研究者データベース

長嶋 剣(ナガシマ ケン)
低温科学研究所 雪氷新領域部門
助教

基本情報

所属

  • 低温科学研究所 雪氷新領域部門

職名

  • 助教

学位

  • 博士(理学)(東北大学)

ホームページURL

科研費研究者番号

  • 60436079

ORCID ID

J-Global ID

研究キーワード

  • 光学顕微鏡   氷   原子間力顕微鏡   その場観察   惑星起源・進化   結晶成長   AFM   

研究分野

  • ナノテク・材料 / 薄膜、表面界面物性
  • ナノテク・材料 / 結晶工学
  • ナノテク・材料 / 応用物性
  • 自然科学一般 / 固体地球科学

職歴

  • 2011年09月 - 現在 北海道大学 低温科学研究所 助教

所属学協会

  • 日本地球惑星科学連合   日本物理学会   日本表面科学会   日本惑星科学会   日本結晶成長学会   

研究活動情報

論文

  • Ken Nagashima, Josée Maurais, Ken-ichiro Murata, Yoshinori Furukawa, Patrick Ayotte, Gen Sazaki
    Crystals 10 2 72 - 72 2020年01月29日 [査読有り][通常論文]
     
    The surfaces of ice crystals near the melting point are covered with thin liquid water layers, called quasi-liquid layers (QLLs), which play crucial roles in various chemical reactions in nature. So far, there have been many spectroscopic studies of such chemical reactions on ice surfaces, however, revealing the effects of atmospheric gases on ice surfaces remains an experimental challenge. In this study, we chose HNO3 as a model atmospheric gas, and directly observed the ice basal faces by advanced optical microscopy under partial pressure of HNO3 (~10−4 Pa), relevant to those found in the atmosphere. We found that droplets (HNO3-QLLs) appeared on ice surfaces at temperatures ranging from −0.9 to −0.2 °C with an increase in temperature, and that they disappeared at temperatures ranging from −0.6 to −1.3 °C with decreasing temperature. We also found that the size of the HNO3-QLLs decreased immediately after we started reducing the temperature. From the changes in size and the liquid–solid phase diagram of the HNO3-H2O binary system, we concluded that the HNO3-QLLs did not consist of pure water, but rather aqueous HNO3 solutions, and that the temperature and HNO3 concentration of the HNO3-QLLs also coincided with those along a liquidus line.
  • Yuji Miyato, Katsuki Otani, Motoyasu Maeda, Ken Nagashima, Masayuki Abe
    Japanese Journal of Applied Physics 2019年08月01日 [査読有り][通常論文]
  • Yoshinori Furukawa, Ken Nagashima, Shunichi Nakatsubo, Salvador Zepeda, Ken-ichiro Murata, Gen Sazaki
    Philosophical Transactions of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences 377 2146 20180393 - 20180393 2019年04月 [査読有り][通常論文]
  • 麻川 明俊, 佐﨑 元, 長嶋 剣, 中坪 俊一, 古川 義純
    Journal of the Society of Inorganic Materials, Japan : セッコウ・石灰・セメント・地球環境の科学 26 399 99 - 104 無機マテリアル学会 2019年03月 [査読無し][通常論文]
  • Jialu Chen, Ken Nagashima, Ken-ichiro Murata, Gen Sazaki
    Crystal Growth & Design American Chemical Society ({ACS}) 2019年01月02日 [査読有り][通常論文]
  • Ken-ichiro Murata, Ken Nagashima, Gen Sazaki
    Physical Review Letters 122 2 American Physical Society ({APS}) 2019年01月 [査読有り][通常論文]
  • Fumitoshi Kaneko, Chihiro Katagiri, Gen Sazaki, Ken Nagashima
    The Journal of Physical Chemistry B American Chemical Society ({ACS}) 2018年12月27日 [査読有り][通常論文]
  • Murata Ken-ichiro, Nagashima Ken, Sazaki Gen
    PHYSICAL REVIEW MATERIALS 2 9 2018年09月10日 [査読有り][通常論文]
  • Maddalena Bayer-Giraldi, Gen Sazaki, Ken Nagashima, Sepp Kipfstuhl, Dmitry A. Vorontsov, Yoshinori Furukawa
    Proceedings of the National Academy of Sciences 115 29 7479 - 7484 Proceedings of the National Academy of Sciences 2018年07月17日 [査読有り][通常論文]
  • Ken Nagashima, Gen Sazaki, Tetsuya Hama, Ken-ichiro Murata, Yoshinori Furukawa
    Crystal Growth & Design American Chemical Society ({ACS}) 2018年07月05日 [査読有り][通常論文]
  • Masahiro Inomata, Ken-ichiro Murata, Harutoshi Asakawa, Ken Nagashima, Shunichi Nakatsubo, Yoshinori Furukawa, Gen Sazaki
    Crystal Growth & Design American Chemical Society ({ACS}) 2018年01月04日 [査読有り][通常論文]
  • Kawakami Sho, Mori Atsushi, Nagashima Ken, Haraguchi Masanobu, Okamoto Toshihiro
    JOURNAL OF CRYSTAL GROWTH 468 740 - 743 Elsevier {BV} 2017年06月 [査読有り][通常論文]
  • Furukawa Yoshinori, Nagashima Ken, Nakatsubo Shun-ichi, Yoshizaki Izumi, Tamaru Haruka, Shimaoka Taro, Sone Takehiko, Yokoyama Etsuro, Zepeda Salvador, Terasawa Takanori, Asakawa Harutoshi, Murata Ken-ichiro, Sazaki Gen
    SCIENTIFIC REPORTS 7 43157 - 43157 Springer Nature 2017年03月06日 [査読有り][通常論文]
  • Murata Ken-ichiro, Asakawa Harutoshi, Nagashima Ken, Furukawa Yoshinori, Sazaki Gen
    PROCEEDINGS OF THE NATIONAL ACADEMY OF SCIENCES OF THE UNITED STATES OF AMERICA 113 44 E6741 - E6748 Proceedings of the National Academy of Sciences 2016年10月 [査読有り][通常論文]
  • Gen Sazaki, Ken Nagashima, Ken-ichiro Murata, Yoshinori Furukawa
    PROGRESS IN CRYSTAL GROWTH AND CHARACTERIZATION OF MATERIALS 62 2 408 - 412 2016年06月 [査読有り][通常論文]
     
