| 研究課題/領域番号 |
22K18723
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| 研究種目 |
挑戦的研究(萌芽)
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| 配分区分 | 基金 |
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| 審査区分 |
中区分17:地球惑星科学およびその関連分野
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| 研究機関 | 東北大学 |
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研究代表者 |
岡本 敦 東北大学, 環境科学研究科, 教授 (40422092)
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| 研究分担者 |
佐藤 義倫 東北大学, 環境科学研究科, 准教授 (30374995)
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| 研究期間 (年度) |
2022-06-30 – 2024-03-31
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| 研究課題ステータス |
完了 (2023年度)
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| 配分額 *注記 |
6,500千円 (直接経費: 5,000千円、間接経費: 1,500千円)
2023年度: 2,600千円 (直接経費: 2,000千円、間接経費: 600千円)
2022年度: 3,900千円 (直接経費: 3,000千円、間接経費: 900千円)
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| キーワード | 硫化物チムニー / 熱起電力 / 累帯構造 / 海底熱水噴出孔 / 半導体 / 熱電変換性能 / 伊豆・小笠原海域 / 電気伝導度 / チムニー / 黒鉱 / 硫化物 / 熱電特性 / 明神礁カルデラ / 鉱物組織 / 海底熱水鉱床 / 岩石ー水相互作用 |
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| 研究開始時の研究の概要 |
海洋底の熱水噴出孔では、硫化物からなるチムニーが形成している。熱水と海水との酸化還元状態違いにより、熱水側から海水側に電子が移動し、特異な生物群集を作り出す。一方、硫化物は半導体であり、温度差そのものに起因して熱起電力が発生し、不純物によってn型（高温から低温へ電子が移動）からp型（高温から低温への正孔が移動）へと容易に変化する。本研究では、現世と過去の熱水噴出孔のチムニー試料に対して、鉱物組織解析と電気特性の評価、熱水条件での熱起電力測定を行い、チムニーの熱電特性(n型、p型、混合型)の多様性とその成因を明らかにし、岩石－熱水系から海底生物圏へのエネルギー供給モデルの構築にチャレンジする。
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| 研究成果の概要 |
海底熱水噴出孔は高温・還元的な熱水と低温・酸化的な海水が混合し、硫酸塩や硫化物からなるチムニーが形成される。硫化物は半導体であり、熱を電気に変換する熱電変換性能を持つが、海底硫化物チムニーに対して調べた研究は存在しない。本研究では、伊豆・小笠原海域から採取されたチムニーに対して、電気伝導度と熱起電力を測定した。その結果、チムニー形成初期は硫酸塩や電気伝導度が小さいZnSなどから構成され、熱電変換は機能しない。チムニーが成長・成熟するにつれて、高い電気伝導度・熱起電力を示すPbS, CuFeS2, FeS2などが流通孔周囲に形成し、深海底環境に電気エネルギーを放出するようになる。
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| 研究成果の学術的意義や社会的意義 |
太陽光の届かない深海底において、熱水噴出孔は生命圏への重要なエネルギー供給システムとして注目されている。これまでの研究は、主に熱水と海水の酸化還元状態の違いに注目されてきたが、本研究では、硫化物チムニーが持つ、熱を電気に変換する熱電変換が、エネルギー供給に大きな役割を果たすことを初めて示している。また、硫化物の導電体としての性質や熱電変換性能は定常的に存在するものではなく、チムニーの構造発達に伴い、ある特定の時期に自己組織化により発現することを示した点も高い独自性がある。本研究で示唆された硫化物チムニーは、新たな熱電材料、深海底でのエネルギー利用にとっても大きな可能性を秘めていると考えられる。
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