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2019 年度 実績報告書

星間塵表面における分子進化の解明:素過程からのアプローチ

研究課題

研究課題/領域番号 17H06087
研究機関北海道大学

研究代表者

渡部 直樹  北海道大学, 低温科学研究所, 教授 (50271531)

研究分担者 大場 康弘  北海道大学, 低温科学研究所, 准教授 (00507535)
杉本 敏樹  分子科学研究所, 物質分子科学研究領域, 准教授 (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)
研究期間 (年度) 2017-04-25 – 2022-03-31
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
研究実績の概要

レーザーアブレーションによる試料作製法を用い,擬似星間塵の一つであるアモルファスカーボン表面を作製し,その表面における水素原子,分子の振る舞いを調べた。試料表面を10~数10ケルビンに冷却し,そこへ水素分子,もしくは水素原子を照射した。その後,それらの表面吸着状態を光誘起脱離・共鳴多光子イオン化法を用いて分析した。水素分子の吸着エネルギー及び,水素原子表面拡散の情報を得た。本成果はAsrtophysical Journalに掲載された。
表面のOHラジカルが電子を捕獲しOH-を生成すると、下層のH2Oからプロトンを引き抜き、下層にOH-を生成する。その繰り返しによりOH-によって負の電荷が運ばれる。この発見は,氷に負の電荷が流れるという,これまで知られていなかった氷の電気化学的性質を示す画期的な成果である。
氷表面の高感度分析の新たな手法としてCs+イオンピックアップ法を開発した。従来の類似タイプの装置よりおよそ2~3桁程度高い検出感度を得ることに成功した。これにより,氷表面に微量に存在するラジカルなどの振る舞いを実験的に調べることが可能になった。
氷表面におけるOHラジカルの吸着サイトおよびそれらの吸着エネルギーを、量子化学 計算を用いて導き出した。吸着サイトや吸着エネルギーは水素結合の数によって数多く存在し、合計18サイト が見つかり吸着エネルギーも0.1eV以下から0.7eVを超えるものまで存在することが分かった。
実験研究で得られている氷表面上でのH2の核スピン転換速度を理論モデルに組み込み,星間塵表面における核スピン転換が分子雲における化学進化に与える影響を評価した。
新たな手法により,6員環構造からなる炭素質物質を創成した。

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,炭素質表面における水素原子・分子の振る舞いを明らかにし,氷表面での化学物理プロセスについては,得られた実験結果を量子化学計算,化学進化モデル計算と併せることにより,広範な知見が得られている。また,氷表面の高感度分析のためのCs+イオンピックアップ法の開発の成功や,氷中をOH-負イオンの移動により負電荷が運ばれる現象の発見など,当初目標を超える成果も得られた。その他,他機関の共同研究者(杉本,中井)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する。

今後の研究の推進方策

これまでに構築した装置群を用いて、引き続き【分子生成プロセス】,【重水素濃集プロセス】,【表面における分子のオルソ-パラ存在度比
決定機構】のすべての項目で研究を進める。具体的には以下に挙げる項目に取り組む。
・分子生成および重水素濃集プロセスでは,特にリン(P)含有分子(PH3など)に着目した実験を行う。PH3そのものは有害であるため,リン化カルシウムと水を装置内で混合し微少量作製する手法を用いる。PH3生成に至る反応の際に脱離する,反応性脱離の効率をもとめ,さらにPH3における,H-D,D-H置換反応を観測して,星間塵表面における重水素濃集の寄与を見積もる。
・星間空間で主要な有機硫黄化合物(H2CS,OCS,CH3SHなど)とH/D原子との反応による反応性脱離,重水素置換/付加反応。
・和周波発生分光の方法論を拡張し,2光子共鳴(差周波共鳴)により水素分子の振動・回転運動の強制励起が可能な3次非線形ラマン分光法に基づく新規な表面分光スキームを開発する。そのために,既設のフェムト秒和周波分光システムをベースとし,水素分子の振動・回転運動をオルソ・パラ状態別に強制励起するために必要な近赤外光発生系の構築をすすめる。

  • 研究成果

    (29件)

すべて 2020 2019 その他

すべて 雑誌論文 (14件) (うち査読あり 14件、 オープンアクセス 2件) 学会発表 (14件) (うち国際学会 12件、 招待講演 12件) 備考 (1件)

  • [雑誌論文] Experimental Approach to Physicochemical Hydrogen Processes on Cosmic Ice Dust2020