    In this experimental course, attendees will learn how to obtain useful information about growth processes of crystals using ordinary optical microscopes, which are usually available in laboratories. We will demonstrate how thicknesses of crystals can be estimated from interference colors. We will also show in-situ observations of spiral steps and strain distributions by differential interference contrast microscopy and polarizing microscopy, respectively. (C) 2016 Elsevier Ltd. All rights reserved.
  • Gen Sazaki, Ken Nagashima, Ken-ichiro Murata, Yoshinori Furukawa
    Progress in Crystal Growth and Characterization of Materials 62 2 408 - 412 Elsevier {BV} 2016年06月 [査読有り][通常論文]
  • Kawakami Sho, Mori Atsushi, Nagashima Ken, Hashimoto Shuichi, Haraguchi Masanobu
    BULLETIN OF THE CHEMICAL SOCIETY OF JAPAN 89 3 385 - 393 The Chemical Society of Japan 2016年03月 [査読有り][通常論文]
  • Nagashima Ken, Sazaki Gen, Hama Tetsuya, Asakawa Harutoshi, Murata Ken-ichiro, Furukawa Yoshinori
    CRYSTAL GROWTH & DESIGN 16 4 2225 - 2230 American Chemical Society ({ACS}) 2016年02月 [査読有り][通常論文]
  • Asakawa Harutoshi, Sazaki Gen, Nagashima Ken, Nakatsubo Shunichi, Furukawa Yoshinori
    PROCEEDINGS OF THE NATIONAL ACADEMY OF SCIENCES OF THE UNITED STATES OF AMERICA 113 7 1749 - 1753 Proceedings of the National Academy of Sciences 2016年02月01日 [査読有り][通常論文]
  • Asakawa Harutoshi, Sazaki Gen, Nagashima Ken, Nakatsubo Shunichi, Furukawa Yoshinori
    CRYSTAL GROWTH & DESIGN 15 7 3339 - 3344 American Chemical Society ({ACS}) 2015年06月11日 [査読有り][通常論文]
  • Murata Ken-ichiro, Asakawa Harutoshi, Nagashima Ken, Furukawa Yoshinori, Sazaki Gen
    PHYSICAL REVIEW LETTERS 115 25 2015年 [査読有り][通常論文]
  • Ken-ichiro Murata, Harutoshi Asakawa, Ken Nagashima, Yoshinori Furukawa, Gen Sazaki
    Physical Review Letters 115 25 American Physical Society ({APS}) 2015年 [査読有り][通常論文]
  • 氷ベーサル面上での形態が異なる2種類の擬似液体層の生成過程
    佐﨑元, 麻川明俊, 長嶋剣, 中坪俊一, 古川義純
    International Journal of Microgravity Science Application 31 3 100 - 105 2014年10月01日 [査読無し][通常論文]
  • Asakawa Harutoshi, Sazaki Gen, Yokoyama Etsuro, Nagashima Ken, Nakatsubo Shunichi, Furukawa Yoshinori
    CRYSTAL GROWTH & DESIGN 14 7 3210 - 3220 American Chemical Society ({ACS}) 2014年06月10日 [査読有り][通常論文]
  • Gen Sazaki, Harutoshi Asakawa, Ken Nagashima, Shunichi Nakatsubo, Yoshinori Furukawa
    CRYSTAL GROWTH & DESIGN 14 5 2133 - 2137 2014年05月 [査読有り][通常論文]
     
