星間ダスト表面におけるアモルファス氷の強誘電性と触媒機能

• 研究領域: 宇宙における分子進化：星間雲から原始惑星系へ
• 研究課題/領域番号: 26108508
• 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
• 審査区分: 理工系
• 研究機関: 京都大学
• 研究代表者: 杉本 敏樹 京都大学, 理学(系)研究科(研究院), 助教 (00630782)
• 研究期間 (年度): 2014-04-01 – 2016-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2015年度)
• 配分額: 15,600千円 (直接経費: 12,000千円、間接経費: 3,600千円); 2015年度: 7,800千円 (直接経費: 6,000千円、間接経費: 1,800千円); 2014年度: 7,800千円 (直接経費: 6,000千円、間接経費: 1,800千円)
• キーワード: 強誘電氷 / アモルファス氷 / 宇宙分子進化 / 和周波発生振動分光 / 赤外振動分光 / アイスルール

研究実績の概要

二次の非線形光学現象である和周波発生(SFG)は，空間反転対称性が破れた強誘電体に対して光学活性である．赤外・可視レーザー光を同軸配置で入射する光学系を新たに構築し，ヘテロダインSFG分光法の感度を従来に比べ一桁以上向上することに成功した．これにより，Pt(111)表面上に成長した強誘電結晶氷・アモルファス氷(ASW)について1分子層オーダーの超薄膜に対して高感度に強誘電分極の大きさと向きを決定することが可能になった．多層氷形成時に表面第一層氷の強誘電分極が伝播していく過程のin-situ計測に成功した．
星間分子雲に近い状況を想定し，強誘電ASWの形成実験と強誘電氷中での水素結合分子間のH/D交換反応実験を行った．具体的には，CO分子層でPt(111)表面を完全に被覆した基板，及び非晶質酸化物(Ta2O5)基板に成長したASWの強誘電性を評価した．CO分子上でH2O-ASWはnet-H-downの強誘電性を示し，非晶質酸化物上ではnet-H-dupの強誘電性を示すことを明らかにした．これらの実験結果は，COリッチな分子雲環境下の非晶質酸化物鉱物上でASWが強誘電状態にあることを示唆するものである[3]．一方，分子進化の反応場であるASW中ではCH3OHやNH3，アミノ酸のカルボニル基等は水分子と水素結合している．そこで，H2O-D2Oをモデル系として氷の強誘電性と水素結合分子間のH/D交換反応レートの相関を調べたところ，常誘電氷よりも強誘電氷の方がH/D交換速度が約3桁増大している事が明らかになった．
以上の研究成果により，これまで実験による検証が困難であった“星間ASWの強誘電性”が星間分子雲実験の重要な実験パラメータであることを立証することができた．

現在までの達成度 (段落)

