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2014 年度 実施状況報告書

原子間力顕微鏡による氷表面での2種類の擬似液体層の形状・厚み測定

研究課題

研究課題/領域番号 25870009
研究機関北海道大学

研究代表者

長嶋 剣  北海道大学, 低温科学研究所, 助教 (60436079)

研究期間 (年度) 2013-04-01 – 2016-03-31
キーワード原子間力顕微鏡 / 氷 / 擬似液体層 / 結晶成長
研究実績の概要

当該年度では原子間力顕微鏡用の氷表面観察セルの作成と氷表面の観察を行った。
観察氷を作るためには観察部を過飽和にする必要があるが、観察部以外の場所は未飽和になるように水蒸気量を調整しないと、結露等で装置の故障につながってしまう。そこで、前年度に環境構築したインキュベータで環境温度を+5℃に保ち、そのインキュベータ内で観察部を-10℃まで冷やせるセルを作成した。冷却はペルチェ素子と水冷機構により実現した。また、水蒸気量は空気と乾燥窒素ガスとの混合によってコントロールした。その結果、観察部を過飽和条件にして単結晶氷を作成することに成功した。氷の自形である六角板状の結晶が確認できたため、氷ベーサル面を観察できていることもわかった。
氷表面のナノ計測の際に氷結晶の成長、蒸発、融解などは避けられないが、これらを極限まで抑制しないと氷結晶表面の上下動により原子間力顕微鏡測定は阻害されてしまう。現状では成長・蒸発速度が精密にコントロールできていないため、安定した3次元トポグラフ計測は難しいためXY方向にスキャンせずZ方向のみを動かすフォースカーブ測定を中心に行っている。今後に向けては、より安定した温度場・濃度場を作り出せるようセルの改良を行っている。
また、氷表面で擬似液体層の生成する温度・過飽和条件をおおまかに見積もるために、レーザー共焦点微分干渉顕微鏡で氷の表面を観察した。それで得られた環境条件を元に原子間力顕微鏡用のセルでも同条件を作り出せるよう調整中である。

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

観察セルの作成により単結晶氷を観察できるようになったのは大きな進展である。結晶面によって形成条件が異なる擬似液体層の観察においては面方位のわかった氷を観察することは重要である。よって、本研究はおおむね順調に進展していると判断できる。ただし、氷表面の綺麗な3次元トポグラフを得るに至って氷結晶の成長・蒸発速度が早過ぎるという問題があるため、観察セルの改良等で早期解決を目指す予定である。

今後の研究の推進方策

申請した当初と大きな変更はなく、このまま進めていく予定である。
一方、レーザー共焦点微分干渉顕微鏡観察により、塩化水素ガス存在下では氷表面での液体層の形成が促進されることを発見した。これは2つの意味を持つ。1つは氷表面での液体層をより幅広い条件で容易に観察できるであろうこと、もう1つはオゾンホール生成など環境科学への応用が考えられる事である。よって、当初は窒素ガス雰囲気での実験のみ考えていたが、適時塩化水素ガスの効果も調べていきたいと考えている。

次年度使用額が生じた理由

物品費が発生しなかった理由としては、計上していた観察用セル作製一式を自作したからである。一式装置としての作製が難しかったため、既に所持していたセルを分解して得た部品を用いて自作した。

次年度使用額の使用計画

氷結晶の蒸発・凝縮を抑制するためには、水蒸気量をより一層精密にコントロールする必要があることがわかったため、窒素ガスと水蒸気ガスを混合して導入する装置を作製する。

  • 研究成果

    (6件)

すべて 2015 2014

すべて 雑誌論文 (2件) 学会発表 (4件)

  • [雑誌論文] 氷ベーサル面上での形態が異なる2種類の擬似液体層の生成過程2014

    • 著者名/発表者名
      佐﨑元, 麻川明俊, 長嶋剣, 中坪俊一, 古川義純
    • 雑誌名

      Int. J. Microgravity Sci. Appl.

      巻: 31 ページ: 100-105

  • [雑誌論文] Roles of Surface/Volume Diffusion in the Growth Kinetics of Elementary Spiral Steps on Ice Basal Faces Grown from Water Vapor2014

    • 著者名/発表者名
      H. Asakawa, G. Sazaki, E. Yokoyama, K. Nagashima, S. Nakatsubo, Y. Furukawa
    • 雑誌名

      Crystal Growth Design

      巻: 14 ページ: 3210-3220

    • DOI

      10.1021/cg4014653

  • [学会発表] 氷ベーサル面の成長に与える塩化水素ガスの効果2015

    • 著者名/発表者名
      長嶋剣, 佐﨑元, 羽馬哲也, 麻川明俊, 村田憲一郎, 中坪俊一, 古川義純
    • 学会等名
      日本物理学会 第70回年次大会
    • 発表場所
      早稲田大学早稲田キャンパス, 東京都新宿区
    • 年月日
      2015-03-21 – 2015-03-24
  • [学会発表] 氷ベーサル面の成長に与える塩化水素ガスの効果2014

    • 著者名/発表者名
      長嶋剣,佐﨑元,羽馬哲也,麻川明俊,村田憲一郎,中坪俊一,古川義純
    • 学会等名
      第44回結晶成長国内会議
    • 発表場所
      学習院大学, 東京都豊島区
    • 年月日
      2014-11-06 – 2014-11-08
  • [学会発表] 液中周波数変調方式原子間力顕微鏡による 可溶性結晶の原子分解能観察2014

    • 著者名/発表者名
      長嶋剣
    • 学会等名
      日本物理学会 2014年秋季大会
    • 発表場所
      中部大学春日井キャンパス, 愛知県春日井市
    • 年月日
      2014-09-07 – 2014-09-10
  • [学会発表] 液中非接触原子間力顕微鏡による結晶表面での吸着分子観察2014

    • 著者名/発表者名
      長嶋剣
    • 学会等名
      日本地球惑星科学連合 連合大会 2014年大会
    • 発表場所
      パシフィコ横浜, 神奈川県横浜市
    • 年月日
      2014-04-28 – 2014-05-02

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公開日: 2016-06-01  

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