    During the growth of ice crystals, spiral growth is one of the important growth mechanisms that dominate their growth. However, the structure of spiral steps on ice crystal surfaces at temperatures near the melting point has not been identified. Here we show a possible model structure of spiral steps on basal and prism faces of I-h ice crystals grown from water vapor just below 0 degrees C. We observed in situ the coalescences of spiral steps and steps of two-dimensional (2D) islands by our advanced optical microscopy, which can visualize individual elementary steps (single-bilayer height) of 2D islands on ice basal faces. We found that both spiral steps and 2D island steps on basal and prism faces show single-bilayer heights, though Burgers' vectors of screw dislocations on both faces need to have double-bilayer heights because of a crystallographic requirement. These results suggest that at the center of a spiral growth hillock, steps of two adjacent single bilayers coincide and then form a double-bilayer step and that the steps of two single bilayers gradually detach themselves with increasing radii of their spiral steps. We observed the appearance of double spiral steps, which strongly supports our model structure, at -15.0 degrees C (the lowest temperature of our setup).
  • Gen Sazaki, Harutoshi Asakawa, Ken Nagashima, Shunichi Nakatsubo, Yoshinori Furukawa
    CRYSTAL GROWTH & DESIGN 13 4 1761 - 1766 2013年04月 [査読有り][通常論文]
     
    Ice crystal surfaces melt at temperatures below 0 degrees C, and then quasi-liquid layers (QLLs) are formed. However, revealing the dynamic behavior of QLLs, which dominates the surface properties of ice crystals at temperatures near the melting point, remains an experimental challenge. Here, we demonstrate the similarities and differences in the generation mechanisms of two types of QLL phases, which show different morphologies and dynamics. We directly visualized the appearance of round liquidlike droplets (alpha-QLLs) and thin liquidlike layers (beta-QLLs) on ice basal faces by advanced optical microscopy, which can allow visualization of the individual elementary steps on basal faces. We found that alpha-QLLs always appear at outcrops of dislocations, and that beta-QLLs emerge from crystal surfaces where many microdefects are embedded. These results clearly demonstrate the similar function that strain induces the appearance of both types of QLLs. We also found that beta-QLLs are spontaneously formed at interfaces between basal faces and alpha-QLLs, when the diameter of the alpha-QLLs becomes larger than several tens of micrometers. This result arose from the different structures of alpha- and beta-QLLs: the beta-QLLs probably have a structure intermediate between those of basal faces and alpha-QLLs, resulting in a reduction of the total interfacial free energy.
  • Jun Nozawa, Katsuo Tsukamoto, Willem van Enckevort, Tomoki Nakamura, Yuki Kimura, Hitoshi Miura, Hisao Satoh, Ken Nagashima, Makoto Konoto
    JOURNAL OF THE AMERICAN CHEMICAL SOCIETY 133 23 8782 - 8785 2011年06月 [査読有り][通常論文]
     
    Three-dimensional colloidal crystals made of ferromagnetic particles, such as magnetite (Fe(3)O(4)), cannot be synthesized in principle because of the strong attractive magnetic interaction. However, we discovered colloidal crystals composed of polyhedral magnetite nanocrystallites of uniform size in the range of a few hundred nanometers in the Tagish Lake meteorite. Those colloidal crystals were formed 4.6 billion years ago and thus are much older than natural colloidal crystals on earth, such as opals, which formed about 100 million years ago.(1) We found that the size of each individual magnetite particle determines its morphology, which in turn plays an important role in deciding the packing structure of the colloidal crystals. We also hypothesize that each particle has a flux-closed magnetic domain structure, which reduces the interparticle magnetic force significantly.
  • Hitoshi Miura, Etsuro Yokoyama, Ken Nagashima, Katsuo Tsukamoto, Atul Srivastava
    Earth, Planets and Space 63 10 1087 - 1096 2011年 [査読有り][通常論文]
     
