共同研究報告書


研究区分 萌芽研究

研究課題

 氷および関連物質の核生成実験から探る低温ナノ粒子の特異性の解明
新規・継続の別 萌芽（1年目/全3年）
研究代表者／所属 北大低温研
研究代表者／職名 准教授
研究代表者／氏名 木村勇気

研究分担者／氏名／所属／職名
　
氏　　名
所　　属
職　　名

1

 稲富裕光 宇宙航空研究開発機構　宇宙科学研究所 教授

2

 荒木優希 神戸大学大学院理学研究科 博士研究員

3

 灘浩樹 産業技術総合研究所 主任研究員

4

 杉本敏樹 京都大学大学院理学研究科 助教

5

 河野明男 海洋研究開発機構 技術研究員

6

 三浦均 名古屋市立大学 准教授

7

 田中秀和 北大低温研

8

 日高宏 北大低温研

9

 長嶋剣 北大低温研

10

 千貝健 北大低温研

研究目的 代表者は、共同研究推進部で、『低温ナノ物質科学』としての一分野を確立すべく低温ナノ粒子が示す特異な物性や新規現象を明らかにする研究をスタートさせた。本研究では、その第一歩として、低温ナノ粒子の生成法およびTEMによる観察手法を確立し、低温ナノ粒子の物理定数や物性値（表面自由エネルギーや付着確率など）を得ることを目的とする。その結果として、「ナノ雪」特有の性質や46億年前の原始太陽系星雲中に存在していた雪の特徴の解明を目指す。
図1．ナノ雪を観察できる透過電子顕微鏡システムの中核を成す特注試料ホルダー　図2．雪の結晶が昇華する過程の干渉像。単位時間あたりの干渉縞の変位から厚み方向の昇華速度が求められる　
研究内容・成果 1962年に日本で生まれた、ガス中蒸発法によるナノ粒子生成法を氷および関連物質に適用することで、宇宙の雪やナノメートルサイズの人工雪（ナノ雪）を実験室で再現できる独自の装置を設計し、発注した。現在、主要部の納品待ちの状況である。本装置は、中谷宇吉郎先生以来の全く異なる発想の雪の再現装置になる。これと並行して、実験室で生成したナノ雪を透過電子顕微鏡（TEM）を用いて観察するために、従来にはなかった独自の試料ホルダーを北野精機（株）と共同で作り（図1）、低温透過電子顕微鏡システムを立ち上げた。試料を130 K程度に保ったまま、雪の再現装置から、TEMまで真空状態を保ったまま搬送できる特徴を有している。これにより、本年度中に本プログラムで目指している、以下の二つの疑問の解決に向けた実験が本格的に始められる体制が整う。

・雪は小さくなるとどのように性質が変化するのか？
・46億年前の原始太陽系星雲中に存在していた雪の特徴は？
　
また、実験室で雪の再現実験をはじめるにあたり、まず天然の雪を知ることが重要であるとの考えから、中谷宇吉郎先生も行った大雪山系での雪の観察実験を、低温研としては18年ぶりに本格的に行った（2月2-5日）。特に、雪が昇華する過程を偏光ハイスピードカメラとレーザー干渉計を組み合わせた装置で動的に観察する実験を新たに行った。その結果、樹枝状に成長した雪の枝方向の昇華速度と厚み方向の昇華速度の同時計測に初めて成功した（図2）。結晶成長の逆過程である昇華の様子を観察することで、雪の生成過程の解明や前述の疑問の解決につなげる。成長と溶解や昇華、蒸発が真に逆過程と言えるかは、今注目され始めている研究でもあり、まさに開拓研究であるといえる。この天然雪の観察実験に関しては、『18年ぶりに大雪山で雪の観察実験を実施』と題してプレス向けにお知らせを発出した結果、NHKや北海道放送局のニュース、北海道新聞や朝日新聞（予定）で取り上げられた。
図1．ナノ雪を観察できる透過電子顕微鏡システムの中核を成す特注試料ホルダー　図2．雪の結晶が昇華する過程の干渉像。単位時間あたりの干渉縞の変位から厚み方向の昇華速度が求められる　
成果となる論文・学会発表等 [1] 木村勇気， 透過電子顕微鏡による“その場”観察実験から探る核生成， 第39回結晶成長討論会， 同志社びわこリトリートセンター、滋賀県大津市， 2015年9月26日.
[2] 木村勇気， 均質核生成実験で探る宇宙ダストの形成過程， 第45回結晶成長国内会議， 北海道大学学術交流会館、北海道札幌市， 2015年10月21日.
[3] Yuki Kimura， Kyoko K. Tanaka， Kouchi Akira， Naoki Watanabe， Shunichi Nakatsubo， Shinnosuke Ishizuka， Yuko Inatomi， Nucleation from a supersaturated vapor， ILTS International Symposium on Low Temperature Science， Institute of Low Temperature Science， Hokkaido University， Sapporo， 2015年12月1日.
[4] Yuki Kimura， Nucleation experiment to understand formation of cosmic dust， Astrophysical Ices in the Lab， IEM-CSIC， Madrid， Spain， 2016年3月7日（予定）.