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。

人们早就知道晶体生长很大程度上受杂质的影响。即使少量的杂质也会对晶体生长产生很大的影响，因此在考虑晶体生长时不能忽视杂质的影响。近年来，国际空间站（ISS）上的日本实验舱“希望”号上进行了多次原位晶体生长观测实验，旨在阐明杂质对晶体生长的影响。这些在微重力环境下进行的实验表明晶体生长中存在未知现象。然而，在国际空间站上获得的实验结果并不能说在理论上得到了充分的解释。在本研究中，我们将通过数值计算重现国际空间站上获得的实验结果，加深对杂质对晶体生长影响的理解，并将结果应用于晶体生长科学，为与晶体相关的各个领域的发展做出贡献目的是贡献。在国际空间站上进行的一个实验项目是冰晶2号项目（IC2），这是一项过冷水冰晶生长的原位观测实验。在IC2中，使用含有AFGP的过冷水来研究抗冻糖蛋白（AFGP）对冰晶生长的影响。对国际空间站微重力环境中生长的基底冰晶生长速率的现场测量表明，尽管晶体生长池的温度被控制恒定，但生长速率仍存在自发振荡现象（自发振荡生长）。自发振荡生长本身已在使用其他晶体和杂质组合的地面实验中得到证实，但在 IC2 中观察到的振荡现象是一种独特的现象，因为它涉及生长速率的“加速”。 AFGP 对冰晶生长影响的理论阐明对于考虑在与水结冰现象相关的各个领域的应用非常重要。

项目成果

期刊论文数量（20）

专著数量（0）

科研奖励数量（0）

会议论文数量（0）

专利数量（0）

Analytic solution of partition coefficient of impurities in a growing crystal based on the Burton-Cabrera-Frank model

基于Burton-Cabrera-Frank模型的生长晶体中杂质分配系数的解析解

DOI：
发表时间：
2020
期刊：
影响因子：
0
作者：
Eunmi Chae;Eiji Kambe;Kentaro Motohara;Hideyuki Izumiura;Mamoru Doi;and Kosuke Yoshioka;Hitoshi Miura
通讯作者：
Hitoshi Miura

成長する結晶への不純物取り込みに関する新しい理論モデル

生长晶体中杂质掺入的新理论模型

DOI：
发表时间：
2020
期刊：
影响因子：
0
作者：
三浦均
通讯作者：
三浦均

微小重力環境において，なぜ氷結晶の成長速度は周期的に振動するのか？

为什么微重力环境下冰晶的生长速率会周期性振荡？

DOI：
发表时间：
2022
期刊：
影响因子：
0
作者：
元島順;鈴木奈央子;横山崇;三浦均，古川義純
通讯作者：
三浦均，古川義純

Spontaneous oscillatory growth of ice crystals in supercooled water under a microgravity environment: Theoretical hypothesis on the effect of antifreeze glycoprotein

微重力环境下过冷水中冰晶的自发振荡生长：抗冻糖蛋白作用的理论假设

DOI：
10.1016/j.jcrysgro.2022.127044
发表时间：
2023
期刊：
Journal of Crystal Growth
影响因子：
1.8
作者：
Miura Hitoshi;Furukawa Yoshinori
通讯作者：
Furukawa Yoshinori

結晶表面に吸着した不純物による成長促進機構に関する理論的検討

晶体表面吸附杂质促进生长机理的理论研究

DOI：
发表时间：
2022
期刊：
影响因子：
0
作者：
Taro Yakabe;Gaku Imamura;Genki Yoshikawa;Naoya Miyauchi;Masahiro Kitajima & Akiko N. Itakura;Takashi Koida and Junichi Nomoto;Yuichi Yamazaki;大木下潤，小川裕貴，吉永賢，野見山輝明，堀江雄二;三浦均，古川義純
通讯作者：
三浦均，古川義純