完全な氷Icを基軸とした新たな氷の物理化学の展開

• 研究課題/領域番号: 18H01936
• 研究種目: 基盤研究(B)
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 一般
• 審査区分: 小区分32010:基礎物理化学関連
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 小松 一生 東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 准教授 (50541942)
• 研究分担者: 町田 真一 一般財団法人総合科学研究機構(総合科学研究センター(総合科学研究室)及び中性子科学センター(研究開発, 中性子科学センター, 研究員 (30554373) ; 則竹 史哉 山梨大学, 大学院総合研究部, 助教 (50755569)
• 研究期間 (年度): 2018-04-01 – 2022-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2021年度)
• 配分額: 17,290千円 (直接経費: 13,300千円、間接経費: 3,990千円); 2021年度: 1,430千円 (直接経費: 1,100千円、間接経費: 330千円); 2020年度: 1,430千円 (直接経費: 1,100千円、間接経費: 330千円); 2019年度: 4,290千円 (直接経費: 3,300千円、間接経費: 990千円); 2018年度: 10,140千円 (直接経費: 7,800千円、間接経費: 2,340千円)
• キーワード: 氷 / 積層不整 / 高圧 / 中性子回折 / 分子動力学計算 / 密度汎関数法

研究成果の概要

立方晶氷(氷Ic)は，宇宙空間にも普遍的に存在する可能性の高い重要な氷の多形の一つである。しかしながら、これまで発見された氷Icには必ず積層不整が含まれ、その構造や物性には未知の部分が多く残されていた。本研究では，氷Icと同じ水分子フレームワークを持つ水素ハイドレート（C2）から水素を抜き取るという方法で、世界で初めて積層不整のない氷Icの合成に成功し、その結晶構造を決定した。また氷Icの合成に付随してC2の高圧下中性子回折パターンの測定およびその結晶構造解析にも世界で初めて成功した。

研究成果の学術的意義や社会的意義

本研究で用いた方法によって氷Icの単一の結晶相が得られるため、これまで謎に包まれていた氷Icの基礎物性の理解が飛躍的に進むとともに、積層不整を含む氷と比較することで、積層不整が氷の物性にあたえる影響についての理解が進むことが期待される。積層不整した氷は、北極や南極の成層圏にある雲の中や宇宙空間、もしくは急速凍結した生体試料・冷凍食品などにも普遍的に存在しているため、本研究の成果は幅広い研究分野に重要な知見を与えるものとなる。さらに、水素ハイドレートから氷が得られたことで、その逆反応を利用して氷を水素貯蔵材料として用いる研究の展開も期待できる。