    A barred-olivine (BO) chondrule usually has an olivine rim that covers the chondrule surface. Numerous experiments have been carried out to reproduce the BO texture. However, the rim structure could be reproduced only in a few studies reported in the literature. The difficulty in reproducing the rim structure lies in the fact that its formation condition has not been constrained experimentally or theoretically. In the present paper, we have carried out numerical simulations of crystal growth of a highly-supercooled melt droplet of pure forsteritic composition (Mg2SiO4), and succeeded in reproducing the double structure, i.e. the rim and the dendrite. The droplet cools from the surface, the temperature of which should be cooler than the center of the droplet. Since a crystal grows faster along the cooler surface than across the hotter center, the rim was found to be formed when the temperature difference between the center of the droplet and its surface is large enough. From our results, both from numerical simulations and analytical consideration, we found that the double structure of rim and the dendrite could be formed only when the cooling rate is within a narrow range, which depends upon the degree of supercooling. Our results, for the first time, could explain why the formation of rim of BO texture was hardly reproduced in the previous experiments reported in the literature to date. Copyright © The Society of Geomagnetism and Earth Planetary and Space Sciences (SGEPSS).
  • Hitoshi Miura, Etsuro Yokoyama, Ken Nagashima, Katsuo Tsukamoto, Atul Srivastava
    JOURNAL OF APPLIED PHYSICS 108 11 114912  2010年12月 [査読有り][通常論文]
     
    Chondrules are submillimeter-sized and spherical-shaped crystalline grains consisting mainly of silicate material observed in chondritic meteorites. We numerically simulated pattern formation of a forsterite (Mg(2)SiO(4))-chondrule in the melt droplet using a phase-field method. Because of the large surface-to-volume ratio, the surface cooling term was introduced in the framework of this method. We reproduced an unique crystal growth pattern inside the droplet composed of two distinguishable parts; the rim that covers whole droplet surface, and dendrite inside the droplet. It was found that the rim was formed when there is a large temperature difference of similar to 100 K between the center and surface of the droplet due to the large cooling flux at the surface. In order to obtain the temperature difference, we derived temperature distribution of the droplet analytically, and concluded that the rim was formed only when the droplet cools rapidly at a rate of R(cool) similar to 10(3) K s(-1). However, when the surface cooling was so large as the temperature at the droplet center still remains above the melting point, no dendrite was obtained, though the rim was formed. The double structure captures the distinctive features of barred-olivine textures observed in natural chondrules. (C) 2010 American Institute of Physics. [doi: 10.1063/1.3504655]
  • Ken Nagashima, Masayuki Abe, Seizo Morita, Noriaki Oyabu, Kei Kobayashi, Hirofumi Yamada, Masahiro Ohta, Ryohei Kokawa, Ryota Murai, Hiroyoshi Matsumura, Hiroaki Adachi, Kazufumi Takano, Satoshi Murakami, Tsuyoshi Inoue, Yusuke Mori
    JOURNAL OF VACUUM SCIENCE & TECHNOLOGY B 28 3 2010年05月 [査読有り][通常論文]
     
    In order to determine the molecular structure by x-ray diffraction analysis, it is very important to grow high quality protein crystals. The molecular resolution imaging of soluble protein crystals such as the tetragonal lysozyme (110) face in saturated solution is demonstrated using frequency-modulation atomic force microscopy (FM-AFM). The surface structure of the (110) face and the crystallographic position of individual molecules were determined from molecular resolution images. For observation of protein crystals, FM-AFM is a favorable technique as an alternative to contact mode or amplitude-modulation AFM. (C) 2010 American Vacuum Society. [DOI: 10.1116/1.3386383]
  • Ken Nagashima, Masayuki Abe, Seizo Morita, Noriaki Oyabu, Kei Kobayashi, Hirofumi Yamada, Masahiro Ohta, Ryohei Kokawa, Ryota Murai, Hiroyoshi Matsumura, Hiroaki Adachi, Kazufumi Takano, Satoshi Murakami, Tsuyoshi Inoue, Yusuke Mori
    Journal of Vacuum Science and Technology B:Nanotechnology and Microelectronics 28 3 C4 - C14 2010年 [査読有り][通常論文]
     
