液相成長する氷晶のナノ・マイクロスケール構造の解明

阐明液相中生长的冰晶的纳米/微米结构

基本信息

批准号：
08750225
负责人：
中別府修
金额：
$ 0.64万
依托单位：
The University of Tokyo
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Encouragement of Young Scientists (A)
财政年份：
1996
资助国家：
日本
起止时间：
1996 至无数据
项目状态：
已结题

来源：
https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-08750225/
关键词：
氷原子間力顕微鏡結晶凝固デンドライト異方性

项目摘要

本研究では、氷晶の形態,特性をサブミリからナノメータスケールに渡る広いダイナミックレンジの計測を行い,マクロに現れてくるセルラ-氷晶やデンドライト氷晶の形態形成機構を解明するため,光学顕微鏡による水溶液の凝固実験と原子間力顕微鏡(AFM)による霜の観察を行った.水溶液の凝固実験では,方向性凝固装置と過マンガン酸ナトリウム水溶液の吸光性を利用し,水溶液濃度と氷晶の3次元形態の観察を行った.これにより,5wt%以下の水溶液では,セルラ-状の凝固が起こり,凝固速度が速いほど,氷の間で濃縮される溶質量が増加すること,ある速度以上になると凝固形態に異方性が強く現れ,三角形断面の冷却面を除く一辺が優先的に成長し残りの一辺は殆ど成長しないこと,下面から冷却されているにも関わらず,縦長の三角形氷ができることが観察された.この異方性は,六角柱構造をした氷の結晶構造に由来するものと理解された.原子間力顕微鏡による霜の観察は,AFMのカンチレバ-は熱膨張率の異なる2相構造であるため,霜に接触した場合と僅かに離れた場合で熱変形が大きく,アプローチから計測を自動的に行なわせることが難しい,環境の湿度を十分に制御しないと観察中に氷が成長しずぎてAFMの観察範囲を越えてしまうという理由で非常に困難なものであった.僅かに観察された結果は,銅製ステージ上で霜の端が層状に進行し霜領域が拡大していく様子,端部にセルラ-状の構造が見られ,そのスケールは1μm以下であることという点であった.水溶液中でのセルラ-凝固のスケールは10μm以上であり,気相中で生成する氷晶の構造スケールはさらに小さいことが分かった.

在这项研究中，我们测量了从亚毫升到纳米量表的广泛动态范围，并阐明了冰晶体的形态和特性，并阐明了在宏中出现的细胞冰晶体和树突状冰晶体的形态发生机制，我们使用液体溶液的固体固体化的实验使用了液体的固定型和光效应，并使用了光效率和效率。在凝固水溶液的实验中，我们利用了方向性固化装置和高温糖水溶液溶液的光吸收。我们观察到水溶液浓度和冰晶的三维形式。这会导致5wt％或更少的水溶液中的细胞固化，并且凝固速率越快，浓度在冰之间的溶质量就越大。当温度超过一定速度时，各向异性以固化形式出现，除了冷却表面，优先生长，其余一侧几乎不增长。即使从底部表面冷却，也会形成垂直的三角冰。这种各向异性被理解为源自具有六角形棱镜结构的冰的晶体结构。使用原子力显微镜观察霜冻非常困难，因为AFM的悬臂具有两相结构，具有不同的热膨胀系数，并且当与霜冻接触并略微分开时，热变形很大，因此很难自动从该方法中进行测量。如果环境的湿度没有得到足够的控制，则在观察过程中冰将生长并超过AFM的观察范围。丝毫观察结果是，铜阶段的霜层进展边缘和霜冻区域膨胀，边缘的细胞结构膨胀，其尺度小于1μm。水溶液中的细胞固化尺度为10μm或更多，气相中产生的冰晶的结构尺度甚至更小。