研究成果

• [国際共同研究] Sorbonne Univ.(フランス)
• [国際共同研究] Sorbonne Univ.(フランス)
• [国際共同研究] Sorbonne Univ.(フランス)
• [国際共同研究] Sorbonne Univ.(フランス)
• [雑誌論文] Tuning the donor?acceptor interactions in phase-segregated block molecules (2022)
  • 著者名/発表者名: Lamers Brigitte A. G.、van Son Martin H. C.、de Graaf Freek V.、van den Bersselaar Bart W. L.、de Waal Bas F. M.、Komatsu Kazuki、Sato Hiroshi、Aida Takuzo、Berrocal Jos? Augusto、Palmans Anja R. A.、Vantomme Ghislaine、Meskers Stefan C. J.、Meijer E. W.
  • 雑誌名: Materials Horizons 巻: 9 号: 1 ページ: 294-302
  • DOI: 10.1039/d1mh01141c
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Improvement of nano-polycrystalline diamond anvil cells with Zr-based bulk metallica glass cylinder for higher pressures: application to Laue-TOF diffractometer (2022)
  • 著者名/発表者名: Yamashita, K., Komatsu, K., Ohhara, T., Munakata, K., Irifune, T., Shinmei, T., Sugiyama, K., Kawamata, T. and Kagi, H.
  • 雑誌名: High Pressure Research 巻: 42 号: 1 ページ: 121-135
  • DOI: 10.1080/08957959.2022.2045982
  • 査読あり
• [雑誌論文] Pressure-induced phase transitions of cobalt sulfate hydrates and discovery of a new high-pressure phase, CoSO4・5H2O (2022)
  • 著者名/発表者名: Zhao Zhenghao、Kagi Hiroyuki、Komatsu Kazuki、Yamashita Keishiro、Nakano Satoshi
  • 雑誌名: Journal of Solid State Chemistry 巻: 308 ページ: 122904-122904
  • DOI: 10.1016/j.jssc.2022.122904
  • 査読あり
• [雑誌論文] Pressure-induced transition from Jeff = 1/2 to S = 1/2 states in CuAl2O4 (2021)
  • 著者名/発表者名: Cho Hwanbeom、Kim Choong H.、Lee Yongmoon、Komatsu Kazuki、Cho Byeong-Gwan、Cho Deok-Yong、Kim Taehun、Kim Chaebin、Kim Younghak、Koo Tae Yeong、Noda Yukio、Kagi Hiroyuki、Khomskii Daniel I.、Seoung Donghoon、Park Je-Geun
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 103 号: 8
  • DOI: 10.1103/physrevb.103.l081101
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Compressibility and blue-shifting O?H stretching bands of magnesium hydroxyfluoride Mg(OH)F up to 20??GPa (2021)
  • 著者名/発表者名: He Xuejing、Kagi Hiroyuki、Komatsu Kazuki、Nakano Satoshi
  • 雑誌名: Journal of Solid State Chemistry 巻: 303 ページ: 122449-122449
  • DOI: 10.1016/j.jssc.2021.122449
  • 査読あり
• [雑誌論文] 高圧中性子回折実験で迫る氷多形の未解決問題 (2021)
  • 著者名/発表者名: 小松一生
  • 雑誌名: 岩石鉱物科学 巻: 50 号: 1 ページ: 1-9
  • DOI: 10.2465/gkk.210108a
  • NAID: 130008002709
  • ISSN: 1345-630X, 1349-7979
• [雑誌論文] An elastic metal-organic crystal with a densely catenated backbone (2021)
  • 著者名/発表者名: Meng Wenjing、Kondo Shun、Ito Takuji、Komatsu Kazuki、Pirillo Jenny、Hijikata Yuh、Ikuhara Yuichi、Aida Takuzo、Sato Hiroshi
  • 雑誌名: Nature 巻: 598 号: 7880 ページ: 298-303
  • DOI: 10.1038/s41586-021-03880-x
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Origin of magnetovolume effect in a cobaltite (2021)
  • 著者名/発表者名: P. Miao, Z. Tan, S. Lee, Y. Ishikawa, S. Torii, M. Yonemura, A. Koda, K. Komatsu, S. Machida, A. Sano-Furukawa, T. Hattori, X. Lin, K. Li, T. Mochiku, R. Kikuchi, C. Kawashima, H. Takahashi, Q. Huang, S. Itoh, R. Kadono, Y. Wang, F. Pan, K. Yamauchi and T. Kamiyama
  • 雑誌名: Phys. Rev. B 巻: 103 号: 9 ページ: 094302-094302
  • DOI: 10.1103/physrevb.103.094302
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Observation of dihydrogen bonds in high-pressure phases of ammonia borane by X-ray and neutron diffraction measurements (2021)