    In order to determine the molecular structure by x-ray diffraction analysis, it is very important to grow high quality protein crystals. The molecular resolution imaging of soluble protein crystals such as the tetragonal lysozyme (110) face in saturated solution is demonstrated using frequency-modulation atomic force microscopy (FM-AFM). The surface structure of the (110) face and the crystallographic position of individual molecules were determined from molecular resolution images. For observation of protein crystals, FM-AFM is a favorable technique as an alternative to contact mode or amplitude-modulation AFM. © 2010 American Vacuum Society.
  • Jun Nozawa, Katsuo Tsukamoto, Hidekazu Kobatake, Junya Yamada, Hisao Satoh, Ken Nagashima, Hitoshi Miura, Yuki Kimura
    ICARUS 204 2 681 - 686 2009年12月 [査読有り][通常論文]
     
    By means of nanoscale surface observation, we have proposed a new approach for investigating fine crystals of cosmic materials to reveal their origin and growth conditions. Several different morphologies of polyhedral fine olivines with faceted faces have been found in Allende carbonaceous chondrite (4.5 byr in geochronological age). In the present work, molecular level topography of the faceted matrix olivine by Atomic Force Microscopy (AFM) has Successfully been performed, The matrix olivine found to have preserved growth step pattern on its surface even though quite long time has passed since they formed in the early Solar System. The Surface pattern Suggests that the faceted matrix olivine could have been condensed from the gas phase, and possibly that these olivine crystals had continued to grow under a rapid cooling condition (0.1-1 K s(-1)). The estimated cooling rate agrees well with predictions based on hypothetical rapid heating and cooling events such as shock wave heating. (C) 2009 Elsevier Inc. All rights reserved.
  • Hidekazu Kobatake, Katsuo Tsukamoto, Jun Nozawa, Ken Nagashima, Hisao Satoh, Peter Dold
    ICARUS 198 1 208 - 217 2008年11月 [査読無し][通常論文]
     
    Growth conditions and the resultant morphology of cosmic forsterite and enstatite particles condensed from the vapor were investigated experimentally as a function of growth temperature and supersaturation using flash-heating by CO2 laser irradiation. Forsterite particles grew dominantly, followed by a few pyroxenes. No silica minerals were observed. The forsterite morphology changed systematically depending on the temperature (T) and the vapor supersaturation (sigma). As the temperature decreased and the vapor supersaturation increased, the forsterite morphology changed from a bulky type (T = 1000-1450 degrees C, sigma < 97) to a platy type (T = 700-1000 degrees C, sigma = 97-161), then to a columnar needle shape (T - 500-820 degrees C, sigma = 131-230), and finally to a droplet type (T < 500 degrees C, sigma > 230). Very thin polygonal growth steps, which suggest vapour-solid (VS) growth, were detected on the surface of the faceted bulky and platy forsterite particles. Transmission electron microscopic (TEM) observation showed that the tip of the columnar and needle-shaped forsterite was covered with an amorphous layer. This amorphous coverage illustrates that a liquid phase can be condensed frorn the vapor, even under the stable conditions where crystalline forsterite is stable. This amorphous layer plays a role in the vapor-liquid-solid (VLS) mechanism of the forsterite particles. The difference in the growth mechanism as a function of vapor supersaturation and temperature can be explained by metastable liquid condensation. The experimentally synthesized coexisting patterns of VS-grown and VI-S-grown olivine particles resemble the pattern of matrix olivine or chondrule rims in primitive meteorites. Forsterite can crystallize more easily than either pyroxene or silica minerals, which is consistent with the dominance of forsterite in cometary dust particles, as suggested by its infrared spectrum. (C) 2008 Elsevier Inc. All rights reserved.
  • Ken Nagashima, Yoshinobu Moriuchi, Katsuo Tsukamoto, Kyoko K. Tanaka, Hidekazu Kobatake
    JOURNAL OF MINERALOGICAL AND PETROLOGICAL SCIENCES 103 4 2008年08月 [査読有り][通常論文]
  • 平野 大地, 太田 敦人, 村山 健太, 宮崎 真利, 丸山 美帆子, 長嶋 剣, 三浦 均, 塚本 勝男
    JASMA : Journal of the Japan Society of Microgravity Application = 日本マイクログラビティ応用学会誌 25 2 96 - 100 日本マイクログラビティ応用学会 2008年04月30日 [査読無し][通常論文]
  • K. K. Tanaka, T. Yamamoto, K. Nagashima, K. Tsukamoto
    JOURNAL OF CRYSTAL GROWTH 310 6 1281 - 1286 2008年03月 [査読無し][通常論文]
     
