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中性子準弾性散乱によるアモルファスケイ酸塩の吸水・貯水・脱水プロセス解析

公募研究

研究領域水惑星学の創成
研究課題/領域番号 18H04460
研究種目

新学術領域研究(研究領域提案型)

配分区分補助金
研究機関岡山大学

研究代表者

奥地 拓生  岡山大学, 惑星物質研究所, 准教授 (40303599)

研究期間 (年度) 2018-04-01 – 2020-03-31
研究課題ステータス 完了 (2019年度)
配分額 *注記
4,940千円 (直接経費: 3,800千円、間接経費: 1,140千円)
2019年度: 2,470千円 (直接経費: 1,900千円、間接経費: 570千円)
2018年度: 2,470千円 (直接経費: 1,900千円、間接経費: 570千円)
キーワード中性子準弾性散乱 / 非晶質ケイ酸塩 / 水素ダイナミクス / 水の起源 / 水
研究実績の概要

地球の水は、誕生期に微惑星などから供給された後に、表層の海洋と内部の固体地球に分配され、以後の地球史において活発に両者間を移動してきた。本研究ではこの水の起源を知るために、地球の材料となった微惑星などを模擬した物質中の水素の性質を、中性子散乱の手法で解析する。最近の固体地球内部の水素の同位体分析によれば、初期の地球に供給された水の一部は、原始太陽系星雲中の分子を起源とする可能性がある。このようなガス中の水分子は、星間空間固体の主成分である非晶質のケイ酸塩への吸着や水和を起こし易い。よって、非晶質のケイ酸塩微粒子に吸着・水和した水分子の性質を調べることが重要と考えた。
誘導熱プラズマ装置で合成した、粒径約70nmのMg2SiO4組成の非晶質ケイ酸塩に水蒸気を吸収させて水和物の試料を合成した。J-PARC物質・生命科学実験施設の高エネルギー分解能非弾性散乱分光器・DNAを用いて、合成した試料が含む水素原子のサイト間跳躍の距離と頻度の温度変化を解析した。本年度は540Kまでの高温、高水蒸気圧の条件において、部分的に結晶化させた水和物試料の計測を新たに実現した。これと昨年度までに得た結果を併せることにより、結晶化前後の水素の拡散挙動を比較検討した。その結果、結晶化とともに構造に固定された水素が増えることに加えて、時間・空間スケールと活性化エネルギーが異なる、二種の水和水分子の高速の拡散過程が存在しつづけることを、いずれも明確に捉えた。つまり昨年度に示唆された、二種の異なるメソスケール空間構造中における水和水分子の拡散の過程は、部分的な結晶化後も媒質中の水分子輸送を担う。星雲ガス中で微粒子に吸着・水和した水分子は、これらの過程によって微粒子媒質の内部へと速やかに浸透する。その後、加熱による結晶化を経て水素が微惑星の内部に閉じ込められ、成長する地球へ集積してゆくことは、充分に可能である。

現在までの達成度 (段落)

令和元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

令和元年度が最終年度であるため、記入しない。

報告書

(2件)
  • 2019 実績報告書
  • 2018 実績報告書
  • 研究成果

    (7件)

すべて 2020 2019 2018 その他

すべて 国際共同研究 (1件) 学会発表 (5件) (うち招待講演 2件) 学会・シンポジウム開催 (1件)

  • [国際共同研究] 北京高圧科学研究中心(中国)

    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
  • [学会発表] 中性子による含水鉱物の水素配置と水素拡散2020

    • 著者名/発表者名
      奥地拓生
    • 学会等名
      無水・含水環境におけるオリビンの高圧相転移とイプシロン相の形成(科研費基盤研究A「高強度中性子散乱と高分解能電顕によるマントル鉱物の水素配置と水素輸送の統合解析」主催の研究集会)
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
  • [学会発表] 高強度レーザー・XFEL・中性子の複合利用による惑星物質探査科学2020

    • 著者名/発表者名
      奥地拓生
    • 学会等名
      レーザー学会学術講演会第40回年次大会
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 中性子散乱と透過電顕による含水鉱物の微視的な脱水過程の解析2019

    • 著者名/発表者名
      奥地拓生・プレジャブナランゴー・瀬戸雄介・富岡尚敬・柴田薫・山田武
    • 学会等名
      日本鉱物科学会2019年年会
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
  • [学会発表] パルス中性子を使った地球深部水素の単結晶構造解析とダイナミクス解析2019

    • 著者名/発表者名
      奥地拓生
    • 学会等名
      ATI水和ナノ構造研究会
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 中性子散乱による地球深部鉱物の水素配置と水素拡散の統合解析2018

    • 著者名/発表者名
      奥地拓生・プレジャブナランゴー・富岡尚敬・土山明・柴田薫
    • 学会等名
      日本中性子科学会第18回年会
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
  • [学会・シンポジウム開催] 無水・含水環境におけるオリビンの高圧相転移とイプシロン相の形成2020

    • 関連する報告書
      2019 実績報告書

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公開日: 2018-04-23   更新日: 2021-01-27  

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