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

微重力环境下晶体生长过程中杂质效应的理论阐明

基本信息

批准号：
20K05347
负责人：
三浦均
金额：
$ 2.83万
依托单位：
Nagoya City University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
财政年份：
2020
资助国家：
日本
起止时间：
2020-04-01 至 2024-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

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。

早就知道，杂质的存在极大地影响了晶体的生长。即使是少量杂质也可能对晶体生长产生重大影响，因此，在考虑晶体生长时，杂质的影响不可忽视。近年来，在国际空间站（ISS）上安装的日本实验大楼“ kibo”中进行了一些原位观察实验，以阐明杂质在晶体生长中的影响。在微重力环境中进行的这些实验表明，晶体生长中存在未知现象。但是，从理论上说，用ISS获得的实验结果不能说是充分解释的。这项研究旨在通过重现通过数值计算获得ISS获得的实验结果，并将结果降低到晶体生长科学，从而加深我们对晶体生长中杂质影响的理解，从而将结果降低，从而有助于涉及晶体生长的各种领域的发展。 ISS进行的实验项目是冰晶2项目（IC2），这是一种原位观察实验，可从超冷水生长冰晶。在IC2中，使用含有AFGP的超冷水来研究抗冻糖蛋白（AFGP）对冰晶体生长的影响。原位测量了在IS的微重力环境下生长的冰晶基底表面的生长速率，尽管晶体生长细胞的恒定温度，但未知现象（自发的振动生长）在该现象中自发振动。使用其他晶体和杂质的组合在地面实验中证实了自发的振动生长本身，但是IC2证实的振动现象是一种特定现象，因为它涉及“促进”生长速率。从理论上讲，阐明AFGP对冰晶体生长的影响对于检查其在与水冷冻现象有关的各种领域的应用中很重要。