微小重力環境下での結晶成長過程における不純物効果の理論的解明

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不純物の存在によって結晶の成長が大きく影響を受けることは古くから知られていた。不純物の含有量がわずかであっても結晶成長に大きく影響することがあるため，結晶成長を考える際には不純物の影響を無視することはできない。近年，結晶成長における不純物効果の解明を目指し，国際宇宙ステーション（ISS）に搭載された日本実験棟「きぼう」においていくつかの結晶成長その場観察実験が実施された。微小重力環境にて実施されたこれらの実験は，結晶成長における未知の現象の存在を示唆した。しかし，ISSで得られた実験結果は，理論的に十分説明されているとは言えない。本研究では，ISSで得られた実験結果を数値計算によって再現することを通して，結晶成長における不純物効果の理解を深め,その成果を結晶成長学に還元し，結晶成長が関与する諸分野の発展に貢献することを目的としている。ISSで実施された実験プロジェクトに，過冷却水からの氷結晶成長その場観察実験Ice Crystal 2プロジェクト（IC2）がある。IC2では，氷結晶の成長に対する不凍糖タンパク質（AFGP）の影響を調べるため，AFGPを含む過冷却水を用いた。ISSの微小重力環境下で成長する氷結晶ベーサル面の成長速度をその場測定した結果，結晶成長セルの温度を一定に制御していたにも関わらず，成長速度が自発的に振動するという未知の現象（自発的振動成長）が発見された。自発的振動成長自体は，他の結晶と不純物の組み合わせを用いた地上実験でも確認されていたが，IC2で確認された振動現象は成長速度の「促進」を伴うという点で特異的な現象である。AFGPが氷結晶の成長に及ぼす作用を理論的に解明することは、水が凍る現象に関連するさまざまな分野への応用を検討する上で重要である。