中性子回析用超高圧セルの開発と水素結合の圧力応答のその場観察

中子衍射超高压单元的研制及氢键压力响应原位观察

基本信息

批准号：
10J07593
负责人：
飯塚理子
金额：
$ 0.9万
依托单位：
The University of Tokyo
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2010
资助国家：
日本
起止时间：
2010 至 2011
项目状态：
已结题

项目摘要

水素結合を基調とする物質の圧力誘起相転移における結晶構造変化を詳細に調べることは、物質科学の分野に新しい知見を与えるだけでなく、地球内部の理解を深めることにもつながる。本研究では、地球深部まで水を運搬する含水鉱物のモデル物質とされている、水酸化カルシウムに着目し、この物質の未知の室温高圧相の構造を同定することを目的として、ダイヤモンドアンビルセルを用いた単結晶X線回折実験による高圧下その場観察を行った。また、解析に必要な十分な数の反射をより多く得るために、広い開口角を持つダイヤモンドアンビルセルへの改良も行った。片方のダイヤモンドの先端面中心にエキシマレーザーを用いて底面が平らな凹みを掘った、"Radial-DAC"を開発し実験を行った。この凹みの中に単結晶試料を入れ、加圧軸に垂直に開いた窓を通して、入射X線を照射し回折X線を検出する測定系で、イメージングプレートを用いて高圧相のブラッグ反射を測定した。この新しい高圧装置と高輝度なX線を組み合わせて得られた振動写真の解析から、室温高圧相の構造とその相転移メカニズムが明らかになった。これは、これまでの先行研究では非晶質化すると考えられていた水酸化カルシウムの圧縮挙動における新しい発見であり、大変重要な成果であると言える。将来的には、この水酸化カルシウムの高圧相の水素位置と低圧相からの水素結合の変化の詳細を知るために、大強度陽子加速器施設J-PARCのパルス中性子を利用した、高圧下での粉末中性子回折実験の実現を目指している。昨年度、および本年度前期には、中性子回折と分光測定の同時観察を可能にするためのアンビルとガスケット部分の改良も行った。これにより、静水圧のよい条件下で、水酸化カルシウムの室温高圧相の回折パターンをより短時間で測定することが可能なセルの準備が整った。

对基于氢键的材料在压力诱导相变过程中晶体结构变化的详细研究不仅提供了材料科学领域的新知识，而且还有助于更深入地了解地球内部。在这项研究中，我们重点关注氢氧化钙，它被认为是将水输送到地球深处的水合矿物的模型材料，并使用金刚石砧细胞来识别该物质未知的室温高压相的结构。使用单晶X射线衍射实验进行高压原位观察。此外，为了获得分析所需的足够数量的反射，我们还改进了大孔径角的金刚石砧座。我们开发了“Radial-DAC”并进行了实验，其中使用准分子激光器在其中一颗钻石尖端的中心挖出一个平底的凹槽。测量系统将单晶样品放置在该凹部中，通过垂直于压力轴打开的窗口用入射X射线照射它，并使用高压相的衍射布拉格反射来测量。成像板做到了。通过将这种新型高压装置与高亮度X射线相结合获得的振动照片进行分析，揭示了室温高压相的结构及其相变机制。这是对氢氧化钙压缩行为的新发现，在之前的研究中被认为是非晶态的，可以说是一个非常重要的结果。今后，为了了解氢氧化钙高压相中氢位置的变化以及低压相中氢键的变化细节，我们将在高压下使用脉冲中子在高强度质子上进行研究我们的目标是实现粉末中子衍射实验。去年和今年上半年，我们还改进了砧座和垫片，以便能够同时观察中子衍射和光谱测量。结果，制备了一种可以在良好的静水压条件下在更短的时间内测量氢氧化钙的室温高压相的衍射图样的池。