    We propose a new method of evaluating both interfacial energy a between melt and crystal and the activation energy of diffusion Ea by analyzing the crystallization experiment with the use of gas jet levitation method. We show that there arise three features of crystallization of a cooling melt sphere depending on sigma and E-a: (A) crystallization near the melting temperature, (B) crystallization from the hypercooled melt, and (C) no crystallization. Applying the present method to the experiment of crystallization of a melt sphere of forsterite composition, we evaluate its sigma and E-a to be sigma = 613 +/- 30 erg cm(-2) and E-a/k = (2.3 +/- 0.2) x 10(4) K, where k is the Boltzmann constant. (c) 2008 Elsevier B.V. All rights reserved.
  • Ken NAGASHIMA, Yoshinobu MORIUCHI, Katsuo TSUKAMOTO, Kyoko K. TANAKA, Hidekazu KOBATAKE
    Journal of Mineralogical and Petrological Sciences 103 4 303{\_}3  Japan Association of Mineralogical Sciences 2008年 [査読有り][通常論文]
  • K. Nagashima, K. Tsukamoto, H. Satoh, H. Kobatake, P. Dold
    JOURNAL OF CRYSTAL GROWTH 293 1 193 - 197 2006年07月 [査読無し][通常論文]
     
    Chondrules, small silicate spherules that are a major component of primitive meteorites and which consist mainly Of Mg2SiO4 and MgSiO3, have been synthesized from strongly undercooled (hypercooled) melts. The pathway of nucleation and the importance of heterogeneous nucleation for the formation of chondrules have been identified and demonstrated. Solidification experiments have been performed using a gas jet levitation system. Those results are compared to those of conventional experiments, in which a melt was in contact with sample holders. In the case of levitated melts, homogeneous nucleation required a large degree of supercooling (forsterite-Mg2SiO4: Delta T >= 1000 K) or was not possible at all (enstatite-MgSiO3). In the latter case, only vitrification was observed, even for long experimental cooling times (t > 1000 s). In experiments using sample holders, the holders act as nucleation centers, which do not represent the original conditions of chondrule formation. Experiments under microgravity were also performed. Those results showed that, nucleation is even more suppressed under reduced gravity. Taken together, these results clarify that only a containerless growth arrangement can simulate the formation of chondrules and early cosmic materials. Furthermore, the onset of crystallization was triggered by heterogeneous nucleation, as in that which occurs during the collision with cosmic dust. (c) 2006 Elsevier B.V. All rights reserved.
  • 長嶋剣, 塚本勝男
    日本惑星科学会誌 遊・星・人 12 2 68-74  2003年06月25日 [査読無し][通常論文]
  • 結晶成長実験のための微小重力での溶液注入
    日本マイクログラビティ応用学会誌 20 2 132 - 136 2003年 [査読無し][通常論文]

書籍

  • 北海道大学低温科学研究所 
    丸善出版 2015年10月 (ISBN: 4621089641) 383

その他活動・業績

受賞

  • 2017年08月 エスペック環境研究奨励賞
     
    受賞者: 長嶋 剣
  • 2008年 日本結晶成長学会第6回奨励賞
  • 2007年 第37回結晶成長国内会議講演奨励賞
  • 2004年 毛利ポスターセッション優秀賞
  • 2001年 毛利ポスターセッション最優秀賞

共同研究・競争的資金等の研究課題

  • 多結晶氷の表面融解機構の解明
    日本学術振興会:科学研究費助成事業 基盤研究(B)
    研究期間 : 2019年04月 -2022年03月 
    代表者 : 佐崎 元, 長嶋 剣, 村田 憲一郎
  • 体表脂質による昆虫のコミュニケーション:機械的受容器を用いる新しい機構の提案
    日本学術振興会:科学研究費助成事業 挑戦的研究(萌芽)
    研究期間 : 2018年06月 -2020年03月 
    代表者 : 金子 文俊, 佐崎 元, 長嶋 剣, 片桐 千仭
     
