Surface Diffusion of CO and CO2 on Amorphous Solid Water Using In Situ Transmission Electron Microscopy (2020)
  • 著者名/発表者名: A. Kouchi, K. Furuya , T. Hama , T. Chigai, T. Kozasa , and N. Watanabe
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal Letters 巻: 891 号: 1 ページ: L22-L22
  • DOI: 10.3847/2041-8213/ab78a2
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] DESHIMA on ASTE: On-Sky Responsivity Calibration of the Integrated Superconducting Spectrometer (2020)
  • 著者名/発表者名: T. Takekoshi, ..., A. Kouchi, ..., Pieter J. de Visser
  • 雑誌名: Journal of Low Temperature Physics 巻: - 号: 1-2 ページ: 231-239
  • DOI: 10.1007/s10909-020-02338-0
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Ultraviolet-photon exposure stimulates negative current conductivity in amorphous ice below 50 K (2019)
  • 著者名/発表者名: N. Watanabe, W. M. C. Sameera, H. Hidaka, A. Miyazaki, A. Kouchi
  • 雑誌名: Chemical Physics Letters 巻: 737 ページ: 136820-136820
  • DOI: 10.1016/j.cplett.2019.136820
  • 査読あり
• [雑誌論文] First light demonstration of the integrated superconducting spectrometer (2019)
  • 著者名/発表者名: A. Endo, ..., A. Kouchi, ... J. A. Baselmans
  • 雑誌名: Nature Astronomy 巻: 3 号: 11 ページ: 989-996
  • DOI: 10.1038/s41550-019-0850-8
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Nucleobase synthesis in interstellar ices (2019)
  • 著者名/発表者名: Y. Oba, Y. Takano, H. Naraoka, N. Watanabe and A. Kouchi
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 10 号: 1 ページ: 4413-4413
  • DOI: 10.1038/s41467-019-12404-1
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Probing the Molecular Structure and Orientation of the Leaf Surface of Brassica oleracea L. by Polarization Modulation-Infrared Reflection-Absorption Spectroscopy (2019)
  • 著者名/発表者名: T. Hama, K. Seki, A. Ishibashi, A. Miyazaki, A. Kouchi, N. Watanabe, T. Shimoaka, T. Hasegawa
  • 雑誌名: Plant Cell Physiology 巻: 60 号: 7 ページ: 1567-1580
  • DOI: 10.1093/pcp/pcz063
  • 査読あり
• [雑誌論文] Physico-chemical Behavior of Hydrogen Sulfide Induced by Reactions with H and D Atoms on Different Types of Ice Surfaces at Low Temperature (2019)
  • 著者名/発表者名: Y. Oba, T.Tomaru, A. Kouchi, N. Naoki
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal 巻: 874 号: 2 ページ: 124-124
  • DOI: 10.3847/1538-4357/ab0961
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Development of Multi-temperature Calibrator for the TES Bolometer Camera: Deployment at ASTE (2018)
  • 著者名/発表者名: T. Oshima, K. Ohtawara, T. Takekoshi1, S. Ishii, N. Izumi, T. Izumi, M. Yamaguchi, S. Suzuki, K. Muraoka, A. Hirota, F. Saito, S. Nakatsubo, A. Kouchi, T. Ito, K. Uemizu, Y. Fujii, Y. Tamura, K. Kohno, R. Kawabe
  • 雑誌名: Journal of Low Temperature Physics 巻: 193 号: 5-6 ページ: 996-1002
  • DOI: 10.1007/s10909-018-2009-x
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Development of Multi-temperature Calibrator for the TES Bolometer Camera: System Design (2018)
  • 著者名/発表者名: T. Takekoshi, K. Ohtawara, T. Oshima, S. Ishii, N. Izumi, T. Izumi, M. Yamaguchi, S. Suzuki, K. Muraoka, A. Hirota, F. Saito, S. Nakatsubo, A. Kouchi, T. Ito, K. Uemizu, Y. Fujii, Y. Tamura, K. Kohno, R. Kawabe
  • 雑誌名: Journal of Low Temperature Physics 巻: 193 号: 5-6 ページ: 1003-1009
  • DOI: 10.1007/s10909-018-1916-1
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Measurements of the Activation Energies for Atomic Hydrogen Diffusion on Pure Solid CO (2018)
