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2023 年度 実績報告書

組織解析・熱電特性評価に基づく海洋底p型半導体チムニーの探索

研究課題

研究課題/領域番号 22K18723
研究機関東北大学

研究代表者

岡本 敦  東北大学, 環境科学研究科, 教授 (40422092)

研究分担者 佐藤 義倫  東北大学, 環境科学研究科, 准教授 (30374995)
研究期間 (年度) 2022-06-30 – 2024-03-31
キーワード海底熱水噴出孔 / 硫化物チムニー / 熱起電力 / 電気伝導度 / 累帯構造 / 伊豆・小笠原海域 / 熱電変換性能 / 半導体
研究実績の概要

本年度は、伊豆・小笠原海域の明神礁カルデラ、および明神海丘から採取されたチムニーの微細組織観察および、熱起電力と電気伝導度の測定を行った。EPMAによる分析により、多くの若いチムニー試料は空隙率が高く(30-50%)、硫酸塩であるBariteや閃亜鉛鉱の微粒子から構成されていることがわかった。一方、成熟したチムニーは、空隙率が小さくなり、また、複数存在する熱水流通孔周辺に黄鉄鉱、黄銅鉱、方鉛鉱などの緻密なレイヤーが形成されていた。
典型的な硫化物(黄鉄鉱、黄銅鉱、方鉛鉱、閃亜鉛鉱など)の単一鉱物の電気特性を測定した結果、閃亜鉛鉱は熱起電力の指標であるゼーベック係数が>100mV/Kと大きいが、電気伝導度が絶縁体領域まで低いこと、また、一方で、方鉛鉱、黄鉄鉱、黄銅鉱はゼーベック係数は比較的小さいが、電気伝導度が高い、典型的な半導体であることがわかった。このため、海洋底の硫化物チムニーを測定すると、若いチムニーではゼーベック計数は大きくても、電気伝導度が低すぎるために、熱電変換効率は小さく、一方で、成熟したチムニーの内壁では電子をキャリアとするn型半導体として高い熱電変換効率を保つことがわかった。このことは、チムニーの一生におけるある特定の時期に、導体としての性質と、熱電変換機能を同時に発現させることがわかった。チムニー内外の温度差が200-300度であるとすると、その熱起電力は100-600mVにも達するために、還元的な熱水と酸化的な海水の電位差に匹敵する。このことは、地球内部の熱エネルギーが熱起電力として電気エネルギーに変換され、深海底の微生物群集に供給されている可能性を示唆する。

  • 研究成果

    (9件)

すべて 2023 その他

すべて 国際共同研究 (2件) 学会発表 (6件) (うち国際学会 2件、 招待講演 1件) 備考 (1件)

  • [国際共同研究] ユトレヒト大学(オランダ)

    • 国名
      オランダ
    • 外国機関名
      ユトレヒト大学
  • [国際共同研究] 中国地質大学(中国)

    • 国名
      中国
    • 外国機関名
      中国地質大学
  • [学会発表] 熱水噴出孔の硫化物チムニーの累帯構造と半導体特性の関係性2023

    • 著者名/発表者名
      高橋美咲,岡本敦,山田亮一,佐藤義倫,野崎達生
    • 学会等名
      日本地球惑星科学連合(JpGU)
  • [学会発表] Semiconducting properties of the sulfide chimneys at seafloor hydrothermal vents2023

    • 著者名/発表者名
      Misaki Takahashi, Atsushi Okamoto, Ryoichi Yamada, Yoshinori Sato, Tatsuyoshi Nozaki
    • 学会等名
      Water-Rock Interaction WRI-17
    • 国際学会
  • [学会発表] 熱水噴出孔の硫化物チムニーの累帯組織と熱起電力分布 ―深海発電現象への考察―2023

    • 著者名/発表者名
      高橋美咲,岡本敦,山田亮一,佐藤義倫,野崎達生
    • 学会等名
      日本地質学会
  • [学会発表] 海洋底硫化物チムニーの 組織と熱電変換性能2023

    • 著者名/発表者名
      岡本敦、高橋美咲、佐藤義倫、山田亮一、野崎達生
    • 学会等名
      変成岩などシンポジウム
  • [学会発表] 海洋リソスフェアの変質作用:元素移動とエネルギー生成について2023

    • 著者名/発表者名
      岡本敦
    • 学会等名
      海底拡大系観測から探る地球内部と表層のリンケージ ~InterRidge-Japan研究集会~
    • 招待講演
  • [学会発表] The linkage of zonal structure of sulfide chimney and its semiconducting properties at the seafloor hydrothermal vents2023

    • 著者名/発表者名
      Misaki Takahashi, Atsushi Okamoto, Ryoichi Yamada, Yoshinori Sato, Tatsuyoshi Nozaki,
    • 学会等名
      Earth, Sea and Sky : International Joint Graduate Program Workshop in Earth and Environmental Sciences
    • 国際学会
  • [備考] 東北大学 岡本・宇野研究室

    • URL

      https://geo.kankyo.tohoku.ac.jp/gmel2/

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公開日: 2024-12-25  

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