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Murata Ken-ichiro

Institute of Low Temperature Science　Joint Research DivisionAssociate Professor

Researcher basic information

■ Degree
  • 博士（工学）, 東京大学
■ URL
researchmap URLホームページURL■ Various IDs
Researcher number
  • 60646272
ORCID IDJ-Global ID■ Research Keywords and Fields
Research Keyword
  • Ice
  • Optical Microscopy
  • Surface Melting
  • Crystal Growth
  • 濡れ
  • 相転移ダイナミクス
Research Field
  • Nanotechnology/Materials, Crystal engineering
  • Natural Science, Biophysics, chemical physics and soft matter physics
■ Educational Organization

Career

■ Career
Career
  • Jul. 2026 - Present
    Hokkaido University, Institute of Low Temperature Science, 准教授
  • Apr. 2014 - Jun. 2026
    Hokkaido University, Institute of Low Temperature Science, 助教
  • Dec. 2013 - Mar. 2014
    東京大学, 生産技術研究所, 特任助教
  • Apr. 2012 - Nov. 2013
    The University of Tokyo, Institute of Industrial Science, 特任研究員
  • Apr. 2009 - Mar. 2012
    The University of Tokyo, Institute of Industrial Science, 研究機関研究員
  • Apr. 2007 - Mar. 2009
    日本学術振興会, 特別研究員（DC２）

Research activity information

■ Awards
  • Nov. 2025, 日本結晶成長学会, 日本結晶成長学会第42回論文賞
    氷の融液成長機構の解明
    村田憲一郎
  • Mar. 2020, The Physical Society of Japan, Young Scientist Award of the Physical Society of Japan
    Elucidating the mechanism of surface melting of ice crystals
    Ken-ichiro Murata, Institute of Low Temperature Science, Hokkaido University
  • Nov. 2017, The Japanese Association for Crystal Growth, The 15th JACG Young Researcher Award
    Elucidating the Thermodynamic Origin of Surface Melting on Ice Crystals
    Ken-ichiro Murata
■ Papers
■ Other Activities and Achievements
■ Syllabus
  • 宇宙物質相転移科学特論, 2024年, 修士課程, 理学院
■ Affiliated academic society
  • JAPANESE ASSOCIATION FOR CRYSTAL GROWTH
  • THE PHYSICAL SOCIETY OF JAPAN
■ Research Themes
  • Studies on the correlation between structural changes in the outermost surface layers of ice crystals and their growth kinetics at ultra-high temperatures
    Grants-in-Aid for Scientific Research
    01 Apr. 2023 - 31 Mar. 2026
    佐崎 元; 長嶋 剣; 村田 憲一郎
    令和5(2023)年度には，次の３点の開発および研究を行った．
    １）低温観察チャンバーシステムの作製：-20~0°Cの温度領域で±0.05°Cの温度精度で氷結晶の温度を制御できる観察チャンバーシステム（既に１台現有）を新たに１台作製した．
    ２）極低温観察チャンバーシステムの作製：-140~-20°Cの極めて幅広い温度領域で±0.1°Cの温度精度で氷結晶の温度を制御できる観察チャンバーシステムを全く新たに設計・開発した．
    (1)開発第1号機：ロータリー式真空ポンプによる減圧を利用して液体窒素を送液することで，無酸素銅製のステージを冷却した．また，銅ステージにヒーターを取り付け，液体窒素の送液量とヒーターの加熱量を精密に制御することで温度を制御した．しかし，減圧された配管内部での液体窒素の昇華に伴い，温度が低下し液体窒素が固化する現象が頻発した．これを防ぐために，配管に外部から十分な量の熱が常に伝わる構造とした．その結果，本チャンバーは-90°Cまで温度を下げた状態で，チャンバー内部に約10°Cの温度分布ができてしまうことがわかり，開発を断念した．ステージが外部と比較的多く熱接触していたことが，温度分布発生の原因であると考えられた．
    (2)開発第２号機：そこで，次にステージと外部との接触面積を，力学的な強度が確保できる限りにおいて最小にすることで温度分布の改善を試みた．その結果，温度を-140°Cまで低下させることに成功したとともに，-140°C時におけるステージ内の温度分布を0.8°C以内に抑え，ほぼ均一な温度分布を実現することにも成功した．
    ３）１）２）で作製した両観察チャンバー中で氷結晶を成長させ，氷結晶表面上の単位ステップをレーザー共焦点微分干渉顕微鏡を用いてその場観察することにも成功した．今後，様々な温度領域で単位ステップの形状や成長ダイナミクスを観察・計量する予定である．
    Japan Society for the Promotion of Science, Grant-in-Aid for Scientific Research (B), Hokkaido University, 23K26555
  • Exploring general nature of interfacial melting on ice crystals: in situ approach by optical microscopy
    Grants-in-Aid for Scientific Research
    01 Apr. 2021 - 31 Mar. 2024
    村田 憲一郎
    令和3年度は，主に①正立型レーザー共焦点微分干渉顕微鏡（LCM-DIM）システムの構築とLCM-DIMによる一分子段差の検出，および②全反射照明を組み込んだ氷成長観察チャンバー（正立用）の開発に取り組んだ．以下にその概要を記す．


