氷結晶の表面、下地との界面及び粒界面における擬似液体層の微視的構造の研究

冰晶表面、与基体界面、晶粒界面拟液层微观结构研究

• 批准号: 04227203
• 负责人: 古川 義純
• 金额: $ 1.28万
• 依托单位: Hokkaido University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Scientific Research on Priority Areas
• 财政年份: 1992
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 1992 至 无数据
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-04227203/
• 关键词: 分子動力学法; 氷結晶; 表面融解; 擬似液体層; 自己拡散係数; 形態形成; 界面張力; 界面カイネティック係数

1.氷結晶表面の構造の分子動力学法によるシミュレーションを行った。水分子のモデルとして、TIP4Pを用い、分子数564個で氷結晶構造を構成し、{0001}表面と{1010}表面の双方について計算を行った。その結果、両表面とも融点近傍において擬似液体層が再現され、その動的性質の解析が可能になった。まず、擬似液体層の厚みは、-5℃以下では{1010}面の方が{0001}面上より大きいが、-5℃以上ではこの関係が逆転した。これは、偏光解析による測定結果と定性的であるが一致している。また、擬似液体層内での水分子の自己拡散係数が求められ、表面最外層では水中での自己拡散係数に近いが、2層目、3層目になる程、この係数は急激に小さくなることが示された。これは、擬似液体層の内部は、一様な構造ではなく、連続的にその性質が変化していることを示唆する。2.氷の表面・界面での擬似液体層内の水分子の自己拡散係数をNMRにより測定した。測定した系は、グラファイト叉はベントナント粉末と氷との混合物である。その結果、自己拡散係数は、10^<-9>〜10^<-10>cm^2/secのオーダーであることが見い出された。この値は、水の自己拡散係数より4桁程小さく、上記1のシミュレーションの結果とも大きく異なる。これは、測定では擬似液体層内のすべての水分子に対する拡散係数の平均を求めていることになるため、水の値より極めて小さくなるものと考えられる。3.氷結晶の形態形成実験も実行した。形態形成機構が、界面張力と界面カイネティク係数の三次元的な異方性を考慮することで合理的に説明できることが示された。4.ごへい形と呼ばれる雪結晶の形態形成の計算機シミュレーションを行い、拡散場のゆらぎと形態変化との関連が議論された。

1. Youdaoplaceholder0 crystal surface <s:1> structure <e:1> molecular dynamic method によるシ ュレ ュレ ショ ショ を を った った った Water molecules の モ デ ル と し て, TIP4P を in い, molecular number 564 で 氷 crystal structure を し, {0001} surface と {1010} surface の both に つ い て count を っ た. そ の results, struck surface と も melting point nearly alongside に お い て quasi liquid layer が reappearance さ れ, そ の dynamic nature of the analytical が の may に な っ た. ま ず, quasi liquid layer thick の み は, below 5 ℃ で は {1010} plane の party が {0001} plane よ り big き い が, - 5 ℃ above で は こ の masato is が inverse planning し た. The であるが consistency of the と qualitative determination results of る れ れ れ and polarized light analysis による is <s:1> て る る る る る. ま た, quasi liquid layer で の の water molecules themselves company, dispersion coefficient が o め ら れ, surface the outermost で は water で の his company, dispersion coefficient に nearly い が, 2 eyes, 3 layer mesh に な る cheng, こ の coefficient は nasty shock に small さ く な る こ と が shown さ れ た. こ れ は, quasi liquid layer の internal は, a others な tectonic で は な く, even 続 に そ の nature が variations change し て い る こ と を in stopping す る. 2. Youdaoplaceholder0 <s:1> surface · interface で <s:1> self-dispersion coefficient of <s:1> water molecules <e:1> in a simulated liquid layer をNMRによ determination of <s:1> た た. To determine that the た た is a と氷と, グラファ ト ト cross ベ ベ トナ トナ ト ト powder と氷と <s:1> mixture である. そ の results, their company, dispersion coefficient は, 10 ^ < - > 9 ~ 10 ^ < - > 10 cm ^ 2 / SEC の オ ー ダ ー で あ る こ と が see い out さ れ た. こ の numerical は, water の his company, dispersion coefficient よ り 4 small girder cheng さ く, 1 の is written シ ミ ュ レ ー シ ョ ン の results と も big き く different な る. こ れ は, determining で は quasi liquid layer の す べ て の water molecules に す seaborne る の company, dispersion coefficient average を o め て い る こ と に な る た め, water の numerical よ り extremely め て small さ く な る も の と exam え ら れ る. 3. The formation of the 氷 crystalline <s:1> morphology was experimentally carried out by た. Morphogenetic が, interfacial tension と interface カ イ ネ テ ィ の ク coefficient of three dimensional な square difference を consider す る こ と で reasonable に illustrates で き る こ と が shown さ れ た. 4. ご へ い form と shout ば れ る snow crystal の morphogenetic の computer シ ミ ュ レ ー シ ョ ン を い, company dismissal の ゆ ら ぎ と morphology variations と の masato even talk が さ れ た.

项目成果

Yoshinori Furukawa,Wataru Shimada: "Experimental study of the pattern formation of ice crystal grown in supercooled water" Pattern Formation in Complex Dissipative Systems ed.s.Kai(World Scientific Press). 14-22 (1992)

Yoshinori Furukawa、Wataru Shimada：“过冷水中生长的冰晶图案形成的实验研究”复杂耗散系统中的图案形成 ed.s.Kai（世界科学出版社）。

Yoshinori Furukawa,Ikuo Ishikawa: "Direct evidence for melting transition at ionterface between ice and glass substrate" Journal of Crystal Growth. (1992)

Yoshinori Furukawa、Ikuo Ishikawa：“冰和玻璃基板之间离子界面熔化转变的直接证据”晶体生长杂志。

Yoshinori Furukawa,Wataru Shimada: "Three-dimensional pattern formation during growth of ice dendrite-its relation to universal law of dendritic growth" Journal of Crystal Growth. (1992)

Yoshinori Furukawa、Wataru Shimada：“冰枝晶生长过程中的三维图案形成 - 其与枝晶生长普遍规律的关系”《晶体生长杂志》。

Yoshinori Furukawa,Wataru Shumada: "Morphology of the ice crystal grown in supercooled water" Phisics and Chemistry of Ice ed N.Maeno and T.Hondoh(Hokkaido Univ.Press). 299-304 (1992)

Yoshinori Furukawa、Wataru Shumada：“过冷水中生长的冰晶的形态”《冰的物理与化学》ed N.Maeno 和 T.Hondoh（北海道大学出版社）。

Akira Goto,Kazuhiro Akiya,Takeo Hondoh,Yoshinori Furukawa,Takayoshi Shimura,Isao Takahashi,Jimpei Harada: "Characterization of the (0001) surface of ice Ih crystal by the crystal truncation rod scattering with the use of a synchrotron radiation" Journal o

Akira Goto、Kazuhiro Akiya、Takeo Hondoh、Yoshinori Furukawa、Takayoshi Shimura、Isao Takahashi、Jimpei Harada：“使用同步辐射通过晶体截断杆散射来表征冰 Ih 晶体的 (0001) 表面”期刊