  • 著者名/発表者名: Y. Kimura, M.Tsuge, V. Pirronello, A. Kouchi and N. Watanabe
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal Letters 巻: 858
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] The Ortho-to-para Ratio of Water Molecules Desorbed from Ice Made from Para-water Monomers at 11 K (2018)
  • 著者名/発表者名: T. Hama , A. Kouchi, and N. Watanabe
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal Letters 巻: 857 号: 2 ページ: L13-L13
  • DOI: 10.3847/2041-8213/aabc0c
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] An infrared measurement of chemical desorption from interstellar ice analogues (2018)
  • 著者名/発表者名: Y. Oba, T. Tomaru, T. Lamberts, A. Kouchi, N. Watanabe
  • 雑誌名: Nature Astronomy 巻: 2 号: 3 ページ: 228-232
  • DOI: 10.1038/s41550-018-0380-9
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] 超高真空極低温透過型電子顕微鏡の開発─氷のその場観察をめざして─ (2018)
  • 著者名/発表者名: 香内晃，日高宏，羽馬哲也，木村勇気，渡部直樹，中坪俊一，藤田和之，新堀邦夫，池田正幸
  • 雑誌名: 雪氷 巻: 80 ページ: 19-36
  • NAID: 40021451424
  • 査読あり
• [雑誌論文] Deuterium Fractionation upon the Formation of Hexamethylenetetramines through Photochemical Reactions of Interstellar Ice Analogs Containing Deuterated Methanol Isotopologues (2017)
  • 著者名/発表者名: Y. Oba, Y. Takano, H. Naraoka, A. Kouchi, N. Watanabe
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal 巻: 849 号: 2 ページ: 122-122
  • DOI: 10.3847/1538-4357/aa8ea5
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] In Situ Nondestructive Analysis of Kalanchoe pinnata Leaf Surface Structure by Polarization-Modulation Infrared Reflection?Absorption Spectroscopy (2017)
  • 著者名/発表者名: Hama Tetsuya、Kouchi Akira、Watanabe Naoki、Enami Shinichi、Shimoaka Takafumi、Hasegawa Takeshi
  • 雑誌名: The Journal of Physical Chemistry B 巻: 121 号: 49 ページ: 11124-11131
  • DOI: 10.1021/acs.jpcb.7b09173
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Liquid-like behavior of UV-irradiated interstellar ice analog at low temperatures (2017)
  • 著者名/発表者名: Tachibana Shogo、Kouchi Akira、Hama Tetsuya、Oba Yasuhiro、Piani Laurette、Sugawara Iyo、Endo Yukiko、Hidaka Hiroshi、Kimura Yuki、Murata Ken-ichiro、Yurimoto Hisayoshi、Watanabe Naoki
  • 雑誌名: Science Advances 巻: 3 号: 9
  • DOI: 10.1126/sciadv.aao2538
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] 星間塵表面における量子トンネル水素付加反応：その同位体効果と表面構造依存 (2017)
  • 著者名/発表者名: 羽馬哲也，渡部直樹，香内晃
  • 雑誌名: 触媒 巻: 59 ページ: 242-248
  • 査読あり
• [雑誌論文] Fast crystalline ice formation at extremely low temperature through water/neon matrix sublimation (2017)
  • 著者名/発表者名: Hama Tetsuya、Ishizuka Shinnosuke、Yamazaki Tomoya、Kimura Yuki、Kouchi Akira、Watanabe Naoki、Sugimoto Toshiki、Pirronello Valerio
  • 雑誌名: Physical Chemistry Chemical Physics 巻: 19 号: 27 ページ: 17677-17684
  • DOI: 10.1039/c7cp03315j
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Simulations and Spectra of Water in CO Matrices (2017)
  • 著者名/発表者名: R. Escribano, E. Artacho, A. Kouchi, T. Hama, Y. Kimura, H. Hidaka, and N Watanabe
  • 雑誌名: Physical Chemistry Chemical Physics 巻: 19 号: 10 ページ: 7280-7287
  • DOI: 10.1039/c6cp08248c
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Evolution of morphological and physical properties of laboratory interstellar organic residues with ultraviolet irradiation (2017)
  • 著者名/発表者名: Piani L., Tachibana S., Hama T., Tanaka H., Endo Y., Sugawara I., Dessimoulie L., Kimura Y., Miyake A., Matsuno J., Tsuchiyama A., Fujita K., Nakatsubo S., Fukushi H., Mori S., Chigai T., Yurimoto H. and Kouchi A.
