分子化学進化に及ぼすアモルファス氷の強誘電性効果

2017 年度 実績報告書

• 研究領域: 宇宙における分子進化：星間雲から原始惑星系へ
• 研究課題/領域番号: 16H00937
• 研究機関: 京都大学
• 研究代表者: 杉本 敏樹 京都大学, 理学研究科, 助教 (00630782)
• 研究期間 (年度): 2016-04-01 – 2018-03-31
• キーワード: 強誘電氷 / アモルファス氷 / 結晶化 / 分子進化 / 和周波発生振動分光 / 赤外振動分光 / 昇温脱離法

研究実績の概要

本研究は，分子化学進化においてアモルファス氷の誘電物性が及ぼす影響を解明することを目的としている．星間分子雲や原子惑星系において，氷の構造が紫外光や熱により変化することが知られている．光・熱の履歴によって氷の構造がどのように経時変化するのかを明らかにしておくことは，氷表面で起こる分子進化過程を理解する上でも極めて重要である．昨年度は，モデル単結晶Pt(111)基板上に作製した種々の膜厚の強誘電アモルファス氷が①均一核成長により結晶化する事，②回転自由度と並進自由度が独立して熱力学的に安定な構造に緩和している事を明らかにした．
今年度は，上記の実験に引き続いて実験装置にD2ランプを組み込み．紫外光照射に起因するアモルファス氷の構造変化を解明することを試みた．また，分子雲の星間氷に共存しうる始原的なCOやNH3分子との共吸着によって発現する氷の強誘電性について調べた．その結果，COと共吸着させたPt(111)上の氷は強誘電性を発現させるのに対し，NH3と共吸着させたPt(111)上の氷は常誘電状態をとることが明らかになった．Pt(111)上のNH3分子は，N原子がPtに配位結合するH-up配向をとるため，NH3分子と共吸着させた氷はH-upの配向秩序を持つ強誘電氷となる事を予想していた．この予想に反し，NH3と共吸着させたPt(111)上の氷が常誘電氷になるという結果は，NH3分子のH-up配向秩序が水分子の共吸着により変調されることを示唆している．本研究により，２種分子の共吸着によって互いの分子の配向構造が変調を受け，純粋系とは異なる誘電物性を示しうることを実証する事ができた．この知見は，分子化学進化によって刻一刻と元素組成が変化する分子雲中の氷は，その組成に応じて強誘電性も時々刻々と変化させている事を示唆する．星間氷の強誘電性を決定する重要なファクターを解明する事ができた．

現在までの達成度 (段落)

29年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

29年度が最終年度であるため、記入しない。

研究成果

• [雑誌論文] Origins of emergent high-Tc ferroelectric ordering in heteroepitaxial ice film: Sum-frequency generation spectroscopy of H2O and D2O ice films on Pt(111). (2018)
  • 著者名/発表者名: N. Aiga, *T. Sugimoto, Y. Otsuki, K. Watanabe & Y. Matsumoto
  • 雑誌名: Phys. Rev. B 巻: ９７ ページ: 075410
  • DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevB.97.075410
  • 査読あり
• [雑誌論文] Water-assisted hole trapping at highly curved surface of nano-TiO2 photocatalyst. (2018)
  • 著者名/発表者名: K. Shirai, G. Fazio, *T. Sugimoto, D. Selli, L. Ferraro, K. Watanabe, M. Haruta, B. Ohtani, H. Kurata, C. Di Valentin & Y. Matsumoto
  • 雑誌名: J. Am. Chem. Soc 巻: １４０ ページ: １４１４，１４２２
  • DOI: 10.1021/jacs.7b11061
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Inelastic Electron Tunneling Mediated by Molecular Quantum Rotator (2017)
  • 著者名/発表者名: *T. Sugimoto, Y. Kunisada & K. Fukutani.
  • 雑誌名: Phys. Rev. B 巻: ９６ ページ: 241409
  • DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevB.96.241409
  • 査読あり
• [雑誌論文] Particle size dependence of carrier dynamics and reactivity of photocatalyst BiVO4 probed with single-particle transient absorption microscopy (2017)
  • 著者名/発表者名: M. Yabuta, A. Takeda, *T. Sugimoto, K. Watanabe, A. Kudo & Y. Matsumoto.
  • 雑誌名: J. Phyc. Chem. C 巻: １２１ ページ: 22060，22066
  • DOI: 10.1021/acs.jpcc.7b06230
• [雑誌論文] Unveiling subsurface hydrogen-bond structure of hexagonal water ice. (2017)
  • 著者名/発表者名: O. Yuji, *T. Sugimoto, T. Ishisyama, A. Morita, K. Watanabe & Y. Matsumoto
  • 雑誌名: Phys. Rev. B 巻: 96 ページ: 115405
  • DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevB.96.115405
• [学会発表] Emergent high-Tc Ferroelectric Ordering of Strongly Correlated and Frustrated Protons in Crystalline-Ice films (2017)
  • 著者名/発表者名: Toshiki Sugimoto,
  • 学会等名: Symposium on Molecular Science of Ice,
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] H/D exchange reaction at surface of crystalline-ice thin films (2017)
  • 著者名/発表者名: F. Kato, T. Sugimoto, K. Watanabe and Y. Matsumoto,
  • 学会等名: The 8th International Symposium on Surface Science (ISSS-8),
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Inelastic Electron Tunneling Mediated by Molecular Quantum Rotator (2017)
  • 著者名/発表者名: Toshiki Sugimoto, Yuji Kunisada and Katsuyuki Fukutani,
  • 学会等名: 5th Ito international Research Center conference (IIRC5)
  • 国際学会
• [学会発表] ヘテロエピタキシャル結晶氷薄膜における水分子の強誘電的配向秩序：熱的性質と同位体効果 (2017)
  • 著者名/発表者名: 杉本敏樹
  • 学会等名: 日本物理学会 2017年秋季大会
  • 招待講演
• [学会発表] 結晶氷薄膜における強誘電的配向秩序 ～熱的性質・同位体効果～ (2017)
  • 著者名/発表者名: 杉本敏樹，,
  • 学会等名: 中部・関西誘電体セミナー
  • 招待講演
• [学会発表] 表面融解点以下の低温領域でみられる結晶氷Ih(0001)最表面の特異な構造転移, (2017)
  • 著者名/発表者名: 杉本敏樹,
  • 学会等名: サテライトワークショップ~高分解能顕微・分光法による表面・界面研究の最前線~
  • 招待講演
• [学会発表] 同位体混合氷の昇華における二種の競合同位体効果 (2017)
  • 著者名/発表者名: 加藤 史明，原田 国明，杉本 敏樹，渡邊 一也，松本 吉泰,
  • 学会等名: 第11回分子科学討論会2017
• [学会発表] Pt(111)上の氷薄膜の水素結合ネットワーク構造変化 (2017)
  • 著者名/発表者名: 原田 国明，加藤 史明，杉本 敏樹，向井 孝三，吉本 真也，吉信 淳，渡邊 一也，松本 吉泰,
  • 学会等名: 第11回分子科学討論会2017
• [備考] 京都大学理学系研究科化学専攻
  • URL: http://www.kuchem.kyoto-u.ac.jp/organization/member/toshiki.html