月面や火星における生命維持環境創成のナノレベルでの”その場”観察による研究

2016 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 26506011
• 研究機関: 大阪大学
• 研究代表者: 塚本 勝男 大阪大学, 工学研究科, 招へい教授 (60125614)
• 研究期間 (年度): 2014-04-01 – 2017-03-31
• キーワード: 月面 / 結晶成長 / コンクリート / 水酸化カルシウム / その場観察 / 水 / アラゴナイト / カルサイト

研究実績の概要

月や火星などで人類が長期ｔ機に生活することを想定すると、性見英維持に必要な産総と水を作るだけでなく、安定した生命維持環境を長期的につくる必要がある。これまでは、水をつくる酸素と水素をどう供給するかを調べたが、今年度は居住に必要なコンクリートの安定性を昨年度に継続して調べることにした。
コンクリートの主成分は水酸化カルシウムの結晶である。この安定性を高分解光学系を利用した”その場”観察法で調べた。地球上や月面居住空間では生成される炭酸ガスと水との長期的な反応がセメントの劣化にとって大事である。つまり、それらがコンクリート内で炭酸水として存在して、主成分の炭酸カルシウムを溶かすだけでなく、新たな副生物をつくり、体積膨張など劣化のきっかけを作ることにもなる。
この一連の反応を”その場”観察で詳細に調べた。この水酸化カルシウムの結晶は炭酸水と反応すると溶解するが、結晶周囲のカルシウム濃度を増加させ、その結果、炭酸カルシウムが余剰に水に溶解することにより、アラゴナイトVa(CO23)2を析出する。この結晶は反応が遅い場合には、もとの水酸化カルシウム結晶の表面をエピタキシャル状に単結晶に近い状態で析出する。その後、そのアラゴナイトは周囲の溶液の濃度変化にともなってエッチピット状に溶解する。それと同時に、そのエッチピットのさらに遠方では、アラゴナイトより溶解度が少ないカルサイト（同じCa(CO3)2結晶であるがアラゴナイトと構造が違う）の結晶がもとの結晶上に析出して一連の溶解と析出の一連のプロセスが完了する。このような連続的な反応は、Putnisらの提唱するCoupled dissolution and precipitationメカニズムで基本的には説明できるが、このモデルのかなりな修正も必要な事が分かった。