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal 巻: 837 号: 1 ページ: 35-35
  • DOI: 10.3847/1538-4357/aa5ca6
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Negative catalytic effect of water on the reactivity of hydrogen abstraction from the C-H bond of dimethyl ether by deuterium atoms through tunnling at low temperatures (2016)
  • 著者名/発表者名: Y. Oba, N. Watanabe, A. Kouchi
  • 雑誌名: Chemical Physics Letters 巻: 662 ページ: 14-18
  • DOI: 10.1016/j.cplett.2016.07.058
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] 固体芳香族炭化水素への水素・重水素原子付加から探る星間塵表面反応の速度論と同位体分別 (2016)
  • 著者名/発表者名: 羽馬哲也，植田寛和，渡部直樹，香内晃
  • 雑誌名: 地球化学 巻: 50 号: 2 ページ: 33-50
  • DOI: 10.14934/chikyukagaku.50.33
  • NAID: 130005158191
  • ISSN: 0386-4073, 2188-5923
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Matrix sublimation method for the formation of high-density amorphous ice (2016)
  • 著者名/発表者名: A. Kouchi, T. Hama, Y. Kimura, H. Hidaka, R. Escribano, N. Watanabe
  • 雑誌名: Chemical Physics Letters 巻: 658 ページ: 287-292
  • DOI: 10.1016/j.cplett.2016.06.066
  • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Surface Temperature Dependence of Hydrogen Ortho-Para Conversion on Amorphous Solid Water (2016)
  • 著者名/発表者名: H. Ueta, N. Watanabe, T. Hama, and A. Kouchi
  • 雑誌名: Physical Review Letters 巻: 116 号: 25
  • DOI: 10.1103/physrevlett.116.253201
  • NAID: 120005828466
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [学会発表] 低温氷表面上に存在する微量ラジカルの非破壊検出装置の開発 (2020)
  • 著者名/発表者名: 石橋篤季, 日高宏, 大場康弘, 羽馬哲也, 香内晃, 渡部直樹
  • 学会等名: 日本物理学会第75回年次大会
• [学会発表] Surface diffusion of OH radical on amorphous solid water (2019)
  • 著者名/発表者名: Miyazaki, A. , Watanabe, N., Sameera, W.M.C, Hama, T. , Hidaka, H. , Kouchi, A.
  • 学会等名: IAUS 350: Laboratory Astrophysics: from Observations to Interpretation
  • 国際学会
• [学会発表] Liquid-like behavior of water ice induced by vacuum ultraviolet irradiation at low temperatures (2019)
  • 著者名/発表者名: HAMA, Tetsuya; TACHIBANA, Shogo; KOUCHI, Akira; OBA, Yasuhiro; PIANI, Laurette; HIDAKA, Hiroshi; KIMURA, Yuki; MURATA, Ken-ichiro; YURIMOTO, Hisayoshi; WATANABE, Naoki
  • 学会等名: 35th Symposium on Chemical Kinetics and Dynamics
  • 国際学会
• [学会発表] Probing the molecular structure of the intact leaf cuticle by polarization modulation-infrared reflection-absorption spectroscopy (2019)
  • 著者名/発表者名: T.HAMA,K.SEKI, A.ISHIBASHI,A. MIYAZAKI, A.KOUCHI,N.WATANABE, T.SHIMOAKA, T.HASEGAWA
  • 学会等名: 35th Symposium on Chemical Kinetics and Dynamics
  • 国際学会
• [学会発表] H2 formation on a low-temperature diamondlike carbon surface (2019)
  • 著者名/発表者名: TSUGE, Masashi; HAMA, Tetsuya; KIMURA, Yuki; KOUCHI, Akira; WATANABE, Naoki
  • 学会等名: 35th Symposium on Chemical Kinetics and Dynamics
  • 国際学会
