| 研究課題/領域番号 |
17H06087
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| 研究機関 | 北海道大学 |
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研究代表者 |
渡部 直樹 北海道大学, 低温科学研究所, 教授 (50271531)
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| 研究分担者 |
大場 康弘 北海道大学, 低温科学研究所, 助教 (00507535)
杉本 敏樹 京都大学, 理学研究科, 助教 (00630782)
中井 陽一 国立研究開発法人理化学研究所, 仁科加速器科学研究センター, 専任研究員 (30260194)
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| 研究期間 (年度) |
2017-04-25 – 2022-03-31
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| キーワード | 星間塵 / 分子進化 / 表面反応 / 重水素濃集 / 核スピン転換 |
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| 研究実績の概要 |
超高真空実験槽中に氷星間塵表面を擬似したアモルファス氷表面を作製し，紫外線照射で生成したのOHラジカルの表面拡散の活性化エネルギーを求めることに，世界で初めて成功した（渡部，宮崎，羽馬）。また，OHラジカルの吸着状態と脱離メカニズムを明らかにした。これらの成果には，新たに雇用した研究補助者（WMC Sameera）の量子化学計算によるところが大きい。この結果を発表すべく，論文の執筆を始めた。
星間塵表面物質のひとつである炭素質表面を，グラファイトディスクのレーザーアブレーションにより真空実験槽内でその場作製し，その構造と作製条件の依存性を，透過型電子顕微鏡を用いて調べ，いつでも最適な試料表面を作製するノウハウを確立した（柘植，木村）。
極低温超高真空原子間力顕微鏡の特性を調べた。観測する基板が9～10Kの極低温に到達すること，それを維持出来る熱負荷の確認を行った。極低温下でシリコン結晶を観測することができ基本的な運転を習熟した。（日高，香内）。
氷表面上に分子イオンが吸着した際の生成物を検出するイオンピックアップ装置の立ち上げを行った。冷凍基板および赤外分光計，イオン源を超高真空槽に設置し，極低温氷の作製など予備実験を行った（渡部，大場，中井）
杉本は京都大学から分子科学研究所への異動に伴い，装置の移設・再構築を行った。また，分光測定中の振動ノイズを軽減するため，希釈冷凍機から液体ヘリウム貯め込み式の冷却方式への転換作業を進めた。氷表面に対する和周波発生振動分光を行ったところ，表面特有の水素結合構造を有する液晶相が熱力学的な安定相として氷表面に存在することを発見した。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
本年度の計画としてあげていた，鉱物表面および炭素質表面における水素原子・分子の振る舞いについては，当初の目標に達しなかったが，炭素質（アモルファスカーボン）表面の試料作製法のノウハウを確立することができた。いっぽうで，極低温氷表面におけるOHラジカルの振る舞いに関しては，当初の目標であった，氷表面拡散の活性化エネルギーを，世界で初めて実験的に導出することに成功した。また，理論家の研究補助者（WCM Sameera氏）を雇用することで，最先端の量子化学計算が可能になり，実験だけでは解明が困難であった，氷表面へのOHラジカル吸着状態や光脱離メカニズムが明らかになってきた。この実験と理論計算の共同作業により，当初の目標以上の知見が得られる可能性が広がった。上記，実験及び計算の結果については，現在論文を執筆中であり，2019年中には発表される見込みである。その他，杉本，中井らの共同研究者の研究の進展を含め総合的に判断して，概ね順調であると判断出来る。
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| 今後の研究の推進方策 |
①引き続き，炭素質表面における水素原子・水素分子の振る舞いについて調べる。特に，水素原子の表面拡散係数および活性化エネルギー，水素分子の脱離エネルギーを求める。
②昨年度実施に至らなかったケイ酸塩鉱物表面における水素原子・水素分子の化学物理過程に関する実験をめざす。これまでにレーザーアブレーション法によるケイ酸塩試料表面作製の有効性を確認し，それを用いた実験を実施する予定であったが，上記手法で生成したケイ酸塩試料の特性評価が不完全であったため，今年度は引き続き試料生成法の確立とその評価から始める
③ガス中で生成したOHラジカルを氷表面に吸着させ，その吸着状態や拡散の活性化エネルギーを導出することを目指す。昨年度の研究により，紫外線による氷分解によって生成したOHとガス相から吸着したOHでは，その氷への吸着状態が異なることが示唆されている。
④昨年度製作したイオンピックアップ装置の特性を調べ，氷表面反応物の検出を試みる。
⑤疑似星間塵表面における低温イオン誘起反応実験のためのイオン源の作製を行う。
⑥和周波発生分光装置システムを用い，炭素質等の星間塵表面を模したモデル表面への氷の作製実験，及びそれらの表面に吸着した水素分子のその場検出を試みる。昨年度の予備実験において，分光測定中の装置の微振動を抑制する必要性が判明したため，希釈冷凍機を用いた冷却方式から液体ヘリウム貯め込み式の冷却方式への転換作業を進めてきた。この冷却方式への転換作業を完了させ10K以下に試料を冷却し，和周波分光実験を展開する。
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