A new type of chemical reaction within icy grains

冰颗粒内的新型化学反应

• 批准号: 21H01139
• 负责人: 柘植 雅士
• 金额: $ 11.56万
• 依托单位: Hokkaido University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• 财政年份: 2021
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2021-04-01 至 2024-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-21H01139/
• 关键词: 水素原子拡散; 分子進化; 氷星間塵; 星間分子雲; 水素原子反応; PAH

星間分子雲は星の誕生する領域であり、そこで起きる化学進化過程（原子や単純な分子から複雑な分子が生成する過程）はその後に誕生する惑星系の始原物質条件を決める重要な過程である。星間分子雲中の10 K程度の極低温条件下では、主に水分子からなる氷で覆われた直径100 nm程度のサイズの氷星間塵が存在し、その表面上での化学反応が分子進化の鍵となるとして、多くの理論的・実験的研究がなされてきた。水素原子は10 Kという極低温の条件でも氷表面上を自由に拡散するため、水素原子が関わる反応（例えば、水素分子生成やメタノール生成）の重要性が認識され、一般的な理論モデルに組み込まれている。吸着確率の低下、及び、氷表面での滞在時間が減少することから、20 Kを超える温度領域では水素原子が関わる表面反応は不活性となると考えられてきた。研究代表者らは～100 K程度の中温域においても、星間塵表面に降着する水素原子は氷内部に侵入・拡散し、氷内部に存在する原子・分子種と反応しうることを見いだした。本研究では、定量的実験を通じて、氷内部の反応がどのような化合物を生成しうるか、その反応経路を明らかにするとともに、水素原子の侵入・拡散の氷の構造依存性を明らかにすることを目的としている。2022年度には以下の実験結果をThe Astrophysical Journal誌に報告した：芳香族化合物（ベンゼン・ナフタレン）と水分子の混合氷サンプルの作製時の基板温度をコントロールすることで、高ポロシティ及び低ポロシティのサンプルを作製した。それぞれのサンプルに対して水素原子照射実験を行い、反応生成物の収量とサンプルの厚みの相関を調べた。その結果、高ポロシティサンプルでは>50分子層（1分子層～0.3 nm）、低ポロシティサンプルでは～10分子層まで水素原子が侵入することが明らかとなった。

星际分子云是恒星诞生的区域，并且在那里发生的化学进化过程（从原子和简单分子产生复杂分子的过程）是确定行星系统原始条件的重要过程，该过程将随后出现。在星际分子云中的极度冷条件下，已经进行了冰状尘埃，直径约为100 nm，主要由水分子组成，覆盖有冰，并进行了许多理论和实验研究，声称化学反应在表面上是分子进化的关键。即使在极低的温度条件下，氢原子即使在10 K的极低温度条件下也可以自由扩散，并且已经识别出涉及氢原子的反应的重要性（例如，氢分子产生和甲醇产生）已被识别，并将其纳入一般的理论模型中。由于吸附概率的降低和停留在冰面上的持续时间，人们认为，涉及氢原子的表面反应在超过20 K的温度范围内会变得不活跃。研究人员发现，即使在大约100 k的中等温度范围内，大约100 k的氢气，氢原子也会在冰中散布在冰中，并散布在冰中，使它们在冰中散发出反应，并在冰中散布着冰，并且可以使它们在冰上散布，并且可以在冰上散布。这项研究旨在通过定量实验阐明冰内反应的反应途径，并阐明冰对氢原子的侵袭和扩散的结构依赖性。在2022年，在天体物理学杂志上报道了以下实验结果：在制备芳香族化合物（苯萘苯甲甲苯甲酰）和水分子的混合冰样过程中，通过控制底物温度来制备高孔隙率样品。对每个样品进行了氢原子辐照实验，以研究反应产物的产量与样品厚度之间的相关性。结果，发现在高孔隙率样品中，氢原子穿透> 50个分子层（1个分子层至0.3 nm），在低孔隙率样品中渗透到高达10个分子层，多达10个分子层。

项目成果

Experimental studies on the behavior of hydrogen on bare grain surfaces

氢在裸露颗粒表面行为的实验研究

• 发表时间: 2021
• 作者: Shidare Masashi;Nakada Ryoichi;Usui Tomohiro;Tobita Minato;Shimizu Kenji;Takahashi Yoshio;Yokoyama Tetsuya;M. Tsuge
• 通讯作者: M. Tsuge

Diffusive hydrogenation of molecules embedded in amorphous solid water

嵌入非晶态固体水中的分子的扩散氢化

• 发表时间: 2022
• 作者: 佐野栄俊;吉池智史;山根悠望子;立原研悟;福井康雄;林克洋;榎谷玲依;徳田一起;G. Rowell;M. Filipovic;中村隆司;Masashi Tsgue
• 通讯作者: Masashi Tsgue

Icy grains are not spherical nor ellipsoidal

冰颗粒既不是球形也不是椭圆形

• 发表时间: 2021
• 作者: M. Tsuge;A. Kouchi;T. Hama;Y. Oba;S. Okuzumi;S.-i. Sirono;M. Momose;N. Nakatani;K. Furuya;T. Shimonishi;T. Yamazaki;H. Hidaka;Y. Kimura;K.-i. Murata;S. Tachibana;N. Watanabe
• 通讯作者: N. Watanabe

Penetration of Nonenergetic Hydrogen Atoms into Amorphous Solid Water and their Reaction with Embedded Benzene and Naphthalene

非能氢原子渗入非晶态固体水中及其与嵌入的苯和萘的反应

• DOI: 10.3847/1538-4357/ac752e
• 发表时间: 2022
• 期刊: The Astrophysical Journal
• 作者: Masashi Tsuge; Akira Kouchi; Naoki Watanabe
• 通讯作者: Naoki Watanabe

Transmission Electron Microscopy Study of the Morphology of Ices Composed of H2O, CO2, and CO on Refractory Grains

• DOI: 10.3847/1538-4357/ac0ae6
• 发表时间: 2021-09-01
• 期刊: ASTROPHYSICAL JOURNAL
• 影响因子: 4.9
• 作者: Kouchi, Akira;Tsuge, Masashi;Watanabe, Naoki
• 通讯作者: Watanabe, Naoki