27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

27年度が最終年度であるため、記入しない。

研究成果

• [雑誌論文] Effect of Water Adsorption on Carrier Trapping Dynamics at the Surface of Anatase TiO2 Nanoparticles (2016)
  • 著者名/発表者名: K. Shirai, *T. Sugimoto, K. Watanabe, M. Haruta, H. Kurata & Y. Matsumoto
  • 雑誌名: Nano Lett 巻: 16 号: 2 ページ: 1323-1327
  • DOI: 10.1021/acs.nanolett.5b04724
  • 査読あり
• [雑誌論文] Microscopic hole transfer efficiency in organic thin film transistors studied with charge modulation spectroscopy (2015)
  • 著者名/発表者名: K. Miyata, S. Tanaka, Y. Ishino, K. Watanabe, T. Uemura, J. Takeya, T. Sugimoto, Y. Matsumoto
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 91 号: 19 ページ: 195306-195306
  • DOI: 10.1103/physrevb.91.195306
  • NAID: 120005669323
  • 査読あり
• [雑誌論文] ffects of Rotational-Symmetry Breaking on Physisorption of Ortho- and Para-H2 on Noble Metal Surface (2014)
  • 著者名/発表者名: T. Sugimoto & K. Fukutani
  • 雑誌名: Phys. Rev. Lett. 巻: 112 ページ: 146101-146101
  • 査読あり
• [雑誌論文] Effects of cocatalyst on carrier dynamics of a titanate photocatalyst with layered perovskite structure. (2014)
  • 著者名/発表者名: M. Yabuta, T. Takayama, K. Shirai, K. Watanabe, A. Kudo, T. Sugimoto & Y. Matsumoto
  • 雑誌名: J.Phys.Chem.C. 巻: 118 ページ: 10972-10972
  • 査読あり
• [学会発表] エピタキシャル氷薄膜における界面誘起配向秩序 (2016)
  • 著者名/発表者名: 杉本敏樹
  • 学会等名: 日本物理学会第71回年次大会
  • 発表場所: 東北学院大学(泉キャンパス)
  • 年月日: 2016-03-16
  • 招待講演
• [学会発表] Heterogeneous catalysis in emergent ordering of strongly correlated protons in ice (2015)
  • 著者名/発表者名: Toshiki Sugimoto
  • 学会等名: The International Chemical Congress of Pacific Basin Societies 2015
  • 発表場所: Honolulu, Hawaii
  • 年月日: 2015-12-15
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 強誘電アモルファス氷薄膜の誘電緩和と結晶転移 (2015)
  • 著者名/発表者名: 杉本敏樹，相賀則宏，大槻友志，原田国明，加藤史明，渡邊一也，松本吉泰
  • 学会等名: 第35回表面科学学術講演会
  • 発表場所: つくば国際会議場
  • 年月日: 2015-12-01
• [学会発表] アモルファス氷薄膜の結晶化に対するPt(111)基板の影響 (2015)
  • 著者名/発表者名: 原田国明,加藤史明，杉本敏樹，渡邊一也，松本吉泰
  • 学会等名: 第９回分子科学討論会
  • 発表場所: 東京工業大学大岡山キャンパス
  • 年月日: 2015-09-16
• [学会発表] Rh(111)表面上に蒸着させた氷薄膜の和周波発生振動分光 (2015)
  • 著者名/発表者名: 大槻友志，相賀則宏，加藤史明，原田国明，杉本敏樹，渡邊一也，松本吉泰
  • 学会等名: 第９回分子科学討論会
  • 発表場所: 東京工業大学大岡山キャンパス
  • 年月日: 2015-09-16
• [学会発表] Pt(111)上の氷薄膜におけるH/D交換反応 (2015)
  • 著者名/発表者名: 加藤史明，原田国明，大槻友志，相賀則宏，杉本敏樹，渡邊一也，松本吉泰
  • 学会等名: 第９回分子科学討論会
  • 発表場所: 東京工業大学大岡山キャンパス
  • 年月日: 2015-09-16
• [学会発表] Pt(111)表面に作成した強誘電アモルファス氷薄膜の誘電緩和と結晶転移，東京大学物性研究所短期研究会 (2015)
  • 著者名/発表者名: 杉本敏樹，相賀則宏，原田国明，渡邊一也，松本吉泰
  • 学会等名: 東京大学物性研研究会(ガラス転移と周辺分野の科学)
  • 発表場所: 東京大学物性研究所
  • 年月日: 2015-07-30
• [学会発表] Spontaneous ferroelectric ordering of strongly correlated protons in crystalline ice films on Pt(111) (2015)
  • 著者名/発表者名: Toshiki Sugimoto, Norihiro Aiga, Yuji Otsuki, Kazuya Watanabe & Yoshiyasu Matsumoto
  • 学会等名: The 15th International Conference on Vibrations at Surfaces
  • 発表場所: Donostia-San Sebastián
  • 年月日: 2015-06-22
  • 国際学会
• [学会発表] Spectroscopic studies on ferroelectric ice thin films grown on Pt(111) surfaces (2015)
  • 著者名/発表者名: Toshiki Sugimoto
  • 学会等名: 結晶成長研究会
  • 発表場所: 北大低温研
  • 年月日: 2015-01-22 – 2015-01-23
  • 招待講演
• [学会発表] Gas Dynamics in the Vacuum Chamber with a Single Adsorption Site on the Wall Surfaces (2014)
  • 著者名/発表者名: 杉本敏樹
  • 学会等名: 第55回真空に関する連合講演会
  • 発表場所: 大阪府立大学「I-site なんば」
  • 年月日: 2014-11-18 – 2014-11-20
  • 招待講演
• [学会発表] T. Sugimoto et al., Water-adsorption-induced trapping of photo-generated electrons in anatase-TiO2 nanoparticles (2014)
  • 著者名/発表者名: T. Sugimoto, N. Aiga, Y. Otsuki, K. Watanabe, and Y. Matsumoto
  • 学会等名: 7th International Symposium on Surface Science (ISSS-7)
  • 発表場所: Kunibiki Messe, Matsue, Shimane, Japan
  • 年月日: 2014-11-02 – 2014-11-06
• [学会発表] Spontaneous proton ordering in crystalline-ice film on Pt(111) (2014)
  • 著者名/発表者名: T. Sugimoto, N. Aiga, Y. Otsuki, K. Watanabe, and Y. Matsumoto
  • 学会等名: 30th European Conference on Surface Science
  • 発表場所: Antalya, Turkey
  • 年月日: 2014-08-31 – 2014-09-05
• [学会発表] Pt(111)表面上の薄膜氷の強誘電性と常誘電転移 (2014)
  • 著者名/発表者名: 杉本敏樹・相賀則宏・大槻友志・渡邊一也・松本吉泰
  • 学会等名: 第6回SFG研究会
  • 発表場所: 筑波大学
  • 年月日: 2014-08-02 – 2014-08-03
  • 招待講演
• [備考] 京都大学理学研究科化学専攻のホームページ
  • URL: http://www.kuchem.kyoto-u.ac.jp/organization/member/toshiki.html
• [備考] 京都大学理学研究科のホームページ
  • URL: http://www.sci.kyoto-u.ac.jp/ja/research/researcher/toshikisugimoto-ch.html
• [備考] 所属研究室のホームページ
  • URL: http://kuchem.kyoto-u.ac.jp/molspec/index.html
• [備考] 教員紹介
  • URL: http://www.kuchem.kyoto-u.ac.jp/organization/member/toshiki.html