水クラスター形成及びクラスレートハイドレート(包接水和化合物)結晶化の 水、クリプトン共吸着による観測 INTRODUCTION K. Yamalawa et al. in publication 水と水素の共吸着 背景 水は、他分子(希ガス、水素等)で共吸着する際に、 マトリックス（母材）中でクラスター形成する。 一方、水クラスターからマトリックス構成分子が 受ける摂動を知ることは、水クラスター 形成のメカニズムが解明につながる。 本研究の目的 RESULTS (Cluster) 2D固体水素中 波数(cm-1) (H2O)3 3531,3503 Cyc-(H2O)4 3368 Cyc-(H2O)5 3335 Cage-(H2O)6 3228 295ms 140 70 10 基板温度13Kで水素二次元固体上に 水と水素を共吸着させた時の赤外吸収スペクトル 非晶質：希ガス（クリプトン）ー水クラスターの相関 クリプトンと水の共吸着時に、水クラスターがクリプ トン原子近傍に及ぼす影響をクリプトン核共鳴散乱 法を用いて観測する。 結晶化：包接水和（クラスレートハイドレート） 共吸着時における、水の結晶化条件を探り、 包接過程も含めたダイナミクスを解明する。 Assignment 水曝露時間 ＩＲピークとクラスターの割当 S. Maheshwary, et. al., J. Phys. Chem. A, 105 pp.10525-10537 (2001) 水クラスター(H2O)n 包接水和 化合物 氷Ih結晶 赤外吸収スペクトル測定結果 共吸着時に、水分子 で構成される最小の cage(H2O)6が 観測された クリプトン、水共吸着膜準備 水蒸気導入時のクリプトン圧力 圧力(Kr) 基板 赤外吸収 630 Pa CaF2 核共鳴散乱 800 Pa Be 測定 放射光核共鳴散乱、赤外吸収分光 1. 赤外吸収分光(水分子からのアプローチ) 2. 83Kr核共鳴散乱(クリプトンからのアプローチ) 2-1 無反跳分率測定 ∝ 核共鳴散乱確率 Krのアモルファス氷中での 固定度合の強さを表す 2-2 量子ビート測定 周波数解析により電場勾配が見積もられる 83Kr核準位の分裂 ー電場勾配の存在ー 83Kr原子核 磁気双極子遷移 と核準位 観測可能な 主な量子ビート 量子ビート f ∝ Kr原子核近傍電場勾配 無反跳分率測定結果 402 81.8 0.150 文献一致 膜厚[μｍ] 温度[K] 無反跳分率 遷移組合 量子ビート解析結果 時間スペクトル Kr固体 試料 ＜無反跳分率fLMの見積＞ 核共鳴多重散乱効果から割り出す (4)-(5) (5)-(7) (5)-(6) (6)-(7) (1)-(2) (1)-(3) 計算値 Kr,H2O 吸着層 462 82.5 0.336 実験値 189 MHz 189 MHz 122 MHz 217 MHz 220 MHz 95 MHz 99 MHz 100 MHz 99 MHz 150 MHz 143 MHZ 電場勾配は8x1022V/m2と見積もられた 周波数解析結果 RESULTS(Clathrate Hydrate) クリプトン、水の共吸着 マスフロー調節計を用いて、 混合比を制御し吸着させた。 透過配置X線回折 共吸着層の結晶性確認 X線回折測定配置 結晶成長する混合比領域の存在を確認。 Ｘ線回折測定結果 基板温度、混合比に依存して、結晶相分離 （一例） することが分かった。 各結晶成分比率の概算結果 結晶 回折面 比率(%) クリプトン (111) 52 氷 (002) 28 ハイドレート (005) 20 アモルファス氷 ― クリプトン（微結晶） ー 混晶の基板温度 混合比依存性 CONCLUSIONS 結論 - Kr,H2O共吸着層において、Krが雰囲気中にあるときCage(H2O)6が形成されることが分かった。 - Kr,H2O共吸着後の非晶質状態での無反跳分率は、82 KにおいてKr固体の2.2倍となった。 - 電場勾配は8x1022V/m2と見積もられ、アモルファス氷表面での計算値の10倍程度となった。 - KrによりH2Oはクラスター化し、それに伴いKrは水に固定される傾向があると考えられる。 - KrとH2Oの共吸着時に、クリプトンハイドレートクラスレート結晶化される条件があることがわかった。 Institute of Industrial Science / The University of Tokyo / Fukutani Laboratory Taizo Kawauchi/ Koichiro Yamakawa / Katsuyuki Fukutani
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