地球・惑星深部における水素の物質科学

2022 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 18H05224
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 鍵 裕之 東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 教授 (70233666)
• 研究分担者: 小松 一生 東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 准教授 (50541942) ; 青木 勝敏 東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 客員共同研究員 (30356331) ; 佐野 亜沙美 国立研究開発法人日本原子力研究開発機構, 原子力科学研究部門 J－PARCセンター, 研究主幹 (30547104) ; 柿澤 翔 公益財団法人高輝度光科学研究センター, 回折・散乱推進室, テニュアトラック研究員 (10846819)
• 研究期間 (年度): 2018-06-11 – 2023-03-31
• キーワード: 水素 / 中性子回折 / 鉄水素化物 / 氷

研究実績の概要

高温高圧下、常温高圧下、あるいは低温高圧下での中性子回折実験を基軸として、氷高圧相や塩水和物の結晶構造、高温高圧下での鉄の水素化反応についていくつかの重要な研究成果を得ることができた。
高圧下中性子回折実験を行う上での技術開発として、ナノ多結晶ダイヤモンドを用いた高圧セルの開発を行い、これを利用して氷VII相の結晶構造を精密解析することに成功した。また、塩化ナトリウム三水和物、塩化マグネシウム水和物の水素原子まで含めた結晶構造を解明することができた。特に後者は氷惑星や氷衛星の内部に存在する可能性が高い物質で、惑星内部科学に重要な貢献をしうる成果である。
高温高圧下での鉄の水素化反応については、六方最密充填構造をとる高圧下の鉄にニッケルやケイ素が含まれると水素誘起体積膨張率が有為に増加することを見いだした。地球核は鉄を主成分として約10パーセントのニッケルが含まれると考えられているが、地震波観測からわかる地球核の密度はこれらの元素組成では説明できず、何らかの軽元素が取り込まれて密度を低下させていると考えられている。水素は地球核に取り込まれている軽元素の最有力候補であるが、水素の含有量は正確にはわかっていない。今回得られた研究成果は、これまで見積もられてきた核の水素量を大きく下方修正する必要があることを提案するものである。今後は鉄にケイ素やニッケルが含まれるとことによって、水素誘起体積膨張率が増加するメカニズムを明らかにする必要がある。

現在までの達成度 (段落)

