中性子回折用超高圧装置の開発と高圧下における水素結合系物質の挙動の解明

开发超高压中子衍射设备并阐明高压下氢键材料的行为

基本信息

批准号：
13J08679
负责人：
飯塚理子
金额：
$ 2.76万
依托单位：
Ehime University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2013
资助国家：
日本
起止时间：
2013-04-01 至 2017-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

地球深部に遍在する水（水素）の存在状態を明らかにすることは、地球内部のダイナミクスや物質循環を理解する上で非常に重要である。本研究では水素を観察できる中性子線を用いることにより、地球深部に相当する高圧条件下において水や水素がどのような振る舞いをするのかを観察し、地球内部物質に対するこれらの影響を明らかにする手がかりを得ることを目的として、高温高圧中性子回折実験用に新たに開発したセルを導入し、研究を遂行した。最終年度（出産育児により一時中断後研究を再開した残り２ヶ月間）は、主に解析と今後に向けた追試実験を行った。水素の振る舞いを直接観察できる中性子回折の手法を用いて鉄－シリケイト－水系の地球形成初期に集積した物質をモデル化した出発試料に対して高温高圧下その場観察を行い、高温高圧下で含水鉱物が脱水してできた水と固体の鉄とが反応して、鉄水素化物が生成する様子をリアルタイムでとらえることに成功した。これにより、鉄と鉄が水素化物となって有意に水を取り込むことが明らかになり、原始地球で始源物質が集積していく初期段階で、水素は鉄へと溶け込み始めていたことが示唆された。この研究結果は学術雑誌に論文として出版され、地球核に取り込まれた軽元素の問題に対して、これまで種々の実験が行われてきた純鉄とケイ酸塩の系だけではなく、水素化した鉄とケイ酸塩間での軽元素の分配を調べていくことの重要性を投げかけた。高圧下での中性子その場観察では、高温高圧が長時間安定に発生でき、かつ、大容量の試料でシグナル強度を稼げることが望ましい。そのためには、本研究で開発・導入した新型6-6セルに対して、高温高圧下での圧力抜け及びアンビルセルからの中性子の吸収を軽減などの課題を克服していく必要がある。今後の展望として、更なるセルの改良によりアセンブリの最適化を図っていくための基礎固めが本研究によってなされたと言える。

阐明地球深处普遍存在的水（氢）的存在状态对于理解地球内部的动力学和物质循环极其重要。在这项研究中，我们将利用可以观测氢的中子束来观察水和氢在相当于地球深处的高压条件下的行为，并为阐明它们对地球内部物质的影响提供线索，以实现这一目标。，我们使用新开发的电池进行高温高压中子衍射实验的研究。最后一年（因生产和育儿暂时中断后重新开始研究后剩下的两个月），我们主要进行了对未来的分析和后续实验。使用可以直接观察氢行为的中子衍射方法，对模拟地球形成早期阶段积累的铁-硅酸盐-水系统的起始样本进行了高温高压下的原位观察。成功地实时捕获了矿物质脱水产生的水与固体铁之间产生氢化铁的反应。这表明铁和铁形成氢化物并大量吸收水，这表明氢在原始地球上原始物质积累的早期就开始溶解到铁中。这项研究结果以论文形式发表在学术期刊上，针对轻元素融入地核的问题，我们不仅研究了纯铁和硅酸盐的体系，该体系已用于各种实验，还有氢化作用。作者强调了研究轻元素在铁和硅酸盐之间的分布的重要性。对于高压下的原位中子观测，希望能够长时间稳定地产生高温高压，并且能够以大样品量获得信号强度。为此，本研究开发并推出的新型6-6电池需要克服高温高压下的泄压以及减少砧座电池对中子的吸收等问题。展望未来，可以说这项研究为通过进一步改进电池来优化组装奠定了基础。