研究成果

• [国際共同研究] ブラッセル自由大学(ベルギー)
  • 国名: ベルギー
  • 外国機関名: ブラッセル自由大学
• [国際共同研究] グラナダ大学(スペイン)
  • 国名: スペイン
  • 外国機関名: グラナダ大学
• [国際共同研究] ナイメーヘン大学(オランダ)
  • 国名: オランダ
  • 外国機関名: ナイメーヘン大学
• [雑誌論文] Two types of amorphous protein particles facilitate crystal nucleation (2017)
  • 著者名/発表者名: Yamazaki, Tomoya Kimura, Yuki Vekilov, Peter G. Furukawa, Erika Shirai, Manabu Matsumoto, Hiroaki Van Driessche, Alexander E. S. Tsukamoto, Katsuo
  • 雑誌名: Proceedings of the National Academy of Sciences 巻: 114 ページ: 2154-2159
  • DOI: 10.1073/pnas.1606948114
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Do we need micorogravity to improve the diffracton properties of protein crystals? (2017)
  • 著者名/発表者名: Katsuo TSUKAMOTO, Haruhiko KOIZUMI, Mihoko MARUYAMA, Hitoshi MIURA, Yoshihisa SUZUKI, Hiroaki TANAKA, Alexander ES VAN DRIESSCHE and Dominique MAES
  • 雑誌名: Int. J. Microgravity Sci. Appl. 巻: 34 ページ: 1-7
  • DOI: 10.15011//jasma.34.340117
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Development of compartment for studies on the growth of protein crystals in space (2016)
  • 著者名/発表者名: T. Yamazaki K. Tsukamoto I. Yoshizaki S. Fukuyama H. Miura T. Shimaoka T. Maki K. Oshi Y. Kimura
  • 雑誌名: Review of Scientific Instruments 巻: 87 ページ: 033107-033113
  • DOI: 10.1063/1.4942961
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] In-situ observation of crystal growth and the mechanism (2016)
  • 著者名/発表者名: Tsukamoto, Katsuo
  • 雑誌名: Progress in Crystal Growth and Characterization of Materials 巻: 62 ページ: 111-125
  • DOI: 10.1016/j.pcrysgrow.2016.04.005
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Importance of Determination of Crystal Quality in Protein Crystals when Performing High-Resolution Structural Analysis (2016)
  • 著者名/発表者名: Koizumi, Haruhiko Suzuki, Ryo Tachibana, Masaru Tsukamoto, Katsuo Yoshizaki, Izumi Fukuyama, Seijiro Suzuki, Yoshihisa Uda, Satoshi Kojima, Kenichi
  • 雑誌名: Crystal Growth & Design 巻: 16 ページ: 4905-4909
  • DOI: 10.1021/acs.cgd.6b00457
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Promotion of protein crystal growth by actively switching crystal growth mode via femtosecond laser ablation (2016)
  • 著者名/発表者名: Tominaga, Yusuke Maruyama, Mihoko Yoshimura, Masashi Koizumi, Haruhiko Tachibana, Masaru Sugiyama, Shigeru Adachi, Hiroaki Tsukamoto, Katsuo Matsumura, Hiroyoshi Takano, Kazufumi Murakami, Satoshi Inoue, Tsuyoshi Yoshikawa, Hiroshi Y. Mori, Yusuke
  • 雑誌名: Nature Photonics 巻: 10 ページ: 723-726
  • DOI: 10.1038/nphoton.2016.202
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [学会発表] Morphological Change of 2D and 3D islands of Lysozyme in Space (2017)
  • 著者名/発表者名: Katsuo Tsukamoto, Hitoshi Miura, Haruhiko Koizumi
  • 学会等名: American Association on Crystal Growth (AACGE-21)
  • 発表場所: New Mexico
  • 年月日: 2017-07-30 – 2017-08-04
• [学会発表] 準結晶のらせん成長 (2016)
  • 著者名/発表者名: 塚本勝男
  • 学会等名: 結晶成長の数理
  • 発表場所: 東大数理研究所
  • 年月日: 2016-12-16 – 2016-12-17
  • 招待講演
• [学会発表] NanoStep Project (2016)
  • 著者名/発表者名: Tsukamoto Katsuo
  • 学会等名: International Topica Team Meeting on Crystal Growth
  • 発表場所: Milano
  • 年月日: 2016-12-05 – 2016-12-06
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] What Has Been Characterized by In-Situ Observation of Crystal Growth in Space? (2016)
  • 著者名/発表者名: Tsukamoto Katsuo
  • 学会等名: 11th Asian Microgravity Symposium
  • 発表場所: Sapporo
  • 年月日: 2016-10-25 – 2016-10-29
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Growth Mechanism of Protein Crystals in Space (2016)
  • 著者名/発表者名: Tsukamoto Katsuo
  • 学会等名: The 2nd International Symposium （SSPC-2） Space Science of High Quality Protein Crystallization Technology
  • 発表場所: 東大弥生講堂
  • 年月日: 2016-10-21 – 2016-10-22
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 2D and 3D nucleation on crystals (2016)
  • 著者名/発表者名: Tsukamoto Katsuo
  • 学会等名: International Conference on Crystal Growth and Epitaxy ICCG18
  • 発表場所: Nagoya
  • 年月日: 2016-08-07 – 2016-08-12
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] In-Situ Measurement of Lysozyme Crystal Growth Rate vs Supersaturation with Different Impurity Level in the International Space Station (2016)
  • 著者名/発表者名: Katsuo Tsukamoto, Hitoshi Miura, Yoshihisa Suzuki Izumi Yoshizaki
  • 学会等名: International Conference on Crystal Growth and Epitaxy ICCG18
  • 発表場所: Nagoya
  • 年月日: 2016-08-07 – 2016-08-12
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] In-situ observation and growth mechanisms (2016)
  • 著者名/発表者名: Tsukamoto Katsuo
  • 学会等名: The 16th International Summer School on Crystal Growth
  • 発表場所: Shiga
  • 年月日: 2016-08-01 – 2016-08-07
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 結晶成長、溶解における界面・ナノ現象 (2016)
  • 著者名/発表者名: 塚本勝男
  • 学会等名: 地球惑星科学連合大会、結晶成長、溶解における界面・ナノ現象
  • 発表場所: 幕張
  • 年月日: 2016-05-22 – 2016-05-26
• [学会発表] 無重力での結晶成長 (2016)
  • 著者名/発表者名: 塚本勝男
  • 学会等名: 結晶成長の数理
  • 発表場所: 東大数理研究所
  • 年月日: 2016-04-20 – 2016-04-23
  • 招待講演
• [備考] Welcome Tsukamoto's Laboratory
  • URL: http://www.tsukamoto-re.com