    • 著者名/発表者名
      Watanabe Naoki、Tsuge Masashi
    • 雑誌名

      Journal of the Physical Society of Japan

      巻: 89 ページ: 051015(12pp)

    • DOI

      10.7566/JPSJ.89.051015

    • 査読あり
  • [雑誌論文] 宇宙と太陽系の水の起源と水の核スピン異性体2020

    • 著者名/発表者名
      羽馬哲也, 香内晃, 渡部直樹
    • 雑誌名

      低温科学

      巻: 78 ページ: 11-26

    • DOI

      10.14943/lowtemsci.78.11, Issue Date:2020-05-01

    • 査読あり
  • [雑誌論文] 低温低圧環境下における触媒反応による有機分子の生成実験2020

    • 著者名/発表者名
      木村勇気,佐藤理佳子,土`山 明,為則雄裕,羽馬哲也,日高宏,渡部直樹,香内晃,永原裕子
    • 雑誌名

      低温科学

      巻: 78 ページ: 79-90

    • DOI

      10.14943/lowtemsci.78.79, Issue Date: 2020-03-24

    • 査読あり
  • [雑誌論文] 原子間力顕微鏡によるアモルファス氷表面構造の直接観察2020

    • 著者名/発表者名
      日髙宏, 渡部直樹, 香内晃
    • 雑誌名

      低温科学

      巻: 78 ページ: 27-33

    • DOI

      10.14943/lowtemsci.78.27

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Vapor-fed photoelectrolysis of water at 0.3 V using gas-diffusion photoanodes of SrTiO3 layers2020

    • 著者名/発表者名
      F. Amano, H. Mukohara, H. Sato, C. Tateishi, H. Sato and T. Sugimoto
    • 雑誌名

      Sustainable Energy & Fuels

      巻: 4 ページ: S1-S18

    • DOI

      10.1039/C9SE01068H

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Direct Measurements of Activation Energies for Surface Diffusion of CO and CO2 on Amorphous Solid Water Using In Situ Transmission Electron Microscopy2019

    • 著者名/発表者名
      A. Kouchi, K. Furuya, T. Hama, T. Chigai, T. Kozasa, N. Watanabe
    • 雑誌名

      The Astrophysical Journal Letters

      巻: 891 ページ: L22(7pp)

    • DOI

      10.3847/2041-8213/ab78a2,

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Probing the Molecular Structure and Orientation of the Leaf Surface of Brassica oleracea L. by Polarization Modulation-Infrared Reflection-Absorption Spectroscopy2019

    • 著者名/発表者名
      T. Hama, K. Seki, A. Ishibashi, A. Miyazaki, A. Kouchi, N. Watanabe, T. Shimoaka, T. Hasegawa
    • 雑誌名

      Plant & Cell Physiology

      巻: 60 ページ: 1567-1580

    • DOI

      10.1093/pcp/pcz063

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Ultraviolet-photon exposure stimulates negative current conductivity in amorphous ice below 50 K2019

    • 著者名/発表者名
      N. Watanabe, W. M. C. Sameera, H. Hidaka, A. Miyazaki, A. Kouchi
    • 雑誌名

      Chemical Physics Letters

      巻: 737 ページ: 136820-136826

    • DOI

      10.1038/s41467-019-12404-1

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] H2 Ortho-Para Spin Conversion on Inhomogeneous Grain Surfaces2019

    • 著者名/発表者名
      K. Furuya, Y. Aikawa, T. Hama, N. Watanabe
    • 雑誌名

      The Astrophysical Journal

      巻: 882 ページ: 172 (11pp)

    • DOI

      10.3847/1538-4357/ab3790

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Nucleobase synthesis in interstellar ice2019

    • 著者名/発表者名
      Y. Oba, Y.Takano, H. Naraoka, N. Watanabe
    • 雑誌名

      Nature Communications

      巻: 10 ページ: 4413 (8pp)

    • DOI

      10.1038/s41467-019-12404-1

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Enhanced Structural Disorder at a Nanocrystalline Ice Surface2019

    • 著者名/発表者名
      Y. Otsuki, K. Watanabe, T. Sugimoto, Y. Matsumoto
    • 雑誌名

      Physical Chemistry Chemical Physics

      巻: 21 ページ: 20442-20453

    • DOI

      10.1039/C8CP07269H

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Unveiling Two Deuteration Effects on Hydrogen-Bond Breaking Process of Water Isotopomers2019

