氷薄膜の昇華機構と微視的・巨視的構造の相関解明

阐明薄冰膜的升华机制与微观和宏观结构之间的相关性

基本信息

批准号：
17J08362
负责人：
加藤史明
金额：
$ 1.79万
依托单位：
Kyoto University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2017
资助国家：
日本
起止时间：
2017-04-26 至 2020-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

氷の昇華は、微視的には氷表面水分子の脱離現象という極めて基本的な過程であるが、その機構に対する分子論的な理解は得られていない。こうした状況を鑑み、H30年度までの成果として、同位体混合氷の昇華に着目する独創的なアプローチで、昇華過程に対する周囲分子の効果を世界に先駆けて明らかにすると同時に、液体水や氷といった水分子凝集体で顕在化する二種の核の量子効果の競合を実験的に初めて見出してきた。また、柔らかな分子性固体である氷の昇華機構をより詳細に理解するには、その反応場である氷表面の動的な振る舞いを明らかにする事も重要である。そこで、令和元年度はH30年度に引き続き「水分子間のプロトン移動」に着目し、昇華が起こる温度領域での氷表面・内部のプロトンの運動性の違いを精査した。水分子間のH/D交換反応(H2O+D2O⇔2HDO)はプロトンダイナミクスを調べる良い手段となる。本研究では、Pt(111)基板上に同位体積層D2O/H2O氷薄膜を結晶成長させ、表面敏感な等温脱離法とバルク敏感な赤外反射吸収分光法の同時計測を行い、同氷表面・内部におけるH/D交換反応を同時観測した。一連の実験結果をH/D交換・自己拡散・脱離の全過程を考慮した速度論モデルに基づき解析した結果、氷最表面層でのH/D交換速度定数は氷内部層に比べ最低3桁以上高い事が初めて定量的に明らかとなった。氷表面のプロトン移動度は、氷内部に比べ数桁高い事が理論的に示されている。よって本結果は、自己プロトリシス過程が氷表面で劇的に促進され、プロトンの低移動度を上回る高濃度が氷表面で実現する事を意味している。これは氷表面の柔らかで動的な低配位水素結合構造の観点で説明される。これらの成果は、氷昇華の反応場である氷表面自身の理解を推し進めると同時に、極域成層圏や星間空間でのプロトンの関わる氷表面化学反応の理解の重要な礎ともなる知見である。

冰升华是一个非常基本的过程，在显微镜下，消除冰表水分子的现象，但没有其机制的分子理论。鉴于这种情况，由于2018财政年度，我们已经能够发现周围分子对升华过程的影响，其原始方法着重于同位素混合冰的升华，与此同时，我们已经在实验上发现了两种类型的水的量化水的量子效应，因此我们已经发现了世界上第一次量化的水。为了更详细地了解冰的升华机理，这是一种软分子固体，阐明冰表面的动态行为（即反应场）也很重要。因此，在2019年，我们像2018年一样专注于“水分子之间的质子转移”，并仔细检查了质子在表面上和冰内的质量差异。水分子（H2O+D2O⇔2HDO）之间的H/D交换反应是研究质子动力学的好方法。在这项研究中，同位素堆叠的D2O/H2O冰薄膜在PT（111）底物上生长，并使用表面敏感的等温解吸收和体积敏感的红外反射光谱进行同时进行测量，并在同一冰上进行H/D交换反应。基于动力学模型分析了一系列实验的结果，该模型考虑了H/D交换，自扩散和解吸过程的整个过程，并首次揭示了冰层表面层的H/D汇率常数至少比冰内层高的三个数量级。从理论上讲，冰面上的质子迁移率比冰内的质子迁移率高几个数量级。因此，该结果表明在冰面上大幅度加速了自我渗透过程，高浓度超过质子的低迁移率在冰表面上实现。这是用冰表面上的柔软，动态，低调氢键结构来解释的。这些结果促进了对冰表面本身的理解，冰层升华的反应场，也是理解极地平流层和星际空间涉及的冰表面化学反应的重要基础。

项目成果

期刊论文数量（0）

专著数量（0）

科研奖励数量（0）

会议论文数量（0）

专利数量（0）

同位体混合氷の昇華における二種の競合同位体効果

混合同位素冰升华的两种竞争同位素效应

DOI：
发表时间：
2017
期刊：
影响因子：
0
作者：
T. Sugimoto;Y.Kunisada and K. Fukutani;杉本敏樹;杉本敏樹;杉本敏樹;杉本敏樹;大槻友志，杉本敏樹，相賀則宏，渡邊一也，松本吉泰;石山達也，大槻友志，杉本敏樹，森田明弘，渡邉一也，松本吉泰;加藤史明，原田国明，杉本敏樹，渡邊一也，松本吉泰
通讯作者：
加藤史明，原田国明，杉本敏樹，渡邊一也，松本吉泰

Unveiling two deuteration effects on hydrogen-bond breaking process of water isotopomers