    昆虫のクチクラ最表面部には、体内からの水分の蒸散を抑制するための薄い(0.1-1μm程度)脂質層が存在している。この体表に分布する脂質は外部環境に適応するためのバリア機能以外にも重要な役割があり、昆虫は体表脂質組成の違いを利用し様々な情報交換を行っている。 これまで体表脂質を利用するコミュニケーション機構は、化学受容器で表脂質の化学種の違いを判別して情報収集するプロ セスと推測されてきたが、私たちは触覚上の機械的受容器により、脂質組成の違いに伴う組織構造や物性の変化を検知する別の機構も存在すると予測している。 本年度は、雌雄間で体表脂質の組成が異なるという報告があるクロコオロギに注目して研究を進めた。コオロギの体表脂質の状態を前翅や脚の部分で、赤外ATR法でその場観察した。またヘキサンで抽出し精製した体表脂質試料を利用した赤外スペクトル測定も並行して進めた。これにより雄の体表脂質には確かに、孤立した二重結合をもつ炭化水素が含まれているが、雌の脂質には不飽和炭化水素が含まれていないこと、さらにこの組成の違いを反映して雄の体表脂質の方がコンフォーメーション的により多くの乱れを含んでいることを見いだした。 この体表脂質の組成や構造の違いが体表脂質の機械的な性質に反映されるかを確認するために、原子間力走査顕微鏡を利用して前翅の表面における摩擦力測定を行った。そしてコオロギの雌雄間で、系統的な違いがある可能性があるという結果を得た。現在これを確認する実験の準備を行っている。
  • 地球環境での氷表面疑似液体層の役割:雰囲気ガスと水蒸気量を制御したその場観察実験
    日本学術振興会:科学研究費助成事業 基盤研究(C)
    研究期間 : 2017年04月 -2020年03月 
    代表者 : 長嶋 剣
     
    様々なガス環境における氷表面を高さ分解能に優れたレーザー共焦点微分干渉顕微鏡によって観察し、氷点下にも関わらず氷表面に生じる液体層についての研究を進めている。平成29年度(期間3年の2年目)はHCl、HNO3、CO2ガスの影響について研究を進めた。 (1) HClガスの影響。昨年度を中心に取り組んだ課題のため昨年度の報告書にも内容を記載済みであるが、氷表面の塩酸液滴が氷の成長に伴い氷内部に埋没する現象について追試を行い、国際誌へ論文投稿し受理された。 (2) HNO3ガスの影響。HNO3ガスの有無に関わらず氷表面での液体層の出現温度は-2℃付近と大差なかったが、出現の様子や消失の仕方が異なることがわかってきた。またHClガス存在下で見られる液体層の特徴とも異なり、液体層が激しく動き回ったり埋没したりする様子はHNO3ガス存在下では確認できなかった。また、HNO3ガスの導入方法として、HNO3溶液中を窒素ガスでバブリングさせる手法を新たに考案し、様々なHNO3ガス濃度で実験を行うことが可能となった。これらの点について国際誌への論文投稿を準備している。 (3) CO2ガスの影響。氷表面での液体層の出現温度は他の酸性ガスや窒素ガスとも変わらなかったが、CO2ガスの影響による液体層の出現が見られ-20℃といった低温でも消失せずに存在しつづけることがわかった。この液体層は地球環境と同様の400ppm CO2ガス濃度でも出現することから天然環境においてもCO2ガス誘起による液体層が存在している可能性が高い。今後はこの液体層が天然氷の成長や蒸発に及ぼす影響を調べる。
  • 日本学術振興会:科学研究費助成事業 基盤研究(A)
    研究期間 : 2015年04月 -2018年03月 
    代表者 : 佐崎 元, 長嶋 剣, 村田 憲一郎, 古川 義純, 古川 義純, 猪股 将弘, Chen Jialu
     
    下記の6点を見出した.1) HClガスが存在すると,擬似液体層が存在し得ない温度領域においても,氷上に液体相が生成する.2) HClガス存在下で氷を成長させるとHCl液滴が液体のまま氷中に取り込まれる.3) 氷上のHCl液体相の濡れ角は純水よりも顕著に大きい.4) 二酸化炭素と酸素は擬似液体層の生成に寄与しない.5) 氷表面に存在する液滴状と薄層状の擬似液体層は,バルク水に比べてそれぞれ20倍および200倍流れにくい.また,2種類の擬似液体層は,氷表面での液相の濡れ性が水蒸気圧によって異なることで生成する.6) 氷ベーサル面の単位渦巻ステップの成長カイネティクスは複雑な温度依存性を示す.
  • 日本学術振興会:科学研究費助成事業 基盤研究(B)
    研究期間 : 2014年04月 -2018年03月 
    代表者 : 古川 義純, 佐崎 元, 長嶋 剣, 村田 憲一郎
     
    凍結抑制タンパク質を含む過冷却水中で氷結晶の成長実験を行い、結晶の形態形成や成長速度の濃度、過冷却度、面方位依存性を、新開発の光学顕微鏡を駆使して測定した。 氷のプリズム面に関しては成長速度の抑制効果が再確認されたが、ベーサル面については成長速度が促進されることが明らかになり、このタンパク質の効果は面方位に依存(異方的)することが確かめられた。ベーサル面の成長促進は、成長ステップのエッジに吸着したタンパク質分子が、新たな成長ステップの発生源として作用するためと考えられ、結晶成長に対する新たな不純物効果モデルを提案した。さらに、この異方的効果が生体の凍結抑制機構の本質であることを示した。
  • 日本学術振興会:科学研究費助成事業 若手研究(B)
    研究期間 : 2013年04月 -2016年03月 
    代表者 : 長嶋 剣
     