令和4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4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] Hydrogen occupation and hydrogen-induced volume expansion in Fe0.9Ni0.1D<i>x</i>at high<i>P-T</i>conditions (2023)
  • 著者名/発表者名: Shito Chikara、Kagi Hiroyuki、Kakizawa Sho、Aoki Katsutoshi、Komatsu Kazuki、Iizuka-Oku Riko、Abe Jun、Saitoh Hirioyuki、Sano-Furukawa Asami、Hattori Takanori
  • 雑誌名: American Mineralogist 巻: 108 ページ: 659～666
  • DOI: 10.2138/am-2022-8348
  • 査読あり
• [雑誌論文] The hydrogen-bond network in sodium chloride tridecahydrate: analogy with ice VI (2023)
  • 著者名/発表者名: Yamashita Keishiro、Nakayama Kazuya、Komatsu Kazuki、Ohhara Takashi、Munakata Koji、Hattori Takanori、Sano-Furukawa Asami、Kagi Hiroyuki
  • 雑誌名: Acta Crystallographica Section B Structural Science, Crystal Engineering and Materials 巻: 79 ページ: 414～426
  • DOI: 10.1107/S2052520623007199
  • 査読あり
• [雑誌論文] Slightly Hydrogen-Ordered State of Ice IV Evidenced by <i>In Situ</i> Neutron Diffraction (2023)
  • 著者名/発表者名: Kobayashi Hiroki、Komatsu Kazuki、Ito Hayate、Machida Shinichi、Hattori Takanori、Kagi Hiroyuki
  • 雑誌名: The Journal of Physical Chemistry Letters 巻: 14 ページ: 10664～10669
  • DOI: 10.1021/acs.jpclett.3c02563
  • 査読あり
• [雑誌論文] Pressure-induced phase transitions of cobalt sulfate hydrates and discovery of a new high-pressure phase, CoSO4・5H2O (2022)
  • 著者名/発表者名: Zhao Zhenghao、Kagi Hiroyuki、Komatsu Kazuki、Yamashita Keishiro、Nakano Satoshi
  • 雑誌名: Journal of Solid State Chemistry 巻: 308 ページ: 122904～122904
  • DOI: 10.1016/j.jssc.2022.122904
  • 査読あり
• [雑誌論文] Improvement of nano-polycrystalline diamond anvil cells with Zr-based bulk metallic glass cylinder for higher pressures: application to Laue-TOF diffractometer (2022)
  • 著者名/発表者名: Yamashita Keishiro、Komatsu Kazuki、Ohhara Takashi、Munakata Koji、Irifune Tetsuo、Shinmei Toru、Sugiyama Kazumasa、Kawamata Toru、Kagi Hiroyuki
  • 雑誌名: High Pressure Research 巻: 42 ページ: 121～135
  • DOI: 10.1080/08957959.2022.2045982
  • 査読あり
• [雑誌論文] In-situ high-pressure and high-temperature spectroscopic studies of phengite in ultrahigh-pressure eclogite: implications for water transport during ultra-deep continental subduction (2022)
  • 著者名/発表者名: He Xuejing、Zhang Li、Kagi Hiroyuki、Smyth Joseph R.、Komatsu Kazuki、Li Xiaoguang、Gao Jing、Lei Li
  • 雑誌名: Physics and Chemistry of Minerals 巻: 49 ページ: 24
  • DOI: 10.1007/s00269-022-01196-4
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Atomic distribution and local structure in ice VII from in situ neutron diffraction (2022)
  • 著者名/発表者名: Yamashita Keishiro、Komatsu Kazuki、Klotz Stefan、Fabelo Oscar、Fern?ndez-D?az Maria T.、Abe Jun、Machida Shinichi、Hattori Takanori、Irifune Tetsuo、Shinmei Toru、Sugiyama Kazumasa、Kawamata Toru、Kagi Hiroyuki
  • 雑誌名: Proceedings of the National Academy of Sciences 巻: 119 ページ: e2208717119
  • DOI: 10.1073/pnas.2208717119
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] In-situ X-ray diffraction and radiography of iron?silicate?water?sulfur system simulating behaviors of light elements during early Earth’s core?mantle segregation (2022)
  • 著者名/発表者名: Iizuka-Oku Riko、Gotou Hirotada、Suzuki Akio、Kagi Hiroyuki
  • 雑誌名: High Pressure Research 巻: 42 ページ: 349～363
  • DOI: 10.1080/08957959.2022.2148207
  • 査読あり
• [雑誌論文] Crystal structure of potassium chloride monohydrate: water intercalation into the B1 structure of KCl under high pressure (2022)
  • 著者名/発表者名: Yamashita Keishiro、Komatsu Kazuki、Kagi Hiroyuki
  • 雑誌名: Acta Crystallographica Section C Structural Chemistry 巻: 78 ページ: 749～754
  • DOI: 10.1107/S2053229622011135
  • 査読あり
• [学会発表] 低温高圧その場中性子回折実験で探る未知の氷多形<氷IVの水素秩序相探索> (2022)
  • 著者名/発表者名: 小林大輝、小松一生、鍵裕之
  • 学会等名: 日本結晶学会
• [学会発表] Siの固溶がhcp鉄の水素化による体積膨張へ与える効果の探索 (2022)
  • 著者名/発表者名: 森悠一郎、鍵 裕之、青木 勝敏、柿澤 翔、佐野 亜沙美、舟越 賢一
  • 学会等名: 日本鉱物科学会
• [学会発表] 高温高圧条件下でのFeSの水素化挙動 (2022)
  • 著者名/発表者名: 高野将大、鍵裕之、森悠一郎、柿澤 翔
  • 学会等名: 日本鉱物科学会
• [学会発表] マントル遷移層条件での高温高圧中性子回折実験の開発 (2022)
  • 著者名/発表者名: 柿澤翔、佐野亜沙美、鍵裕之、森悠一郎、阿部淳、服部高典
  • 学会等名: 日本鉱物科学会
• [学会発表] In-situ observations of iron-silicate-water-sulfur system and behaviors of light elements during the Earth’s core-mantle formation (2022)
  • 著者名/発表者名: 飯塚理子、後藤弘匡、鍵 裕之
  • 学会等名: 日本地球惑星科学連合2022年大会
• [学会発表] Effect of silicon dissolution on hydrogenation of iron (2022)
  • 著者名/発表者名: 森悠一郎、鍵裕之、青木勝敏、柿澤翔、肥後祐司、丹下慶範、佐野亜沙美、服部高典
  • 学会等名: 日本地球惑星科学連合2022年大会
• [備考]
  • URL: http://www.eqchem.s.u-tokyo.ac.jp