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（3年目/全3年）
研究代表者／所属 物材機構　表面界面構造・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

 佐﨑元 北大低温研 教授

2

 古川義純 北大低温研 特任教授

3

 長島剣 北大低温研 助教

4

 村田憲一郎 北大低温研 助教

研究目的 氷の表面は融点以下の温度でも擬似液体層に覆われている.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，氷結晶底面上では液滴状と層状の2種類の擬似液体層が生成することを見出した.本萌芽研究の実施期間中にはこれまで，2種類の擬似液体層は氷の結晶面によらず生成すること，氷中の歪みが擬似液体層の生成を誘起すること，2種類の擬似液体層はバルク水に比べて極めて流れにくいことを明らかにしている．H27年度にはさらに，なぜ2種類の擬似液体層が存在するのか，および塩酸ガス存在下での擬似液体層の生成について研究に取り組んだ．
塩酸ガス存在下，氷六角底面上に生成する擬似液体層：水蒸気は過飽和(A)，未飽和(B)，B撮影の200秒後(C)．　　
研究内容・成果 H27年度は，主に下記の2点に焦点を絞り，研究を行った．
1）2種類の擬似液体層を「濡れ」の観点から統一的に理解する：これまでは液滴状と層状の2種類の擬似液体層を，それぞれ異なった「相」であると考えて来た．しかし，液滴状および層状の擬似液体層が氷上に存在する状態を，それぞれ「部分濡れ」および「完全濡れ」の状態であると考えると，1つの相を想定するだけで全ての状態を統一的に理解できることを明らかにした．液滴状および層状の擬似液体層が共存する状態は「準部分濡れ」と理解できる．一定の温度下では，水蒸気圧がある臨界値を超えると，水蒸気圧の増加とともに，部分濡れ，準部分濡れ，完全濡れの状態が出現するが，この変化に伴って液滴状擬似液体層の濡れ角が徐々に小さくなることを明らかにした．この結果は，擬似液体層を濡れによって統一的に理解しようとする試みが定性的には正しいことを示す．また，液滴状の擬似液体層が層状の擬似液体層に変化する過程を直接観察することで，層状の擬似液体層の厚みが約9nmであることを明らかにした．この値は，これまでにリフシッツ理論を用いて予測された値（約3nm：Elbaum， Phys. Rev. Lett.， 66， 1713-1716 (1991)）とおおよそ一致した．
　また，研究代表者の鈴木が2016年1月21-22日に低温科学研究所を訪問し，擬似液体層の濡れの観点からの理解について議論した．そして，この理解がおおよそ正しいとの結論に達した．
2）塩酸ガス存在下の氷表面上での擬似液体層の生成：極地の氷雲中では，氷表面上の擬似液体層が様々な化学反応を顕著に促進させることがよく知られている．そのため，大気中のガス種が氷表面に吸着し擬似液体層が生成する過程は，これまで活発に研究されて来た．しかしこれまでの研究は，位置分解能が低い分光法によって行われて来たため，氷表面での擬似液体層の振る舞いは明らかではなかった．そこで我々は，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，オゾン層破壊の鍵となる塩酸ガス（モデル大気ガス）が存在するもとで，氷表面上で擬似液体層が生成する過程を直接可視化することに取り組んだ．その結果，-15.0〜-1.5℃という，塩酸ガスが存在しない条件下では擬似液体層が決して現れない温度領域でも，液滴状の擬似液体層が生成することを見出した．この結果より，氷表面に吸着した塩酸ガスが恐らく氷結晶の表面構造を変化させ，氷表面を融かしたものと考えられる．また，未飽和水蒸気圧下では，液滴状の擬似液体層が活発に動き回り，変形する様子が観察された．未飽和水蒸気下で，1時間以上の長時間にわたって液滴状の擬似液体層が安定に存在することより，液滴状の擬似液体層は熱力学的に安定な塩酸水溶液であると考えられる．
塩酸ガス存在下，氷六角底面上に生成する擬似液体層：水蒸気は過飽和(A)，未飽和(B)，B撮影の200秒後(C)．　　
成果となる論文・学会発表等 原著論文
1) H. Asakawa， G. Sazaki， K. Nagashima， S. Nakatsubo， Y. Furukawa， "Prism and other high-index faces of ice crystals exhibit two types of quasi-liquid layers"， Cryst. Growth Des.， 15， 3339-3344 (2015).

2) K. Murata， H. Asakawa， K. Nagashima， Y. Furukawa， G. Sazaki， "In-situ determination of surface tension-to-shear viscosity ratio for quasi-ilquid layers on ice crystal surfaces"， Phys. Rev. Lett.， 115， 256103-1-5 (2015).

3) H. Asakawa， G. Sazaki， K. Nagashima， S. Nakatsubo， Y. Furukawa， "Two types of quasi-liquid layers on ice crystals are formed kineticcally"， Proc. Nat. Acad. Sci. USA.， 113， 1749-1753 (2016).

4) K. Nagashima， G. Sazaki， T. Hama， H. Asakawa， K. Murata， Y. Furukawa， "Direct Visualization of Quasi-Liquid Layers on Ice Crystal Surfaces Induced by Hydrogen Chloride Gas"， Cryst. Growth Des.， ウェブ上では既に公開(DOI: 10.1021/acs.cgd.6b00044).
国際会議発表：招待講演2件