Discovery Sagaサイレントキーワード俯瞰

アモルファス / クラスレート水和物 / 水素結合 / 疎水性水和 / 中性子散乱 / 熱容量 / 構造 / 低エネルギー励起

本研究に必要な装置として、混合ガスを蒸着するための蒸着ラインを作製した。さらに、英国のラザフォード・アップルトン研究所に設置されたMARI分光器による実験を行うため、これまでに使用していた蒸着試料用中性子散乱クライオスタットの大幅な改造を行った。
実験としては、Xe、SF_6、CD_4、Arの気体アモルファスクラスレート水和物を上記の装置を用いて作成し、in situの中性子散乱実験を行った。中性子散乱実験は高エネルギー加速器研究機構の中性子回折装置(HIT)、中性子小角散乱装置(SWAN)、非弾性散乱装置(LAM-D)を用いた。さらに、英国のラザフォード・アップルトン研究所のMARI分光器により、可干渉性非弾性散乱の実験を行った。
回折実験、小角散乱実験から、ゲスト量を増やすことおよびゲストサイズを大きくするにより、疎水性水和効果を通じてケージ状構造の形成および水素結合構造の強化が起こることが分かった。また、アモルファスクラスレート水和物の温度を上げていくと、氷にではなく、水和物結晶に結晶化することが分かった。非干渉性非弾性散乱実験からは、水素結合形成に伴って低エネルギー励起強度が減少することが分かった。中性子可干渉性非弾性散乱の結果からは、アモルファス氷とアモルファスXe水和物にフォノン分散的な励起が観測され、アモルファス状態においても、擬似的なブリルアンゾーンが存在することが明らかになった。
以上のように、アモルファスクラスレート水和物という新しい物質を作成し、様々な中性子散乱実験を行うことにより、その構造とダイナミクスを総合的に理解することができた。

ガラス / 水溶液 / 低エネルギー励起 / 中性子散乱 / 水素結合 / 疎水性水和 / 水 / 中距離密度揺らぎ / アニール効果

不規則系物理の未解明問題の一つであるガラスの低エネルギー励起の起源を明らかにするため,水および水溶液ガラスの中性子散乱と低温熱容量を測定した。溶質には水に良く溶けるCD_3OHとほとんど溶けない非極性気体のXeおよびSF_6をとりあげた。CD_3OHは水素が1個足りないのでネットワークを壊す働きを,XeおよびSF_6は疎水性水和効果により水が籠状の水素結合ネットワークを形成するのを促進することが期待される。CD_3OH水溶液を普通に冷却したのでは結晶化してしまうし,非極性気体は元々水にほとんど溶解しないので,水溶液ガラス作成には我々がこれまでに開発してきた低温蒸着法を用いた。
まず,本研究の溶媒にあたる水のガラス(蒸着アモルファス氷)とSF_6水溶液ガラスの中性子回折実験および中性子小角散乱実験を行った。蒸着直後の試料をガラス転移より少し低い温度である120K付近でアニールすることにより,平均密度が減少するとともに,0.1Å^<-1>程度の中距離密度揺らぎが減少することが分かった。次に,3つの溶質の蒸着水溶液ガラス(数種の濃度について)の中性子非弾性散乱を測定した。CD_3OHの添加は低エネルギー励起強度を増大させること,XeとSF_6の添加は低エネルギー励起強度を減少させることが分かった(この傾向は溶質濃度が高いほど顕著になる)。また,アニールにより全ての試料で低エネルギー励起強度が減少することが明らかになった。以上の全ての結果を総合することにより,水素結合系ネットワークガラスの低エネルギー励起が水素結合の部分的切断から生じるナノスケールの構造の乱れ,歪みによって生じることが明らかになった。
以上の成果は,現時点で,5つの国際誌に発表済みである。また,ガラスや水の関係の8つの国際会議(国外4,国内4)で報告したが,いずれの会議でも高い評価を得ている。