• [学会発表] Synthesis of Nitrogen Heterocycles of Astrobiologial Interest in Interstellar Ice Analogs (2019)
  • 著者名/発表者名: Y.Oba,Y.Takano,H.Naraoka,N.Watanabe,A.Kouchi
  • 学会等名: 2019 Astrobiology Science Conference
  • 国際学会
• [学会発表] Reactive desorption of methanol from amorphous solid water at 10K (2019)
  • 著者名/発表者名: H.Hidaka, Y. Yarnall, A. Kouchi, N.Watanabe
  • 学会等名: The 12the meeting on cosmic dust
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Detection of nucleobases dipeptides in organic residues formed by photochemical reactions in interstellar ice analogs (2019)
  • 著者名/発表者名: Y.Oba, Y.Takano,H.Naraoka,N.Watanabe,A. Kouchi
  • 学会等名: Goldschmidt2019
  • 国際学会
• [学会発表] Inversion of surface voltage on H2O films affection sublimation of CO underlayer (2019)
  • 著者名/発表者名: A. Ishibashi, Y.Oba,T.Hama,A.kouchi,N.Watanabe
  • 学会等名: ACS National Meeting & Expo
  • 国際学会
• [学会発表] Activation energy of OH-radical diffusion on water ice surface (2019)
  • 著者名/発表者名: A. Miyazaki, N.Watanabe, W. Sameera, T.Hama, H.Hidaka, A.Kouchi
  • 学会等名: ACS National Meeting & Expo
  • 国際学会
• [学会発表] アモルファスMg2SiO4微粒子を覆った氷の光化学反応によるフォルステライト結晶の生成 (2019)
  • 著者名/発表者名: 香内晃,木村勇気,場康弘,羽馬哲也,渡部直樹,橘省吾,土山明,延寿里美,大坪貴文
  • 学会等名: 日本地球惑星科学連合2019年大会
• [学会発表] 星間分子雲における化学進化：単純分子から核酸塩基生成へ (2019)
  • 著者名/発表者名: 大場康弘,高野淑識,奈良岡浩,渡部直樹,香内晃
  • 学会等名: 第37回有機地球化学シンポジウム
• [学会発表] 低温氷表面吸着物質の高感度非破壊質量分析装置の開発 (2019)
  • 著者名/発表者名: 石橋篤季, 日高宏, 大場康弘, 羽馬哲也, 香内晃, 渡部直樹
  • 学会等名: 原子衝突学会第 44 回年会
• [学会発表] 模擬星間塵氷の光化学反応による核酸塩基生成 (2019)
  • 著者名/発表者名: 大場 康弘,高野 淑識,奈良岡 浩,渡部 直樹 ,香内 晃
  • 学会等名: 日本地球化学会第66回年会
• [学会発表] 超高真空透過型電子顕微鏡による氷の不均質核生成のその場観察 (2018)
  • 著者名/発表者名: 香内 晃、木村 勇気、羽馬 哲也、日高 宏、田中 今日子、渡部 直樹、菅原 いよ、橘 省吾、小笹 隆司
  • 学会等名: JpGU2018
• [学会発表] Nuclear-spin dynamics of interstellar water:ice and gas (2018)
  • 著者名/発表者名: T. Hama
  • 学会等名: Workshop to discuss the future of gas phase research
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Surface physico-chemical processes on interstellar water ice (2018)
  • 著者名/発表者名: T. Hama
  • 学会等名: IMS symposium "Water at interfaces 2018"
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Liquid‐like behavior of UV‐irradiated interstellar ice at low temperatures (2018)
  • 著者名/発表者名: S.Tachibana
  • 学会等名: METEORITES-Understanding the origin of planetodiversity
  • 国際学会
• [学会発表] Laboratory experiments on high‐ and low‐temperature processes in the early Solar System (2018)
  • 著者名/発表者名: S.Tachibana
  • 学会等名: Workshop: Experiment and Modeling in Investigation of Extraterrestrial Material. 81st Annual Meeting of the Meteoritical Society
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] In Situ Observation of Amorphous Ices by Ultrahigh Vacuum TEM (2018)
  • 著者名/発表者名: A. Kouchi
  • 学会等名: 2018 MRS Spring Meeting & Exhibit
