【研究分野】量子ビーム科学

【研究領域課題番号】26246039 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

氷 / 高圧 / 中性子回折 / 低温 / 地球化学 / 水素結合 / 量子ビーム / 惑星起源・進化 / 惑星起源･進化

【研究成果の概要】

本研究では、低温条件で自在に圧力を制御可能な中性子回折観察用の高圧発生装置を開発し、これを用いて低温高圧下で安定な氷の構造と物性に関する知見を得ることを目的とした。
クライオスタットと液体窒素冷却とのハイブリッドシステムを高圧発生装置に適用することで、温度下限を40 K程度まで拡大し、これまで未踏であった条件での高圧下中性子回折測定が可能となった。本研究で開発された装置を用いることで、氷VII相に塩が多量に取り込まれるプロセスの解明や氷VI相に対応する秩序相の生成メカニズムに関して顕著な成果を得ることができた。

【研究の社会的意義】

氷は身近にありふれた物質であるにもかかわらず、未解決問題を多く有する奥が深い物質である。本研究では低温条件で自在に圧力を制御できる高圧発生装置を開発し、任意の条件で氷の中性子回折パターンを測定し、これまで未解決であった氷の問題②正面から取り組んだ。本研究で得られた成果は、氷の結晶構造に見られる水素原子の無秩序ー秩序相転移に関して、新しいモデルを提案することになった。また、本研究により氷VIIに多量の塩が入るメカニズムが明らかになった。これらの研究成果により、氷の未解決問題に解答を与えることができ、基礎化学に大きな発展をもたらした。また、本研究は氷惑星の内部物性の理解にも大きな貢献をもたらす。

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】2014-04-01 - 2018-03-31

【配分額】41,600千円 (直接経費: 32,000千円、間接経費: 9,600千円)

【研究分野】岩石・鉱物・鉱床学

【研究領域課題番号】24840019 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

高圧物質科学 / 中性子回折 / J-PARC / 水素結合 / 高圧装置開発 / 含水鉱物

【研究成果の概要】

本研究は、大強度陽子加速器施設J-PARC（茨城県東海村）にある高圧中性子回折実験用ビームラインにおいて、含水鉱物の高圧下における水素結合の挙動と水素原子の位置を明らかにすることが目的である。そこで、まず短時間で高S/N比を持つ良質な中性子回折パターンを得ることができる高圧発生装置を改良し、含水鉱物のアナログ物質として知られる水酸化カルシウムCa(OD)2の新高圧相について、高圧下での中性子その場観察を世界で初めて試みた。
平成24年度は主に装置の開発を進めてきた。中性子実験のスケジュール調整と装置開発面での計画延長の必要が生じたことから、平成24年度経費の一部を25年度に繰越した。これにより、2013年内に申請者自身が実験責任者として採択された実験課題に沿って、J-PARCにある高温高圧ビームラインPLANET(BL11)にて中性子実験が実現した。また2013年夏には、フランスの中性子実験施設に遠征し、開発された本装置の一部をさらなる改良・実用化した実験にも参加し、非常に有益な機会も得た。J-PARCの実験では、申請者がこれまでに開発してきた高圧発生装置を持ち込み、この装置の有用性を示すことができたと同時に、Ca(OD)2の室温高圧相の回折パターンを測定することに初めて成功し、結晶構造と水素原子位置の詳細が明らかになった。また、別に６軸プレスを用いた中性子実験から得られたCa(OD)2の高温高圧相の結果も併せて、高圧相の相関係と水素結合の変化について考察し、同等の構造をもつ水酸化物の高圧下での振る舞いに関して、体系的な理解につながる知見を得た。この成果報告として、国内外の学会で発表を行った。さらに、学術雑誌Journal of Solid State Chemistryに論文を投稿し、非常によいコメントをいただき、現在そのリバイス段階にある。

【研究種目】研究活動スタート支援

【研究期間】2012-08-31 - 2014-03-31

【配分額】2,990千円 (直接経費: 2,300千円、間接経費: 690千円)

