共同研究報告書
| 研究区分 | 開拓型研究 |
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研究課題 |
氷のキラル結晶化における不斉発現機構の解明と 不斉源としての可能性の探索 |
| 新規・継続の別 | 開拓型（3年目/全3年） |
| 研究代表者／所属 | 東北大学金属材料研究所 |
| 研究代表者／職名 | 助教 |
| 研究代表者／氏名 | 新家寛正 |
| 研究分担者／氏名／所属／職名 | |||
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氏 名
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所 属
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職 名
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1 |
木村勇気 | 北大低温研 | |
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2 |
長嶋剣 | 北大低温研 | |
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3 |
羽馬哲也 | 北大低温研 | |
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4 |
香内晃 | 北大低温研 | |
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5 |
力石嘉人 | 北大低温研 | |
| 研究目的 | キラリティとは空間反転対称性の欠如であり、キラルな物質には鏡像異性体が存在する。両鏡像異性体の熱力学的等価性に反して見られる生体のホモキラリティの起源は、地球上の物質・生命進化における大きな謎である。アキラルな物質がキラル構造を持つ固体へと結晶化するキラル結晶化は、物質の構造に自発的な対称性の破れが起こるため、ホモキラリティの観点から広く調査されている。ところが、氷は地球・生命にとって関連の深い物質であるにも関わらず、キラル結晶化の観点からの研究は行われていない。本研究では、キラル結晶化を切り口にした氷の物質科学を開拓すべく氷IIIキラル結晶化における掌性発現過程を解明することを目的としている。 |
| 研究内容・成果 | 2019年度までの研究で、低温高圧環境下(-20℃において248–350 MPa)において安定である、結晶構造にキラリティを持つ氷IIIの水からの結晶化過程のその場観察を行い、結果、バルクの水に対し明確な界面を形成する高密度な“未知の水”がμmオーダーの厚みで水-氷界面に生成することを世界で初めて発見した。この発見は、母相である液相がより結晶に近い構造を持つ前駆状態を経由し結晶化するといった描像を示唆しており、この描像は結晶成長の分野で近年精力的に研究されている非古典的結晶成長・核形成過程と類似している。この描像はキラル結晶の前駆状態の存在を示唆しており、本研究の目的である氷のキラル結晶化における掌発現過程の観点から重要な知見である。また、本観察は、氷を構成する水分子の秩序がnmスケールの厚みの遷移層を経て連続的に失われていくとする従来の水―氷界面の描像を覆すだけでなく、水の物性異常を説明する為に提唱された、低温高圧下での水の液―液相分離を仮定する第二臨界点仮説や、一成分系流体の液―液相分離の直接観察の観点からも重要な知見である。本年度はこの“未知の水”の発見を論文としてまとめ投稿し、アメリカ化学会の発行するThe Journal of Physical Chemistry Lettersに論文が掲載されるに至った（論文・学会発表欄参照）。掲載論文のプレスリリースを北海道大学・東北大学・産業技術総合研究所・東京大学の共同で行った。これにより、日本経済新聞・マイナビニュース・大学ジャーナルオンライン・Academist Journal・科学雑誌Newtonサイエンスニュース等様々なメディアに取り上げられるに至り、共同研究成果を社会へ広く発信することができた。 更に本年度の研究では、“未知の水”の物性および生成ダイナミクスを詳細に調査するため、(i)未知の水の抵抗値測定系、また、(ii)圧力定量制御アンビルセルの構築に取り組んだ。(i) 抵抗値測定系の構築では、加圧用アンビルセルのアンビル面に、顕微鏡観察視野の大きさに対応するマイクロ電極を4つフォトリソグラフィにより作成した（図1 A， B， C）。これら4電極を4端子法抵抗値測定のプローブとする抵抗値測定系を作製した。一方、(ii) 圧力定量制御アンビルの開発では、これまでの研究で使用していた高圧セル“SEED”(シンテック株式会社製)（図2 A）の上下アンビル支持台間にピエゾアクチュエータを導入するという改造を施した（図2 B）。この改造により、電圧印可に伴うピエゾ素子の伸張によるSEED本体の加圧の低減、及び、電圧印可停止に伴う素子の収縮による定量的な加圧を実現する“ダイナミックSEED (d-SEED)”の開発を目指した。今後、未知の水の抵抗値測定を明らかにすると共にd-SEEDを用いた未知の水生成ダイナミクスの解明に取り組む（図3）。 |
| 成果となる論文・学会発表等 |
○論文 H. Niinomi， T. Yamazaki， H. Nada， T. Hama， A. Kouchi， J. Okada， J. Nozawa， S. Uda， Y. Kimura， High-density liquid water at a water-ice interface， J. Phys. Chem. Lett. 11(16)， 6779–6784， 2020 ○プレスリリース “水/高圧氷の界面に ″新しい水″を発見！ 水の奇妙な物性の謎に迫る画期的な成果”2020年8月7日 ○一般向け研究コラム 新家寛正， 木村勇気， 灘浩樹， 山崎智也 “水と混ざらない”新しい水”とは？ – 高圧氷/水界面のダイナミックな水の振る舞いを、直接観察する” Academist Journal 2020年10月 https://academist-cf.com/journal/?p=14552 |