液体のように振舞うナノ粒子:宇宙ダスト類似物の生成過程を観る“その場"観察実験

表现得像液体的纳米颗粒：“原位”观测实验观察太空尘埃类似物的形成过程

• 批准号: 22684024
• 负责人: 木村 勇気
• 金额: $ 11.48万
• 依托单位: Tohoku University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Young Scientists (A)
• 财政年份: 2010
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2010 至 2013
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-22684024/
• 关键词: 均質核生成; 宇宙ダスト; 結晶成長; 干渉法; その場観察; 均質核形成

惑星系の形成過程に伴う物質進化過程の解明という地球惑星科学の第一級の課題に対して、宇宙固体微粒子(宇宙ダスト)の形成や結晶化過程を実験的に解明する。宇宙ダストは容器の無い宇宙空間で生成する為に、大きな過冷却度がついた後に生成することが容易に想像できる。特に、気相からの凝縮実験(煙の実験)において非接触で生成するナノ粒子の成長過程を干渉計を用いてその場観察することで、気相中でのナノ粒子生成時の核形成温度(過冷却度)や成長速度などを定量化することが目的である。ここで、ナノ粒子の"液体のような"非常に早い拡散現象が鍵になると考えている。物質科学と地球惑星科学分野との境界領域に新たな研究分野を形成する研究課題になる。初年度に組んだ、2波長マッハツェンダー干渉計を用いて、核形成温度と濃度を同時に測定することに成功した。また、凝縮温度と生成粒子のサイズを同時に説明可能なナノ粒子の"実効的な"表面張力と吸着係数を、核生成理論を用いることで同時に決定できることが明らかになり、当初の想定以上の成果を挙げられた。例えば、マンガンに関しては、表面エネルギーはナノ粒子であっても、バルクと同程度の値で、吸着係数は約0.4であった。さらに、ナノ粒子の融点降下や拡散速度の特異現象により液滴状融合成長が頻繁に起こることで核の数を減らす現象を定量的に示した。これにより、実際に宇宙ダストが生成する温度、そのサイズ、数密度などを核生成理論から予測可能になると期待される。

为了应对地球和行星科学的挑战，即阐明与行星系统形成相关的材料进化过程，我们将在实验中阐明空间固体颗粒（宇宙灰尘）的形成和结晶过程。因为在没有容器的空间中生成空间灰尘，因此可以很容易地想象它将在大量过冷之后生成。特别是，目的是通过使用干涉仪使用干涉仪在气相（烟雾实验）中观察到气相（烟雾实验）在气相中的非接触纳米颗粒的生长过程来量化气相中纳米颗粒生成时的成核温度（超冷度）和生长速率。在这里，我们认为纳米颗粒（例如液体）非常快速的扩散现象是关键。这将是一个研究主题，将在材料科学与地球和行星科学领域之间的边界领域建立一个新的研究领域。我们能够使用第一年组装的两波长的马赫德干涉仪同时测量成核温度和浓度。此外，可以使用成核理论同时确定纳米颗粒的“有效”表面张力和吸附系数，这些纳米颗粒可以同时解释凝结温度和所产生的颗粒的大小，从而产生比最初预期的更大的结果。例如，对于锰，即使对于纳米颗粒，表面能也与大量相同，并且吸附系数约为0.4。此外，我们定量证明了一种现象，在这种现象中，由于纳米颗粒熔点降低和扩散速率的奇异现象，液滴样融合的生长经常发生，从而导致核数量减少。预计这将有可能预测由成核理论的宇宙粉尘真正产生的温度，大小，数量密度等。

项目成果

THE FORMATION OF GRAPHITE WHISKERS IN THE PRIMITIVE SOLAR NEBULA

• DOI: 10.1088/2041-8205/710/1/l98
• 发表时间: 2010-02
• 期刊: The Astrophysical Journal Letters
• 作者: J. Nuth;Y. Kimura;C. Lucas;F. Ferguson;N. Johnson

Condensation Takes Place in Far from Equilibrium Condition

凝结发生在远离平衡的条件下

• 发表时间: 2010
• 作者: Y. Kimura;K. Tsukamoto;T. Maki
• 通讯作者: T. Maki

In-situ observation by interferometer during condensation of smoke particles

利用干涉仪对烟雾颗粒凝结过程进行原位观察

• 发表时间: 2010
• 作者: Yuki Kimura;Katsuo Tsukamoto;Takao Maki
• 通讯作者: Takao Maki

Double Wavelength Interferometry for Direct Observation of Homogeneous Nucleation in Vapor Phase

双波长干涉法直接观察气相均匀成核

• 发表时间: 2011
• 作者: Y.Kimura;Y.Inatomi;H.Miura;T.Maki;K.Tsukamoto
• 通讯作者: K.Tsukamoto

超高過飽和ガスから生成するダスト類似物の均質核形成と接合成長

超过饱和气体产生的尘埃类似物的均匀成核和连接生长

• 发表时间: 2011
• 作者: 木村勇気;田中今日子;三浦均;塚本勝男
• 通讯作者: 塚本勝男