【研究分野】地球宇宙化学

【研究領域課題番号】15340190 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

水素結合 / 地球内部 / ラマン分光 / ダイヤモンドアンビルセル / 赤外分光 / その場観察 / 中性子回折 / 含水鉱物 / ダイヤモンドアンビル

【研究成果の概要】

本研究では地球深部条件に匹敵する圧力下での室内での実験と、地球深部からもたらされた天然試料の丹念な観察を並行することによって、地球深部で起こる現象を化学的な目で理解することを目指した。新たに本研究経費により、高温高圧条件を発生することができるダイヤモンドアンビルセルを導入した。加熱は外熱方式であるため、十分な高温を達成することはできないが、私たちのグループにおいては大きな技術的な進歩である。また、市販の顕微赤外分光計を改造し、同軸でレーザーを導入し、赤外スペクトルと蛍光/ラマンスペクトルの同時測定を可能とした。さらに高空間分解能の赤外マッピング分析も行えるように装置の整備を行った。これらの測定技術の向上にともなうサイエンティフィックなアウトプットは少しのライムラグを経て世に出ることになるであろう。
本研究費の補助を得て、我々のグループから多くの研究成果を世に送り出すことができたことを喜ばしく思う。含水鉱物の高圧下での結晶構造変化とそれにともなう水素結合の強度変化、天然ダイヤモンドやマントル捕獲岩に含まれる包有物の残留測定、鉱物中の微量元素の存在状態など、いずれも我々が得意とする分光法をキーワードとした研究成果である。また、光の回折限界を超えた超高空間分解能分光法の開発も行い、実用レベルに達し、いくつかの研究成果も得られるようになった。
さらに次世代につながる事業として、東海村に建設中の大型パルス中性子線源への高圧装置の提案も本研究グループのメンバーを含む多くの研究仲間と共に進めることができた。これも本研究の副産物といえる。今後は論文としての研究成果だけでなく、我々が進めてきた研究を自立して行うことのできる後継者の養成にも積極的に取り組んでいきたいと考えている。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2003 - 2005

【配分額】16,600千円 (直接経費: 16,600千円)

【研究分野】地球化学

【研究領域課題番号】12640476 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

水素結合 / 高圧 / 中性子回折 / 振動分光 / 重炭酸 / マントル / ラマンスペクトル / 赤外スペクトル / 相転移 / 流体 / 水 / ダイヤモンド / 地球内部 / 分光学

【研究成果の概要】

地球内部物質、特に上部マントルを構成する物質には水が構造中に取りこまれる。水素の取りこみによって、地球内部の溶融関係、岩石の変形挙動などに大きな変化が起こりうることが知られている。
本研究では含水ケイ酸塩鉱物をはじめとするさまざまな含水素物質の高圧での物性変化を分光学的手法や中性子回折のその場観察で明らかにすることができた。特に研究の後期においてカリウム重炭素塩の高圧下での相転稼を見いだすことができた。詳細は冊子体を参照されたい

【研究種目】基盤研究(C)

【研究期間】2000 - 2001

【配分額】3,600千円 (直接経費: 3,600千円)

【研究分野】地球化学

【研究領域課題番号】10740256 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

高圧 / 水素結合 / マントル / ダイヤモンド / スペクトル / 中性子回折 / 地球内部 / 含水高圧相 / 赤外スペクトル

【研究成果の概要】

前年度に引き続き含水マグネシウムシリケートの高圧合成を行いながら、中性子回折の測定や赤外・ラマンスペクトルの測定を行った。その結果、Phase Aの水素原子まで含めた構造の解析に成功し、高圧力での構造変化についても議論を行うことができた。この成果は含水高圧シリケートに中性子回折を適用した初めての成果である。従来は複雑な構造ゆえ不可能であった仕事であるが、我々の努力によって困難を克服することができた。また、金属水酸化物の高圧下での振る舞いに関する研究でも進展があった。高圧力下では水素結合の形成と水素原子間の反発が競争的に起こることが明らかになり、水酸化コバルトで既に報告されていたアモルファス転移が、水素原子同士の反発によって生じる緩和過程に起因することを突き止めた。また、高圧実験によって元来は無水鉱物であるスティショバイトについても、含水天然MORBを出発物質とした場合の温度圧力依存性についてプレリミナリーな結果を得ることができた。
特に今年度からは固体物質だけでなく、鉱物中に含まれる流体包有物の塩濃度を水の会合状態を分光学的に数値化することによって求める方法を開発した。これによって従来氷点法によって行っていたsalinityの測定を顕微分光法によって行うことができるようになった。さらに、高圧下での赤外・ラマン測定の設備を整備しつつあり、圧力と塩濃度を変数としたスペクトル解析を今後は行う予定である。究極的には天然ダイヤモンドに含まれているマントル流体の素性を、水素結合(水の会合)というパラダイムで理解することを目指す。

【研究種目】奨励研究(A)

【研究期間】1998 - 1999

【配分額】2,000千円 (直接経費: 2,000千円)