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結晶-融液界面における階層的動力学

研究課題

研究課題/領域番号 16H05979
研究種目

若手研究(A)

配分区分補助金
研究分野 結晶工学
研究機関北海道大学

研究代表者

村田 憲一郎  北海道大学, 低温科学研究所, 助教 (60646272)

研究期間 (年度) 2016-04-01 – 2019-03-31
研究課題ステータス 完了 (2018年度)
配分額 *注記
25,610千円 (直接経費: 19,700千円、間接経費: 5,910千円)
2018年度: 1,170千円 (直接経費: 900千円、間接経費: 270千円)
2017年度: 10,400千円 (直接経費: 8,000千円、間接経費: 2,400千円)
2016年度: 14,040千円 (直接経費: 10,800千円、間接経費: 3,240千円)
キーワード結晶成長 / 融液成長 / その場観察 / ステップバンチング / 擬似液体層 / 表面・界面物性 / 共焦点顕微鏡 / 相転移ダイナミクス
研究成果の概要

氷の一分子段差(0.37 nm)を可視化する共焦点微分干渉顕微鏡を用いて氷-水界面をその場観察することにより、融液界面の微視的状態、および氷成長界面における階層的動力学を実験的に明らかにした。具体的には、水-氷という結晶-融液界面であっても単位ステップが存在すること、また実験条件によって単位ステップがバンチングを起こし、特異なステップダイナミクスを呈することを見出した。加えて、氷表面(氷-気相界面)における擬似液体層の生成を直接観察することで、長年の謎であった擬似液体層の熱力学的起源を解明した。また、氷の気相成長において初めて単位ステップが駆動する渦巻成長過程を可視化することに成功した。

研究成果の学術的意義や社会的意義

同じ凝縮相である(即ち密度差が小さい)結晶相と液体相がその界面どのように区別されるのか、という基礎的な問いに答えることで、融液成長が環境相の異なる気相成長、溶液成長と同じ物理的基盤を有すること示した。本研究結果は、結晶成長メカニズムに対するより包括的な視座を提供するものである。また、本研究の対象である氷は、水と共に地球上にあまねく存在し、氷やその表面を覆う擬似液体層が主役になる自然現象は枚挙に暇がない。例えば、降雪、雲形成、氷上の潤滑、雷雲での電気の発生機構などはその代表例である。本研究により得られた知見は、これらの自然現象の基礎的理解の進展に寄与するものと期待される。

報告書

(4件)
  • 2018 実績報告書   研究成果報告書 ( PDF )
  • 2017 実績報告書
  • 2016 実績報告書
  • 研究成果

    (22件)

すべて 2019 2018 2017 2016

すべて 雑誌論文 (8件) (うち国際共著 2件、 査読あり 8件、 オープンアクセス 3件、 謝辞記載あり 1件) 学会発表 (14件) (うち国際学会 4件、 招待講演 5件)

  • [雑誌論文] How Do Ice Crystals Grow inside Quasiliquid Layers?2019

    • 著者名/発表者名
      Murata K, Nagashima K, Sazaki G
    • 雑誌名

      Phys. Rev. Lett.

      巻: 122 号: 9 ページ: 26102-26102

    • DOI

      10.1103/physrevmaterials.2.093402

    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Quasi-liquid layers can exist on polycrystalline ice thin films at a temperature significantly lower than on ice single crystals.2019

    • 著者名/発表者名
      Chen J, Nagashima K, Murata K, Sazaki G
    • 雑誌名

      Crystal Growth & Design

      巻: 19(1) 号: 1 ページ: 116-124

    • DOI

      10.1021/acs.cgd.8b01091

    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Uptake Mechanism of Atmospheric Hydrogen Chloride Gas in Ice Crystals via Hydrochloric Acid Droplets.2018

    • 著者名/発表者名
      Nagashima K, Sazaki G, Hama T, Murata K, Furukawa Y
    • 雑誌名

      Crystal Growth & Design

      巻: 18(7) 号: 7 ページ: 4117-4122

    • DOI

      10.1021/acs.cgd.8b00531

    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] In-situ observation of spiral growth on ice crystal surfaces.2018

    • 著者名/発表者名
      Murata K, Nagashima K, Sazaki G
    • 雑誌名

      Phys. Rev. Matt.