  • 著者名/発表者名: Satoshi Nakano, Asami Sano-Furukawa, Takanori Hattori, Shinichi Machida, Kazuki Komatsu, Hiroshi Fujihisa, Hiroshi Yamawaki, Yoshito Gotoh, and Takumi Kikegawa
  • 雑誌名: Inorg. Chem. 巻: 60 号: 5 ページ: 3065-3073
  • DOI: 10.1021/acs.inorgchem.0c03345
  • 査読あり
• [雑誌論文] Experimental evidence for the existence of a second partially-ordered phase of ice VI (2021)
  • 著者名/発表者名: Yamane Ryo、Komatsu Kazuki、Gouchi Jun、Uwatoko Yoshiya、Machida Shinichi、Hattori Takanori、Ito Hayate、Kagi Hiroyuki
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 12 号: 1 ページ: 1129-1129
  • DOI: 10.1038/s41467-021-21351-9
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Direct evidence of the proton-dynamics crossover in ice VII from high-pressure dielectric measurements beyond 10 GPa (2021)
  • 著者名/発表者名: Yamane Ryo、Komatsu Kazuki、Kagi Hiroyuki
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 104 号: 21 ページ: 214304-214304
  • DOI: 10.1103/physrevb.104.214304
  • 査読あり
• [雑誌論文] High-pressure responses of alkali metal hydrogen carbonates, RbHCO3 and CsHCO3: Findings of new phases and unique compressional behavior (2020)
  • 著者名/発表者名: Iizuka-Oku Riko、Gui Weibin、Komatsu Kazuki、Yagi Takehiko、Kagi Hiroyuki
  • 雑誌名: Journal of Solid State Chemistry 巻: 283 ページ: 121139-121139
  • DOI: 10.1016/j.jssc.2019.121139
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Crystal structure and magnetism of MnO under pressure (2020)
  • 著者名/発表者名: Klotz S.、Komatsu K.、Polian A.、Machida S.、Sano-Furukawa A.、Itie J.-P.、Hattori T.
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 101 号: 6 ページ: 064105-064105
  • DOI: 10.1103/physrevb.101.064105
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Anomalous hydrogen dynamics of the ice VII?VIII transition revealed by high-pressure neutron diffraction (2020)
  • 著者名/発表者名: Komatsu Kazuki、Klotz Stefan、Machida Shinichi、Sano-Furukawa Asami、Hattori Takanori、Kagi Hiroyuki
  • 雑誌名: Proceedings of the National Academy of Sciences 巻: 117 号: 12 ページ: 6356-6361
  • DOI: 10.1073/pnas.1920447117
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Developments of nano-polycrystalline diamond anvil cells for neutron diffraction experiments (2020)
  • 著者名/発表者名: Komatsu Kazuki、Klotz Stefan、Nakano Satoshi、Machida Shinichi、Hattori Takanori、Sano-Furukawa Asami、Yamashita Keishiro、Irifune Tetsuo
  • 雑誌名: High Pressure Research 巻: 40 号: 1 ページ: 184-193
  • DOI: 10.1080/08957959.2020.1727465
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Ice Ic without stacking disorder by evacuating hydrogen from hydrogen hydrate (2020)
  • 著者名/発表者名: Komatsu Kazuki、Machida Shinichi、Noritake Fumiya、Hattori Takanori、Sano-Furukawa Asami、Yamane Ryo、Yamashita Keishiro、Kagi Hiroyuki
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 11 号: 1 ページ: 464-464
  • DOI: 10.1038/s41467-020-14346-5
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] 高圧中性子回折実験が氷多形の研究にもたらしたもの (2020)
  • 著者名/発表者名: 小松一生
  • 雑誌名: 日本結晶学会誌 巻: 62 号: 3 ページ: 190-197
  • DOI: 10.5940/jcrsj.62.190
  • NAID: 130007896112
  • 査読あり
• [雑誌論文] A nano-polycrystalline diamond anvil cell with bulk metallic glass cylinder for single-crystal neutron diffraction (2019)
  • 著者名/発表者名: Yamashita Keishiro、Komatsu Kazuki、Klotz Stefan、Fernandez-Diaz Maria T.、Fabelo Oscar、Irifune Tetsuo、Sugiyama Kazumasa、Kawamata Tooru、Kagi Hiroyuki