    氷表面観察のための原子間力顕微鏡(AFM)の改良を行った。ペルチェ素子と水冷機構を備えた自作の観察セルをインキュベータ内に入れ、環境温度と水蒸気量を調節してAFMで単結晶氷表面をスキャンすることに成功した。 しかし、疑似液体層(QLLs)は過飽和水蒸気から凝縮するため平衡環境では現れないことが新たにわかった。過飽和水蒸気中で成長する氷表面上のQLLsをAFM観察するのは困難だったため、干渉計と濡れの理論により2種類のQLLsの厚みを推定した。また、塩化水素ガス存在下でなら平衡環境でQLLsが存在することを発見し、そのような環境であればQLLのAFM観察も安定に可能となることが示唆された。
  • 日本学術振興会:科学研究費助成事業 基盤研究(A)
    研究期間 : 2011年04月 -2015年03月 
    代表者 : 佐崎 元, 古川 義純, 長嶋 剣, 村田 憲一郎, 麻川 明俊, 清田 達央, 猪股 将弘
     
    1)氷結晶ベーサル面上では,ある臨界水蒸気圧以上の高過飽和下でのみ,液滴状および薄層状の2種類の擬似液体層が生成しうることを見出した.また,2)氷中の格子欠陥周囲に形成される歪みが,擬似液体層の生成を顕著に誘起することを見出した.さらに,3)氷結晶のプリズム面および高指数面上においても,ベーサル面と同様の温度領域で,液滴状および薄層状の2種類の擬似液体層が生成することを見出した.以上に加えて,4)氷ベーサル面上での単位ステップの成長は,水蒸気の体積拡散および表面拡散に律速されることを明らかにするとともに,5)ベーサル面上の渦巻ステップは,2重渦巻構造を持つことを見出した.
  • 日本学術振興会:科学研究費助成事業 挑戦的萌芽研究
    研究期間 : 2012年04月 -2014年03月 
    代表者 : 佐崎 元, 古川 義純, 長嶋 剣
     
    気相や溶液からに比べて極めて速い融液からの結晶成長を分子レベルで直接観察することを目指し,位相差顕微法の超高感度化に挑んだ. 対物レンズ後焦点面の輪帯フィルターとリングスリットの幅を,通常の1/4に細くした(対物レンズとリングスリットを新たに作製).これにより,直接光の光量を減じ,回折光の光量を増大させた結果,生物系の標準試料であるヒーラ細胞および水-氷(融液-結晶)界面のコントラストをそれぞれ約2.1倍および1.5倍向上させることに成功した.これらの結果は,直接光の光量を任意に減じるデバイスを今後付加することで,さらにコントラストを向上させることが原理的には可能であることを示す.
  • 日本学術振興会:科学研究費助成事業 若手研究(B)
    研究期間 : 2008年 -2008年 
    代表者 : 長嶋 剣
  • 日本学術振興会:科学研究費助成事業 基盤研究(A)
    研究期間 : 2007年 -2008年 
    代表者 : 塚本 勝男, 中村 智樹, 中本 泰史, 小畠 和秀, 長嶋 剣, 横山 悦郎, 三浦 均, 中村 智樹, 中本 泰史, 小畠 秀和, 長嶋 剣, 横山 悦郎
     
    コンドリュールメルトは徐冷状態で数日~数ヶ月で結晶化すると考えられていた。これに対し、新開発のメルト浮遊実験では、特有のコンドリュール組織の形成には数百度の超過冷却状態が必要で、その結果、数秒の短時間で結晶化が完了しなければならないことを明らかにした。この結果は、天文理論で発展している衝撃波加熱によるコンドリュール形成を強く支持する。同時に天然に近い惑星間塵も作られる環境が実現しうる。
  • 大気中・液中で動作する原子分解能分析顕微鏡
  • AFM
    JST Basic Research Programs (Exploratory Research for Advanced Technology :ERATO)

教育活動情報

主要な担当授業

  • 宇宙物質相転移科学特論
    開講年度 : 2018年
    課程区分 : 修士課程
    開講学部 : 理学院
    キーワード : 氷結晶,雪結晶,結晶成長.相転移,ダイナミクス


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