      巻: 2(9) 号: 2

    • DOI

      10.1103/physrevlett.122.026102

    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Temperature Dependence of the Growth Kinetics of Elementary Spiral Steps on Ice Basal Faces Grown from Water Vapor2018

    • 著者名/発表者名
      Inomata Masahiro、Murata Ken-ichiro、Asakawa Harutoshi、Nagashima Ken、Nakatsubo Shunichi、Furukawa Yoshinori、Sazaki Gen
    • 雑誌名

      Crystal Growth & Design

      巻: 18 号: 2 ページ: 786-793

    • DOI

      10.1021/acs.cgd.7b01251

    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Liquid-like behavior of UV-irradiated interstellar ice analog at low temperatures2017

    • 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

    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Oscillations and accelerations of ice crystal growth rates in microgravity in presence of antifreeze glycoprotein impurity in supercooled water2017

    • 著者名/発表者名
      Yoshinori Furukawa, Ken Nagashima, Shun-ichi Nakatsubo, Izumi Yoshizaki, Haruka Tamaru, Taro Shimaoka, Takehiko Sone, Etsuro Yokoyama, Salvador Zepeda, Takanori Terasawa, Harutoshi Asakawa, Ken-ichiro Murata and Gen Sazaki
    • 雑誌名

      Scientific Reports

      巻: 7 号: 1 ページ: 43157-43157

    • DOI

      10.1038/srep43157

    • NAID

      120006305557

    • 関連する報告書
      2016 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] A new thermodynamic origin of surface melting on ice crystals2016

    • 著者名/発表者名
      K. Murata, H. Asakawa, K. Nagashima, Y. Furukawa
    • 雑誌名

      Proc. Nat. Acad. Sci. USA.

      巻: 113 号: 44

    • DOI

      10.1073/pnas.1608888113

    • NAID

      130005974889

    • 関連する報告書
      2016 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
  • [学会発表] In situ observation of ice crystal growth inside quasi-liquid layers2019

    • 著者名/発表者名
      Ken-ichiro Murata
    • 学会等名
      IMS symposium "Water at interfaces 2018"
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] 氷-水成長界面におけるステップダイナミクス2019

    • 著者名/発表者名
      村田 憲一郎
    • 学会等名
      日本物理学会 第74回年次大会
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
  • [学会発表] Why is the surface of ice wet?2018

    • 著者名/発表者名
      Ken-ichiro Murata
    • 学会等名
      Water on Materials Surface 2018
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] 高分解光学顕微鏡で見る氷-水成長・融解界面の構造とダイナミクス2018

    • 著者名/発表者名
      村田 憲一郎
    • 学会等名
      第47回結晶成長国内会議
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
  • [学会発表] In situ observation of ice-water interfaces by advanced optical microscopy2018

    • 著者名/発表者名
      Ken-ichiro Murata
    • 学会等名
      14th International Conference on the Physics and Chemistry of Ice
    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] 高分解光学顕微鏡で見る氷-水成長・融解界面の構造とダイナミクス2018

    • 著者名/発表者名
      村田憲一郎
    • 学会等名
      日本物理学会第73回年次大会
    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
  • [学会発表] 氷結晶上における擬似液体層の濡れダイナミクス2017

    • 著者名/発表者名
      村田 憲一郎
    • 学会等名
      日本物理学会 第72回年次大会
    • 発表場所
      大阪大学 豊中キャンパス(大阪府 豊中市)
    • 年月日
      2017-03-19
    • 関連する報告書
      2016 実績報告書
  • [学会発表] 氷の表面融解における新しい熱力学的起源2017

    • 著者名/発表者名
      村田憲一郎
    • 学会等名
      2017年真空・表面科学合同講演会
    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 高分解光学顕微鏡による結晶 融液界面のその場観察2017

    • 著者名/発表者名
      村田憲一郎
    • 学会等名
      日本物理学会 2017年秋季大会
    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
  • [学会発表] 高分解光学顕微鏡による氷-水成長・融 解界面のその場観察2017

    • 著者名/発表者名
      村田憲一郎
    • 学会等名
      第46回結晶成長国内会議
    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
  • [学会発表] 氷の表面融解における新しい熱力学的起源2016

    • 著者名/発表者名
      村田 憲一郎
    • 学会等名
      第26回日本MRS年次大会
    • 発表場所
      横浜市開港記念会館(神奈川県 横浜市)
    • 年月日
      2016-12-21
    • 関連する報告書
      2016 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 氷表面上における擬似液体層の濡れダイナミクス:顕微鏡その場観察による擬似液体層の物性測定2016

    • 著者名/発表者名
      村田 憲一郎
    • 学会等名
      日本物理学会 2016年秋季大会領域9シンポジウム :表面界面ナノ構造のその場観察
    • 発表場所
      金沢大学 角間キャンパス(石川県 金沢市)
    • 年月日
      2016-09-15
    • 関連する報告書
      2016 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 氷結晶における表面融解の新しい熱力学的起源2016

    • 著者名/発表者名
      村田 憲一郎
    • 学会等名
      公益社団法人日本セラミックス協会 第29回秋季シンポジウム
    • 発表場所
      広島大学 東広島キャンパス(広島県 東広島市)
    • 年月日
      2016-09-07
    • 関連する報告書
      2016 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] A simple physical model of surface melting on ice crystals2016

    • 著者名/発表者名
      Ken-ichiro Murata
    • 学会等名
      The 18th International Conference on Crystal Growth and Epitaxy
    • 発表場所
      Nagoya Congress Center(愛知県 名古屋市)
    • 年月日
      2016-08-11
    • 関連する報告書
      2016 実績報告書
    • 国際学会

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公開日: 2016-04-21   更新日: 2020-03-30  

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