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表面振動分光を基軸とした氷表面の不均一触媒作用の解明

研究課題

研究課題/領域番号 17J08352
研究種目

特別研究員奨励費

配分区分補助金
応募区分国内
研究分野 物理化学
研究機関京都大学

研究代表者

大槻 友志  京都大学, 理学研究科, 特別研究員(DC2)

研究期間 (年度) 2017-04-26 – 2019-03-31
研究課題ステータス 完了 (2018年度)
配分額 *注記
1,900千円 (直接経費: 1,900千円)
2018年度: 900千円 (直接経費: 900千円)
2017年度: 1,000千円 (直接経費: 1,000千円)
キーワード結晶氷 / ナノ粒子 / 表面構造 / 和周波分光 / 氷 / 表面 / 分子構造 / Rh(111)
研究実績の概要

結晶氷はオゾン層破壊の反応場として機能している。上空においては、氷は微粒子として存在しており、その熱力学的特性は、粒子サイズに依存することが知られている。特に、氷微粒子の表面に存在する疑似液体層は、大気中の化学反応に影響を与え、表面融解も粒子サイズに依存すると期待される。しかし、バルク氷の表面であっても、表面融解の開始温度は113-270 Kと論文によって異なる値が報告されており、真の表面融解温度については未だ議論の渦中にある。氷ナノ粒子の表面融解を研究する際には、さらに加えて、よく規定された氷微粒子を作製し、その表面特性を観測する必要がある。そこで、氷のような絶縁体の分子性固体の表面構造を非破壊で計測可能な、ヘテロダイン検出和周波発生振動分光(HD-SFG)を用いて研究を行った。試料は、超高真空槽内で作製したRh(111)清浄表面上に、同位体希釈HOD氷薄膜を蒸着させてナノ結晶氷を作製した。
HOD分子の水素結合OH伸縮振動領域におけるHD-SFGスペクトルの粒子サイズ依存性を測定した。低波数側に正、高波数側に負の信号が観測された。SFGスペクトルの符号は分子配向を反映するため、正の信号は真空側を向いたOH、負の信号はバルク側を向いたOHに帰属される。OH波数は水素結合強度(水の分子間距離)が強いほど低波数になるので、下向きのOHの方が上向きのOHよりも分子間距離が長い、ランプリング構造が発現していることを示している。粒子サイズが小さくなるほど、ピーク波数差は大きくなる。したがって、粒子サイズが小さいほどランプリング振幅が大きくなり、構造乱れが大きくなることが明らかになった。
特に、高さ1.4 nmの粒子は負のバンド幅が非常に大きい。このスペクトルは、結晶氷と液体水のHD-SFGスペクトルの線形結合で良く再現できる。したがって、ナノ粒子の表面が融解していると結論した。

現在までの達成度 (段落)

平成30年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

平成30年度が最終年度であるため、記入しない。

報告書

(2件)
  • 2018 実績報告書
  • 2017 実績報告書
  • 研究成果

    (6件)

すべて 2019 2018 2017

すべて 雑誌論文 (3件) (うち査読あり 3件) 学会発表 (3件)

  • [雑誌論文] Topologically disordered mesophase at the topmost surface layer of crystalline ice between 120 and 200 K2019

    • 著者名/発表者名
      T. Sugimoto, Y. Otsuki, T. Ishiyama, A. Morita, K. Watanabe, and Y. Matsumoto
    • 雑誌名

      Physical Review B

      巻: 99 号: 12 ページ: 121402-121402

    • DOI

      10.1103/physrevb.99.121402

    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Origins of emergent high-Tc ferroelectric ordering in heteroepitaxial ice film: Sum-frequency generation spectroscopy of H2O and D2O ice films on Pt(111)2018

    • 著者名/発表者名
      N. Aiga, *T. Sugimoto, Y. Otsuki, K. Watanabe & Y. Matsumoto
    • 雑誌名

      Phys. Rev. B

      巻: 97 号: 7 ページ: 075410-075410

    • DOI

      10.1103/physrevb.97.075410

    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Unveiling subsurface hydrogen-bond structure of hexagonal water ice2017

    • 著者名/発表者名
      Otsuki Yuji、Sugimoto Toshiki、Ishiyama Tatsuya、Morita Akihiro、Watanabe Kazuya、Matsumoto Yoshiyasu
    • 雑誌名

      Physical Review B

      巻: 96 号: 11 ページ: 115405-115405

    • DOI

      10.1103/physrevb.96.115405

    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
    • 査読あり
  • [学会発表] Rh(111)上に作製した氷薄膜のヘテロダイン検出和周波発生振動分光2018

    • 著者名/発表者名
      大槻友志、杉本敏樹、渡邊一也、松本吉泰
    • 学会等名
      日本表面真空学会
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
  • [学会発表] H2O結晶氷Ih(0001)表面のヘテロダイン検出和周波発生振動分光2017

    • 著者名/発表者名
      大槻友志、杉本敏樹、相賀則宏、渡邊一也、松本吉泰
    • 学会等名
      日本分光学会
    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
  • [学会発表] HDO・H2O結晶氷Ih(0001)表面の構造緩和と振動カップリング2017

    • 著者名/発表者名
      大槻友志, 杉本敏樹, 相賀則宏, 渡邊一也, 松本吉泰
    • 学会等名
      分子科学討論会
    • 関連する報告書
      2017 実績報告書

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公開日: 2017-05-25   更新日: 2024-03-26  

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