研究課題
本研究では、ダイヤモンド複合体アンビルと放射光X線を使った高温高圧落球法実験技術を開発し、火星中心核組成である鉄-硫黄系融体の粘性および密度測定から組成依存性と温度－圧力変化を系統的に調べることによって、鉄融体における硫黄の効果を明らかにすることを目的としている。今年度は、鉄-硫黄系融体における高温高圧落球法実験を成功させるための最重要課題である１．ダイヤモンド複合体アンビルの製作と、２．落球マーカーの製作技術開発を重点的に行い、さらに並行して端成分である３．硫黄融体についての粘性測定とX線回折測定を行った。１．ダイヤモンド複合体アンビルの製作技術開発：昨年度に引き続き、1800℃以上の高温でも安定に実験が可能なダイヤモンド複合体アンビル製作の技術開発を継続して行った結果、14mm角立方体形状アンビルの合成条件はほぼ確立され、安定供給が可能となった。２．落球マーカーの製作技術開発：これまでアルミナスパッタリング法による金属落球マーカーのコーティング技術の開発を行ってきたが、コーティング面に微細な亀裂が入ってしまうため、金属落球マーカー表面を完全に絶縁させることが困難であった。そこで、スパッタリング後にIPA洗浄して一旦アルミナ粒子を溶解させ、再度スパッタリングを繰り返し行う技術を開発した結果、表面を完全絶縁した落球マーカーの製作に成功した。来年度はこのマーカー球を使った粘性測定を開始する予定である。３．硫黄融体についての粘性測定とX線回折測定：9GPaまでの硫黄融体の粘性測定を行った結果、8GPa以上で粘性係数が急激に上昇することがわかった。しかし同様の圧力領域でX線回折測定を行ったが回折パターンの変化は観測されなかった。これまで8GPa付近に硫黄融体の構造相転移があることが報告されているが、本研究からこれは二次の相転移であることが明らかとなった。
3: やや遅れている
ダイヤモンド複合体アンビルの製作では、14mm角立方体形状アンビルの安定供給が可能となり、アンビル製作技術の開発は順調に進んでいる。また、火星中心核成分の一つである硫黄融体において、8 GPa付近に急激な粘性係数の上昇が起こることを発見したが、X線構造解析から一次的な構造相転移ではなく、重合した硫黄分子の組み換えによる二次の相転移であることがわかった。一方、鉄-硫黄系融体の高温高圧落球法実験に必要な落球マーカーの製作においては、当初予定していたスパッタリング法による金属落球マーカーのアルミナコーティング加工だけではコーティング面に亀裂が生じて鉄融体が浸透してしまう問題を解決できず、実験に使用可能な落球マーカーの製作に目途が立っていなかった。しかし本年度は落球マーカーの製作技術開発を集中的に行った結果、スパッタリングとIPA洗浄を行うことで球体表面を完全コーティングすることに初めて成功した。これにより鉄-硫黄系融体の実験を行う準備が整ったが、今年度予定していた高温高圧落球法実験には至らなかったため、達成度においてやや遅れているとした。
本研究課題の今後の推進方策として、ダイヤモンド複合体アンビルの製作、落球マーカーの製作技術開発を継続して行い、これまでできなかった鉄-硫黄系融体の高温高圧落球法実験を行う。また、得られた粘性、密度から活性化エネルギー、活性化体積を高精度で決定し、地球の外核における粘性対流や、火星中心核の形成および進化過程についての考察を行う。一方、端成分である硫黄融体については、8GPa付近で起こると報告されていた構造相転移が本研究から二次相転移であることが明らかとなり、急激な構造変化は起こらないことがわかった。しかし、硫黄融体については構造だけでなく密度や粘性においても系統的な研究が行われていないことから、高温高圧下における硫黄融体についての構造および密度、粘性を解析し、精密な状態方程式の決定を行う。
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