メタン及び水素ハイドレートの低温～高温高圧下での物性変化と氷天体内部構造の推定

2011 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 22244055
• 研究機関: 愛媛大学
• 研究代表者: 平井 寿子 愛媛大学, 地球深部ダイナミクス研究センター, グローバルCOE教授 (60218758)
• キーワード: メタンハイドレート / 水素ハイドレート / 高圧 / 氷惑星・衛星 / 内部構造

研究概要

水素は宇宙において最も多く存在し、太陽系の主要な構成成分は水素をはじめとするガスや氷といっても過言ではない。実際、これらの水素やメタン、氷からなる水素ハイドレートやメタンハイドレートが近年太陽系の惑星・衛星や恒星の初期過程である原始星に存在する可能性が次々に報告されている。そこで、メタンハイドレート(MH)や水素ハイドレート(HH)を氷天体内部に相当する低温高圧から高温高圧の条件下におき、これらの相変化や物性変化を実験的に明らかにし、これらの知見を基に氷惑星や衛星の内部構造を推定し、進化過程を検討するのが本研究の目的である。
23年度においてはこれらのガスハイドレートのホストフレームワークを形成する水素結合対称化の進行過程を明確にとらえることが出来た。これに付随する体積弾性率の変化やホストーゲスト間に誘発される相互作用の変化を明らかにした。さらに、ガスハイドレートでは初めて低温下で体積膨張が起きる可能性を指摘した。
また、氷VIIの対称化では基本構造は変わらないが、MHやHHの場合、対称化に際し基本構造がわずかに変化することを観察した。これらの結果はMHやHHの低温物性理解に役立ち、氷惑星や衛星の内部構造を推定するモデリングに貢献するものである。

現在までの達成度 (区分)

1: 当初の計画以上に進展している

理由

ホストフレームワークを形成する水素結合の対称化の進行過程を明確にとらえることが出来たばかりでなく、低温下の体積膨張の存在の可能性まで指摘することが出来たため。

今後の研究の推進方策

MHにおける低温下の体積膨張が示唆されたので、HHにおいても同様の低温物性が存在するかどうかを調べ、ガスハイドレートの低温物性の一般則の構築を行う。

研究成果

• [雑誌論文] Reaction of forsterite with hydrogen molecules at high pressure and Temperature (2012)
  • 著者名/発表者名: Shinozaki, A., Hirai, H., Kagi, H., Kondo, T., Okada, T.Hhamane, Irifune, T, Yagi, T.
  • 雑誌名: Phys.Chem.Mineral. 巻: 39 ページ: 123-129
  • DOI: DOI:10.1007/s00269-011-0467-7
  • 査読あり
• [雑誌論文] Isotopic effect and amorphisation of deuterated hydrogen hydrate under high pressure (2011)
  • 著者名/発表者名: Machida, S., Hirai, H., Kawamura, T., Yamamoto, Y., Yagi, T.
  • 雑誌名: Phys.Rev.B 巻: 83 ページ: 144101-1-144101-5
  • DOI: DOI:10.1103/PhysRevB.83.144101
  • 査読あり
• [雑誌論文] Existence of a new high-pressixre phase of CO2 hydrate and lattice expansion with cage-occupancy change of sI structure under lower temperature and high pressure (2011)
  • 著者名/発表者名: Hirai, H., Komatsu, K., Honda, M., Kawamura,T., Yamamoto, Y., Yagi, T.
  • 雑誌名: Phys, Chem.Ice ページ: 209-214
  • DOI: ISBN978-4-8329-0361-6
  • 査読あり
• [学会発表] Phase changes of H2 and He hydrates under high pressure and low temperature (2011)
  • 著者名/発表者名: Hirai.H., Umeda, A., Shimizu, K., Machida, M., Kawamura, T., Yamamoto, Y., Yagi, T
  • 学会等名: International Union of Crystallography
  • 発表場所: Madrid, Spain
  • 年月日: 2011-08-25
• [備考]
  • URL: http://www.ehime-u.ac.jp/~grc/index.html
• [備考]
  • URL: http://earth.sci.ehime-u.ac.jp/~hirai/