雪結晶の不安定成長における擬似液体層の効果

本年度は、表面エネルギーの異なる結晶が接し、結晶の表面での表面エネルギーが変化する場合、その表面での擬似液体層の形がどのようなものになるのか、その過飽和度依存性を調べた。前々年度に、結晶の角に残った擬似液体が、乾いた結晶面と接する所で作る接触角度について研究したが、これには次のような問題があった。接触角は、擬似液体側の気体液体界面の張力Flvと固体液体界面の張力Fslと、乾いた結晶側の気体固体界面の張力Fsvとがつりあうところで決まる。しかし、氷結晶の場合には、すべての結晶面において、Flv+Fsl<Fsvの関係式が成り立っているので、接触角度は作れない。では、擬似液体のある面と乾いた面の境界ではどのような釣り合いが成り立っているのか?もしくは釣り合いは破れているのか?これに対する答えは、次のようなものになることを私は見つけた。擬似液体層は固体気体の平衡状態で、安定にある厚さをもって存在する。そして、その安定な厚みよりも厚い時には、それを維持するのに必要な気体の蒸気圧は平衡よりも高くなり、薄い時には逆に低くなる。一方、もし擬似液体の表面が正の曲率、つまりでっぱりを持っていると、その表面を維持する蒸気圧は平衡より高くなり、逆に負の曲率、つまりひっこみを持っていると蒸気圧は低くなる。このことから、乾いた面側に擬似液体があれば、蒸気圧は平衡より高くなるが、負曲率の表面を持つことによって高くなった蒸気圧を下げ、平衡を保つことがわかる。反対に、擬似液体のある側では、厚みを薄くして蒸気圧が下がった分、正曲率を表面に持つことによって平衡を保つ。この条件を満たす擬似液体の形は、二つの結晶面の境を中心とするtanh(x)型の関数で表されることがわかった。これにより、蒸気圧(過飽和度)が高くなると、キンクにより近づいていくこと、また、境での擬似液体傾きが、前々年度に研究した接触角度にあたるものとなることなどを得た。この結果は、今後擬似液体の非平衡状態の運動を記述する手がかりになると思われる。

本年度は、表面エネルギーの異なる結晶が接し、結晶の表面での表面エネルギーが変化する場合、その表面での擬似液体層の形がどのようなものになるのか、その過飽和度依存性を調べた。前々年度に、結晶の角に残った擬似液体が、乾いた結晶面と接する所で作る接触角度について研究したが、これには次のような問題があった。接触角は、擬似液体側の気体液体界面の張力Flvと固体液体界面の張力Fslと、乾いた結晶側の気体固体界面の張力Fsvとがつりあうところで決まる。しかし、氷結晶の場合には、すべての結晶面において、Flv+Fsl<Fsvの関係式が成り立っているので、接触角度は作れない。では、擬似液体のある面と乾いた面の境界ではどのような釣り合いが成り立っているのか?もしくは釣り合いは破れているのか?これに対する答えは、次のようなものになることを私は見つけた。擬似液体層は固体気体の平衡状態で、安定にある厚さをもって存在する。そして、その安定な厚みよりも厚い時には、それを維持するのに必要な気体の蒸気圧は平衡よりも高くなり、薄い時には逆に低くなる。一方、もし擬似液体の表面が正の曲率、つまりでっぱりを持っていると、その表面を維持する蒸気圧は平衡より高くなり、逆に負の曲率、つまりひっこみを持っていると蒸気圧は低くなる。このことから、乾いた面側に擬似液体があれば、蒸気圧は平衡より高くなるが、負曲率の表面を持つことによって高くなった蒸気圧を下げ、平衡を保つことがわかる。反対に、擬似液体のある側では、厚みを薄くして蒸気圧が下がった分、正曲率を表面に持つことによって平衡を保つ。この条件を満たす擬似液体の形は、二つの結晶面の境を中心とするtanh(x)型の関数で表されることがわかった。これにより、蒸気圧(過飽和度)が高くなると、キンクにより近づいていくこと、また、境での擬似液体傾きが、前々年度に研究した接触角度にあたるものとなることなどを得た。この結果は、今後擬似液体の非平衡状態の運動を記述する手がかりになると思われる。