共同研究報告書
| 研究区分 | 開拓型研究 |
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研究課題 |
水/氷界面に生成する同素不混和水の構造多様性の解明 |
| 新規・継続の別 | 開拓型（2年目/全3年） |
| 研究代表者／所属 | 東北大多元研 |
| 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 |
灘浩樹 | 鳥取大学学術研究院工学系部門 | 教授 |
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2 |
羽馬哲也 | 東京大学先進科学研究機構 | 准教授 |
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3 |
木村勇気 | 北大低温研 | |
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4 |
山崎智也 | 北大低温研 | |
| 研究目的 | 水からの氷の形成過程の解明は、寒冷圏及び低温下における地球惑星科学および環境科学的現象に関する学理において極めて重要な課題である。これまでに代表者は、高圧環境下で水から生成する氷の界面において水から巨視的に分離する未知の水が生成することを光学顕微鏡その場観察により発見し、この未知の水を同素不混和水と命名した。また、様々な氷多形と水の界面で同素不混和水を確認し、その構造多様性を示唆してきた。本研究では、アンビルを適切に微細加工することで、局所的な分光や電場印可実験により同素不混和水の構造ならびに液晶性を確かめることを目的としている。 |
| 研究内容・成果 | 同素不混和水はアンビル型高圧発生装置の試料室という閉鎖された微小な空間内の水と各種氷多形の界面において数μmの厚さで局所的かつ過渡的に形成する。同素不混和水の構造や物性を測定するためには、このような局所領域をリアルタイムで計測する手法の開発が必要不可欠である。本年度は、同素不混和水の屈折率測定に向け、アンビル型高圧発生装置内の局所領域の屈折率をリアルタイムで測定可能なメタ光学的計測手法を開発し、国際誌The Journal of Physical Chemistry Cに発表した。一般的に、アンビル型高圧セル内の精密な屈折率測定には干渉計やブリルアン散乱に基づく手法が用いられるが、これらの手法は、試料室内の平均化された屈折率の測定であることや難解な補正の必要性など、局所領域屈折率のリアルタイム測定には向かないという、同素不混和水の屈折率測定上の問題がある。そこで、本研究では、近年、メタフォトニクスの分野で注目を集めている、高屈折率誘電体表面に作製されたナノ陥没空孔構内の光共鳴であるMie空孔共鳴に着目した。Mie空孔共鳴では、特定の波長で反射率が大きくなるため、その空孔は強く色づき、その共鳴波長は周辺媒質の屈折率により鋭敏に変化することが知られている。そのため、Mie空孔共鳴は空孔内微小量媒質の屈折率センサとして応用できることが実証されている。このセンサを同素不混和水へ適用することを目的として、本研究では、集束イオンビームにより炭化ケイ素(SiC)アンビル表面に作製したMie空孔共鳴体の共鳴波長の変化をハイパースペクトルカメラにより検出することで、高圧下での局所領域の屈折率を簡便かつ高感度に測定する手法を開発した（図1）（論文・学会発表欄参照）。掲載論文のプレスリリースを行い、日本経済新聞など主要なメディアに取り上げられるに至った（メディア掲載欄参照）。このように、共同研究成果を社会へ広く発信することができた。今後、この手法を用いて同素不混和水の屈折率の決定に取り組む。また、形成した空孔内に金属ナノ粒子を蒸着し、表面増強ラマン分光を行うことで、同素不混和水の構造に関する知見を得る予定である。また、本研究を通じて、アンビルへの微細加工に基づいた今後の研究に具体的な指針を得ることができた。未公表の成果として加えて、氷Vと水の界面において、液晶に広くみられるものと類似した、分岐を伴う流動的かつ異方的なうねり(undulation)形態の発展が同素不混和水に観察されており（図2）、また、氷IIIと水の界面においてもこれまで報告してきたものとは異なるらせん形状を過渡的に示す流動的な形態が観察されることが明らかとなった（図3）。これらの形態やそのダイナミクス、電場印加に対する応答を詳細に調査することで、同素不混和水の液晶性を検証するだけでなく、ネマティック・スメクティック・コレステリックなど、液晶の種類についての示唆が得られる可能性がある。 |
| 成果となる論文・学会発表等 |
○論文 H. Niinomi*， H. Nada， T. Hama， K. Gotoh， Y. Kodama， T. Oshikiri， M. Nakagawa， Y. Kimura， “Mie Voids for High-Pressure Refractive Index Sensing”， J. Phys. Chem. C 129(46)， 20676-20683. 2025 〇学会発表 1.【国際会議招待講演】Homoimmiscible water and its structural diversity: density， liquid crystalinity and chirality， Hiromasa Niinomi， Hiroshima University's WPI-SKCM2 2025 spring symposium 2025年3月5日 2.【国際会議招待講演】Dynamics of homoimmiscible water at the interface between water and ice， Hiromasa Niinomi， Hiroki Nada， Tomoya Yamazaki， Tetsuya Hama， Tomoya Oshikiri， Masaru Nakagawa， Yuki Kimura， The 21st International Conference on Crystal Growth and Epitaxy (ICCGE-21) 2025年8月5日 他8件 〇プレスリリースメディア掲載 ・日本経済新聞電子版 “東北大・北大など、誘電体メタ表面を用いた新規高圧物性計測技術を開発”2025年 11月10日 他3件 〇受賞 2025年11月，日本結晶成長学会第42回論文賞， 新家寛正 |