Discovery of key factors in nucleation processes from aqueous solution by direct TEM observation

通过直接 TEM 观察发现水溶液成核过程的关键因素

• 批准号: 20H00323
• 负责人: 木村 勇気
• 金额: $ 29.04万
• 依托单位: Hokkaido University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Scientific Research (A)
• 财政年份: 2020
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2020-04-01 至 2021-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-20H00323/
• 关键词: 核生成; 結晶成長; 透過型電子顕微鏡; 機械学習; ナノ粒子; その場観察; 結晶化

核生成は物質形成の最初期のプロセスであり、科学から産業に至る様々な分野の鍵となるにもかかわらず、その理解は極めて限定的である。これは、核生成がナノ領域で高速に、かつ確率的におこる現象で実空間観察が非常に困難なためである。本研究では、「安定核の生成までに何が起こっているのか？」、「安定核の生成ルートはどのように決まるのか？」を核心をなす問いに据え、溶液中の核生成に影響する各因子の寄与の程度と物質依存性を明らかにし、核生成ルートを決めるキーファクターに制限を加えることを目的に研究を行った。キーファクターは、核生成理論式に必須の“核と水の界面エネルギー”とカイネティック係数(分子の取り込まれやすさ)、ダイマーの形成、脱水和や粘性、界面近傍のpHやイオン濃度、ナノ粒子特有の物性などである。TEM観察では、結晶の成長速度、形、集合、配列、サイズなどを直接観察でき、加えて電子回折パターンで相同定も同時に行えるため、核生成の理解に対して飛躍的な成果が見込める。そのため、目的の達成には溶液から前駆体を経て結晶ができるまでの核生成過程の一部始終をTEMにより実空間で可視化するのが最も近道であると考えている。本研究課題の間には、TEM観察するうえでボトルネックとなっている、確率的な核生成現象を偶然に頼って観察している状況に対し、機械学習を取り入れることで核生成の時間と場所を予測して能動的に核生成の一部始終をTEM観察するという革新的な手法の構築に取り組んだ。その結果、人間の眼で判断するよりも早く核生成を捉えることに成功した。この研究は基盤研究（S）に発展的内容で引き継がれた。

Nuclear production is the initial stage of material formation, science, industry, and industry. The phenomenon of high speed and high accuracy of nuclear generation is very difficult to detect in space. This study is entitled,"What is the origin of stable nucleus generation?" "Stable nuclear generation, no problem?" The core of the problem, the degree of dependence of each factor, the nuclear production limit, the purpose of the study The theoretical formula of nuclear formation requires the following: "interface between nuclear and water","coefficient of generation"(molecular selection),"formation","dehydration" and "viscosity","pH" concentration near the interface "," particle specific physical properties ". TEM observation of crystal growth rate, shape, aggregation, alignment, distribution, direct observation, addition of electron reflection, simultaneous determination, nuclear generation, understanding of the results of the leap A part of the nuclear generation process is always visualized in TEM space. This research topic is about the construction of a new method for predicting the time and place of nuclear generation and for determining the probability of nuclear generation. The result is that the human eye is able to judge whether the nucleus is generated early or not. The content of this research and development of the base plate research (S) is introduced.

项目成果

低温ガス中蒸発法による氷ナノ粒子の核生成実験に向けて

利用低温气体蒸发法进行冰纳米粒子成核实验

• 发表时间: 2020
• 作者: 木村勇気;香内晃
• 通讯作者: 香内晃

Nucleation processes of cosmic dust by experiments in space

通过太空实验观察宇宙尘埃的成核过程

• 发表时间: 2020
• 作者: 齋藤詳太;林田健志;中村潤児;武安光太郎;木村勇気
• 通讯作者: 木村勇気