【研究領域課題番号】20K15123 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

核形成 / 結晶成長 / 結晶化 / 透過電子顕微鏡 / 電子顕微鏡 / 動的挙動解析 / 無機化合物 / 時間分解能

【研究成果の概要】

前年度に引き続き，原子分解能単分子時間分解電子顕微鏡（SMART-EM）イメージング法によって結晶化過程における分子レベルの詳細を追求した．結晶学的に最も汎用的な塩化ナトリウム(NaCl)をモデル基質として選定し，前年度は核形成の詳細を明らかにしたが，本年度は結晶成長におけるイオン対の動的挙動を高速撮影可能なカメラによって解析した．数原子程度から構築されるクラスターは結晶表面長を浮いており，自由に拡散することが明らかとなった．横，縦，奥行き，そして時間軸の4次元的なクラスター挙動の詳細を精緻に解析することに成功した．モンテカルロ法によって観察結果の妥当性を検証しているところである．
本申請研究では観察対象の拡充を目指した検討も同時に行った．NaClだけでなく他の陽イオン，陰イオンなど多岐に渡る基質への展開可能性が明らかになりつつある．透過電子顕微鏡と高速動画撮影が可能なカメラを組み合わせることにより，結晶化過程における4次元的な振る舞いの顕在化に成功した．より動的な視点で科学現象を捉えることにより，化学現象に対する知見の深化が期待できる．また目で見る分子動画は教育に対する貢献も明らかとなっており，実際に目で見る化学教育の実現がまたれる．

【研究種目】若手研究

【研究期間】2020-04-01 - 2023-03-31

【配分額】4,160千円 (直接経費: 3,200千円、間接経費: 960千円)

【研究分野】岩石・鉱物・鉱床学

【研究領域課題番号】22244066 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

地球物質科学 / コンドリュール / 結晶成長 / 惑星科学 / その場観察 / ハイパークーリング / 潜熱 / 結晶形態安定性 / オリビン / 結晶化 / 核形成 / コロイド / メルト成長 / 宇宙塵

【研究成果の概要】

原始太陽系と同じ非接触環境を模擬した、コンドリュールメルト液滴からの結晶化の“その場”観察を行なった．その結果，天然の組織を再現するには、これまで考えられていた条件より遥かに大きい超過冷却度（300~ 1100 K）が必要で、数秒の短時間で完了することが分かった．さらに，過冷却度に応じて多様な凝固組織の出現を確認し、天然隕石に見られる多様性との対応を行った．この結果をもとにすることで、コンドリュール組織形成に関する速度論的な理論モデル化が初めて行えた。

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】2010-04-01 - 2014-03-31

【配分額】45,370千円 (直接経費: 34,900千円、間接経費: 10,470千円)

【研究分野】高分子構造物性(含繊維)

【研究領域課題番号】04302055 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

高分子結晶 / 結晶成長 / 平衡融解温度 / 高次構造 / モルフォロジー / レジーム転移 / 核形成 / 薄膜 / 剛直性高分子 / ブレンド / 界面 / 平衝融取温度 / 糀形成

【研究成果の概要】

1.高分子の結晶化と高次構造形成過程は過冷却度が重要なパラメータとして記述されるので結晶の平衡融点の確立が重要である。ポリスチレンでは従来の値より20Kも高いことが示された。ポリエチレンでは、精密な相図が三重点も含めて決定された。2.ポリスチレンのラメラでは結晶芯が著しく薄く、このラメラの増殖・分岐がラセン転位により起こり、球晶の形成が行なわれることが示された。融液成長の電子顕微鏡による直接観察が初めて行なわれ、結晶-融液界面が薄く成長速度が遅くなっていることが見出された。3.ポリエチレンの融液・溶液成長の精密な実験が行なわれ、単一核成長(レジームI)から多数核成長(レジームII)への転移には六角形からレンズ形への形態変化を伴うことが示された。4.剛直性高分子であるポリパラフェニレンベンゾビスチアゾールとポリテトラフルオロエチレンでは、結晶化温度とモルフォロジーが明らかにされた。すなわち、foldが不可能のため、分子鎖方向に伸びたフィブリルが高次構造であるが、結晶化温度・熱処理温度が高くなると分子鎖に垂直方向に伸びたフィブリルが発達する。5.共重合体として強誘電性高分子であるフッ素系高分子の分極構造が明らかにされた。この構造は世界で初めて観測されたもので、高分子強誘電体が通常の強誘電体と同じカテゴリに入ることが示された。また、PETを含む共重合体の共結晶化が発見された。6.混合系では結晶性と非晶性の高分子の混合系(PEO/PMMA,PVDF/PMMA,PCL/PVME)の結晶化とラメラ構造・球晶が研究され、これらの構造形成に高分子の拡散の効果が重要であることが指摘された。7.結晶の形と厚さについての理論とシミュレーションは実験結果を定性的に再現し、定量的に比較する段階に到達した。

【研究種目】総合研究(A)

【研究期間】1992 - 1993

【配分額】1,700千円 (直接経費: 1,700千円)

【研究分野】都市工学・衛生工学

【研究領域課題番号】02650379 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

下水汚泥 / 溶融スラグ / 核形成 / 結晶成長 / 塩基度 / 水砕スラグ / 空冷スラグ / 結晶化スラグ / シリカ

【研究成果の概要】

下水汚泥溶融システムは1300〜1500度で汚泥中の無機成分を溶融することにより、下水汚泥を著るしく減量化し,汚泥中の重金属をスラグ中に安定・固定化する方法である。一方,下水汚泥溶融処理によって得られるガラス質スラグを建設資材として広く利用するため,結晶化スラグにする方法が検討されているが,スラグの結晶化は汚泥中の無機成分組成に大きな影響を受ける。これまでの実験により,次のような結果が得られている。
1.下水汚泥中の主要無機成分は酸化物に換算してSiO_2,Al_2O_3,CaO,Fe_2O_3であるが,これ等混合物の溶融温度は非常に高い。しかし,無機成分中のNa_2O/CaO比をNa添加,Ca添加によって0.2〜0.4の範囲に調整すると,溶融温度は約200度低下する。
2.溶融処理において,高分子下水汚泥の最大核形成温度は約700度,また,最大結晶成長温度は約1100度であった。下水汚泥を高温で溶融し,この融液を1100度で1時間保持した後,冷却すると結晶質スラグが得られる。また,ガラス質スラグを再加熱すると容易に結晶化することが判明した。
3.スラグの強度はスラグ中のSiO_2含有量の影響も受け,SiO_2含有量が増大すると強度も増大するが,融液の粘度も増大するため溶融温度が上昇する。この場合,塩基度(CaO/SiO_2)を約1.0に調整すると,溶融温度を低く維持することが可能であった。

【研究種目】一般研究(C)

【研究期間】1990 - 1991

【配分額】2,300千円 (直接経費: 2,300千円)