    • 著者名/発表者名
      F. Kato, T. Sugimoto, K. Harada, K. Watanabe Y. Matsumoto
    • 雑誌名

      Physical Review Materials

      巻: 3 ページ: 112001

    • DOI

      10.1103/PhysRevMaterials.3.112001

    • 査読あり
  • [雑誌論文] 和周波発生振動分光計測と分子シミュレーションからみる氷表面の分子構造2019

    • 著者名/発表者名
      杉本敏樹, 石山達也
    • 雑誌名

      分子シミュレーション研究会会誌

      巻: 21 ページ: 177-184

    • DOI

      10.11436/mssj.21.177

    • 査読あり
  • [雑誌論文] A method of collecting trace amounts of vermilion from artifacts for source estimation by sulfur isotope (δ34S) analysis: use of sulfur-free adhesive tape to minimize damage to the artifact body during sampling2019

    • 著者名/発表者名
      T. Minami, K. Hatanaka, Y. Motizuki, Y. Nakai, K.Takahashi
    • 雑誌名

      Journal of Archaeological Science: Reports

      巻: 28 ページ: 102027(5pp)

    • DOI

      10.1016/j.jasrep.2019.102027

    • 査読あり
  • [学会発表] Infrared spectroscopy of water-assisted carrier trapping at TiO2 photocatalyst surfaces with distinct morphologies2020

    • 著者名/発表者名
      T. Sugimoto
    • 学会等名
      IRCCS The 3rd Joint International Symposium
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] 低エネルギーイオンと低温氷表面との反応実験装置開発の現状2020

    • 著者名/発表者名
      中井 陽一
    • 学会等名
      日本物理学会第75回年次大会
  • [学会発表] Behaviors of nuclear spins of hydrogen and water molecules on ice at very low temperatures: Implication to astrochemistry2019

    • 著者名/発表者名
      N. Watanabe
    • 学会等名
      NSFC-CAS-JSPS Symposium on Nuclear Spin Isomers of Molecules and Molecular Spectroscopy
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Behavior of OH radical on ice2019

    • 著者名/発表者名
      N.Watanabe
    • 学会等名
      Water in the Universe in the ACS National Meeting
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Behavior of OH Radical on an Ice Surface at Low Temperatures2019

    • 著者名/発表者名
      N.Watanabe
    • 学会等名
      35th Symposium on Chemical Kinetics and Dynamics
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Ortho-to-para ratios in water and H2 - experimental view2019

    • 著者名/発表者名
      N. Watanabe
    • 学会等名
      Astrochemistry from nanometers to megaparsecs
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Physicochemical processes of hydrogen and the OH radical on ice: nuclear spin conversion and surface diffusion2019

    • 著者名/発表者名
      N. Watanabe
    • 学会等名
      van Marum colloquium
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Experimental approach to physicochemical processes on ice dust2019

    • 著者名/発表者名
      N. Watanabe
    • 学会等名
      CSH Colloquia/WP Seminars
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Behavior of OH Radical on an Ice Surface at Low Temperatures2019

    • 著者名/発表者名
      N. Watanabe
    • 学会等名
      35th Symposium on Chemical Kinetics and Dynamics
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Detection of OH radicals on amorphous solid water (I)2019

    • 著者名/発表者名
      N. Watanabe
    • 学会等名
      IAUS 350: Laboratory Astrophysics: from Observations to Interpretation
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Proton ordering in heteroepitaxial ice films2019

    • 著者名/発表者名
      T. Sugimoto
    • 学会等名
      IMS symposium “Water at interfaces
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Emergent proton ordering in heteroepitaxial ice films on metal substrates2019

    • 著者名/発表者名
      T. Sugimoto
    • 学会等名
      International workshop on nonlinear optics at interfaces
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Water-Assisted Hole Trapping at the Highly Curved Surface of Nano-Photocatalyst2019

    • 著者名/発表者名
      T. Sugimoto
    • 学会等名
      81st OKAZAKI CONFERENCE
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] 星間塵表面を模擬した低温氷表面と低エネルギーイオンとの反応実験装置の開発2019

    • 著者名/発表者名
      中井 陽一
    • 学会等名
      原子衝突学会第44回年会
  • [備考] 北海道大学低温科学研究所 宇宙物質科学・宇宙雪氷学グループHP

    • URL

      http://www.lowtem.hokudai.ac.jp/astro/index.html

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公開日: 2021-12-27  

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