  • 雑誌名: High Pressure Research 巻: 40 号: 1 ページ: 88-95
  • DOI: 10.1080/08957959.2019.1700980
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] High-pressure structure and electronic properties of YbD2 to 34 GPa (2019)
  • 著者名/発表者名: Klotz S.、Casula M.、Komatsu K.、Machida S.、Hattori T.
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 100 号: 2 ページ: 020101-020101
  • DOI: 10.1103/physrevb.100.020101
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Search for a ferroelectrically ordered form of ice VII by neutron diffraction under high pressure and high electric field (2019)
  • 著者名/発表者名: Yamane R., Komatsu K., Maynard-Casely H.E., Lee S., Booth N., and Kagi H.
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 99 号: 17 ページ: 174201-174201
  • DOI: 10.1103/physrevb.99.174201
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Crystal structure of a high-pressure phase of magnesium chloride hexahydrate determined by in-situ X-ray and neutron diffraction methods (2019)
  • 著者名/発表者名: Yamashita Keishiro、Komatsu Kazuki、Hattori Takanori、Machida Shinichi、Kagi Hiroyuki
  • 雑誌名: Acta Crystallographica Section C Structural Chemistry 巻: 75 号: 12 ページ: 1605-1612
  • DOI: 10.1107/s2053229619014670
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Exploring for ferro-electically ordered form of ice VII by neutron diffraction under high pressure and high electric field (2019)
  • 著者名/発表者名: R. Yamane, K. Komatsu, H.E. Maynard-Casely, S. Lee, N. Booth and H. Kagi
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 印刷中
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Pressure-induced stacking disorder in boehmite (2018)
  • 著者名/発表者名: Ishii Y.、Komatsu K.、Nakano S.、Machida S.、Hattori T.、Sano-Furukawa A.、Kagi H.
  • 雑誌名: Physical Chemistry Chemical Physics 巻: 20 号: 24 ページ: 16650-16656
  • DOI: 10.1039/c8cp02565g
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Behavior of intermolecular interactions in α-glycine under high pressure (2018)
  • 著者名/発表者名: Shinozaki, Ayako Komatsu, Kazuki Kagi, Hiroyuki Fujimoto, Chikako Machida, Shinichi Sano-Furukawa, Asami Hattori, Takanori
  • 雑誌名: The Journal of Chemical Physics 巻: 148 号: 4 ページ: 044507-044507
  • DOI: 10.1063/1.5009980
  • 査読あり
• [学会発表] 氷多形の発見史から見る結晶学の発展と展望 ー 新しきを知りて故きを温ねる (2021)
  • 著者名/発表者名: 小松 一生
  • 学会等名: 日本結晶学会創立70周年記念シンポジウム
  • 招待講演
• [学会発表] 中性子回折実験による氷VII-X相転移の観察に向けて (2020)
  • 著者名/発表者名: 小松一生，Stefan Klotz，中野智志，町田真一，服部高典，佐野亜沙美，山下恵史朗、入舩徹男
  • 学会等名: 日本結晶学会2020年度年会
• [学会発表] Ice VII-VIII相転移速度の圧力依存性 (2019)
  • 著者名/発表者名: 小松一生，Stefan Klotz，町田真一，佐野亜沙美，服部高典，鍵裕之
  • 学会等名: 日本結晶学会令和元年度年会
• [学会発表] 積層不整のないice Icの合成 (2019)
  • 著者名/発表者名: 小松一生，町田真一, 服部高典, 佐野亜沙美, 山根崚, 山下恵史朗, 鍵裕之
  • 学会等名: 第６０回高圧討論会
• [学会発表] Preparation of ice Ic without stacking-disorder by emptying hydrogen hydrate (2019)
  • 著者名/発表者名: Kazuki Komatsu, Shinichi Machida, Takanori Hattori, Asami Sano-Furukawa, Ryo Yamane, Keishiro Yamashita and Hiroyuki Kagi
  • 学会等名: EHPRG2019
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Novel approaches for the study on hydrogen hydrate and ice polymorphs using high-pressure neutron diffraction (2019)
  • 著者名/発表者名: Kazuki Komatsu
  • 学会等名: AOCNS2019
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 高圧中性子回折実験による氷および 水素ハイドレート研究の新展開 (2018)
  • 著者名/発表者名: 小松一生
  • 学会等名: 日本結晶学会 2018年度年会および総会
  • 招待講演