共同研究報告書


研究区分 萌芽研究

研究課題

 氷結晶表面での擬似液体層生成機構の解明
新規・継続の別 萌芽（2年目/全3年）
研究代表者／所属 物材機構表界面構造・物性ユニット
研究代表者／職名 主幹研究員
研究代表者／氏名 鈴木芳治

研究分担者／氏名／所属／職名
　
氏　　名
所　　属
職　　名

1

 佐崎　元 北大低温研

2

 古川義純 北大低温研

3

 長島　剣 北大低温研

4

 村田憲一郎 北大低温研

研究目的 氷の表面は融点以下の温度でも融解し，擬似液体層が生成する.擬似液体層は幅広い現象の鍵を握るため，その正体の解明は大変重要である.近年，独自開発した分子高さ分解能を持つ光学顕微鏡を用いて，氷結晶底面上では形態が異なる2種類の擬似液体層が生成することを発見した.しかし，本光学顕微法は，1）高速な現象を追跡できないとともに，2）水の分子運動に関する情報を得ることができない.H25年度には1)を目的として位相差顕微鏡の高感度化に取り組んだが約2倍程度の改善にとどまった．そのため，H26年度以降は主に2)に集中して取り組むことで，擬似液体層の正体解明に挑む.また新たに，表面融解の応用研究にも取り組む．
ラフニングしつつあるプリズム面上で，液滴状の擬似液体層が合体・融合する様子．　　
研究内容・成果 H26年度は、主に下記の2点に焦点を絞り、研究を行った。
1）擬似液体層中の水の分子運動のその場計測：氷表面上で生成する液滴状および薄い層状の形状を有する擬似液体層は厚みが極めて薄いため，分光学的情報を得ることが難しい．そのためまず，2種類の擬似液体層の「表面形状」を分子高さ分解能でその場観察できることに着目した．液滴状の擬似液体層中にたまたま存在したダスト粒子がブラウン運動する様子を直接計測することで，ダスト粒子の拡散定数を求め，Einstein-Stokesの法則より液滴状の擬似液体層の粘性係数を求めた．その結果，液滴状擬似液体層の粘性係数は，バルクの水とオーダーで等しいことがわかった．また，2種類の擬似液体層が合体・融合する際の形状の経時変化を計測することで，表面張力と粘性係数の比を決定した．そして，薄層状の擬似液体層は，表面張力と粘性係数の比がバルクの水のおよそ1/100であることを見出した．この結果は，薄層状の擬似液体層の表面張力がバルクの水と同程度であると仮定すれば，薄層状の擬似液体層の粘性係数はバルク水に比べて100倍も大きいことを意味する．今後，さらに計測および解析のモデルを精密化することで，より定量的な計測に発展させる予定である．
　また，研究代表者の鈴木が2015年1月13-14日に低温科学研究所を訪問し，佐﨑らが擬似液体層の分光測定のために開発したラマン分光装置が，擬似液体層の計測に利用できそうであるとの感触を得た．さらに2015年2月23-24日にも鈴木が低温研を再訪問し，水および氷のラマン分光計測を開始する予定である．
2）プリズム面および他の高指数面の表面融解過程：氷結晶ベーサル面が表面融解する際に，形状が異なる2種類の擬似液体層が生成することはこれまでに明らかにしている．しかし，氷結晶のもう1つのファセット面であるプリズム面がどのように表面融解するかについては，まだ全く未知であった．プリズム面は，約-2℃以上の温度ではラフニング転移のためにマクロに丸くなり，高指数面が生成する．そのため，プリズム面を所定の温度に急速に昇温し，プリズム面のマクロな形状変化が起こる前に，表面融解する様子をその場観察した．その結果，-1.0〜-0.5℃の温度領域では液滴状の擬似液体層が生成し，-0.5〜0℃の温度領域では薄層状の擬似液体層が生成することを見出した．すなわち，ベーサル面，プリズム面および高指数面では表面自由エネルギーや安定性が全く異なるにも関わらず，同じ2種類の形状を有する擬似液体層が生成することがわかった．この結果は，2種類の擬似液体層の生成が，氷結晶の表面融解に本質的であることを示す．
ラフニングしつつあるプリズム面上で，液滴状の擬似液体層が合体・融合する様子．　　
成果となる論文・学会発表等 原著論文
1) G. Sazaki， H. Asakawa， K. Nagashima， S. Nakatsubo， Y. Furukawa， "Double spiral steps on Ih ice crystal surfaces grown from water vapor just below the melting point"， Crystal Growth & Design， 14， 2133-2137 (2014).
2) H. Asakawa， G. Sazaki， E. Yokoyama， K. Nagashima， S. Nakatsubo， Y. Furukawa， "Roles of surface/volume diffusion in the growth kinetics of elementary spiral steps on ice basal faces grown from water vapor"， Crystal Growth & Design， 14， 3210-3220 (2014).
3) D. A. Vorontsov， G. Sazaki， S. H. Hyon， K. Matsumura， Y. Furukawa， "Antifreeze effect of carboxylated e-poly-L-lysine on the growth kinetics of ice crystals"， J. Phys. Chem. B， 118， 10240-10249 (2014).

国際会議発表：4件