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 分子雲での光化学反応による有機物の生成と原始惑星系円盤における進化 (2017)
  • 著者名/発表者名: 香内晃
  • 学会等名: シンポジウム「ダスト形成から惑星の多様性へ：宇宙の物質進化における物理と化学のカップリング
  • 発表場所: 東京大学小柴ホール(東京都文京区）
  • 年月日: 2017-03-08
  • 招待講演
• [学会発表] Observation of liquid-like behavior of UV-irradiated amorphous ices (2017)
  • 著者名/発表者名: A. Kouchi, S. Tachibana, T. Hama, Y. Oba, L. Piani, I. Sugawara, Y. Endo, H. Hidaka, Y. Kimura, K. Murata, H. Yurimoto, and N. Watanabe
  • 学会等名: Meeting on DIPPS (Dust and Ice Particles Spectroscopy and Scattering)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Ortho-to-para ratio of water desorbed from ice and its implications for astronomy and planetary science (2017)
  • 著者名/発表者名: T. Hama, A. Kouchi, N. Watanabe
  • 学会等名: ICPEAC 2017
• [学会発表] Formation of high-density amorphous ice by matrix sublimation method (2016)
  • 著者名/発表者名: A. Kouchi, T. Hama,Y. Kimura, H. Hidaka, R. Escribano,and N. Watanabe
  • 学会等名: Workshop on Interstellar Matter 2016
  • 発表場所: Hokkaido Univ.(Hokkaido, Sapporo)
  • 年月日: 2016-10-19
  • 国際学会
• [学会発表] Measurements of surface profile of amorphous solid water by a non-contact atomic force microscope (2016)
  • 著者名/発表者名: H. Hidaka, Y. Sugimoto, A. Kouchi, and N. Watanabe
  • 学会等名: Workshop on Interstellar Matter 2016
  • 発表場所: Hokkaido Univ.(Hokkaido, Sapporo)
  • 年月日: 2016-10-19
  • 国際学会
• [学会発表] Negative catalytic effect of amorphous solid water on the hydrogen abstraction from dimethyl ether with deuterium atoms at low temperatures (2016)
  • 著者名/発表者名: Y. Oba, N. Watanabe, and A. Kouchi
  • 学会等名: Workshop on Interstellar Matter 2016
  • 発表場所: Hokkaido Univ.(Hokkaido, Sapporo)
  • 年月日: 2016-10-19
  • 国際学会
• [学会発表] Nuclear spin isomers of photodesorbed water from ice at 10 K (2016)
  • 著者名/発表者名: T. Hama, A. Kouchi, and N. Watanabe
  • 学会等名: Workshop on Interstellar Matter 2016
  • 発表場所: Hokkaido Univ.(Hokkaido, Sapporo)
  • 年月日: 2016-10-19
  • 国際学会
• [学会発表] Temperature dependence of ortho-to-para conversion of H2 on amorphous solid water at around 10 K (2016)
  • 著者名/発表者名: H.Ueta, N. Watanabe, T. Hama, and A. Kouchi
  • 学会等名: Workshop on Interstellar Matter 2016
  • 発表場所: Hokkaido Univ.(Hokkaido, Sapporo)
  • 年月日: 2016-10-19
  • 国際学会
• [学会発表] Quantum-tunneling hydrogen abstraction from dimethyl ether-water complex solid at low temperatures: On the effect of complex formation (2016)
  • 著者名/発表者名: Y. Oba, N. Watanabe, A. Kouchi
  • 学会等名: 32nd Symposium on Chemical Kinetice and Dynamics
  • 発表場所: Sonic City (埼玉県さいたま市)
  • 年月日: 2016-06-01
  • 国際学会
• [備考] http://www.lowtem.hokudai.ac.jp/astro/index.html
• [備考] 北海道大学低温科学研究所 宇宙物質科学宇宙雪氷学グループHP
  • URL: http://www.lowtem.hokudai.ac.jp/astro/index.html