    ①正立型LCM-DIMの構築後，標準試料として石膏とシリコンカーバイトの結晶表面を観察し，両サンプルにおいて一分子段差（それぞれ，0.76nm，0.5nm）の観察に成功した．当初の計画通り，既存のLCM-DIM（オリンパス社製）と同等の高さ分解能を達成しつつ，時間分解能を上回る性能を得られた．加えて，Zeiss社の独自技術である円偏光微分干渉顕微鏡（C-DIC）の共焦点化にも取り組んだ．通常の微分干渉顕微鏡は，段差コントラストに異方性を持ち，特定方向のコントラストが落ちることが知られている．従来のLCM-DIMにおいても同様の弱点があり，コントラストの弱い単位ステップのダイナミクスをその場観察する上で弊害となり得る．一方，C-DICでは円偏光を用いることで，コントラストの異方性を任意の方向に制御することが可能である．今回の研究により，C-DICの共焦点化に成功し，Åオーダーの高さ分解能を維持しつつコントラストの異方性を任意に調整することが可能となった．


    ②倒立型顕微鏡用にプロトタイプとして作成していた全反射照明系氷成長観察チャンバーを改良し，正立型LCM-DIMで使用できるようにした．これにより，次年度にシングルフォトン検出器を導入次第，直ちに微粒子からのエバネッセント光の散乱を観察できる段階に入った．
    Japan Society for the Promotion of Science, Grant-in-Aid for Scientific Research (B), Hokkaido University, 21H01824
  • Studies on the mechanisms of surface melting of ice polycrystals
    Grants-in-Aid for Scientific Research Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
    01 Apr. 2019 - 31 Mar. 2022
    Sazaki Gen
    We observed the surface melting of polycrystalline ice using an advanced optical microscope, then obtained the following five findings. 1) At temperatures higher than -1.9±0.4 °C, quasi-liquid layers (QLLs) are formed in grooves of grain boundaries. 2) At temperatures higher than -0.7±0.2 °C, QLLs appear on grain surfaces. However, as time elapsed, the QLLs spontaneously disappear within 10 min. 3) At temperatures higher than -0.2 °C, large amount of QLLs appear from grooves of grain boundaries and fully cover grain surfaces. 4) QLLs on grain surfaces show better wettability than those on ice single crystal surfaces. 5) When small amount of NaCl is added, QLLs appear even at -11 °C.
    Japan Society for the Promotion of Science, Grant-in-Aid for Scientific Research (B), Hokkaido University, 19H02611
  • Hierarchical dynamics of crystal-melt interfaces
    Grants-in-Aid for Scientific Research Grant-in-Aid for Young Scientists (A)
    01 Apr. 2016 - 31 Mar. 2019
    Ken-ichiro Murata
    We have made in situ observations of ice-water interfaces with laser confocal microscopy combined with differential interference microscopy (LCM-DIM), whose resolution in the height direction reaches the order of an angstrom. We have demonstrated the microscopic structure of these interfaces and the hierarchical dynamics of ice interfaces during the melt growth. Specifically, we have revealed that there exist elementary (mono-molecular) steps even in supercooled water and these elementary steps often exhibit the bunching instability on the vicinal basal face, depending on experimental conditions.


    In addition, with the aid of LCM-DIM, we have made direct observations of the formation of quasi liquid layers (QLLs) on ice surfaces, which allows us to elucidate a thermodynamic origin of surface melting of ice crystals. We also succeeded in making in situ observations of the perfect spiral growth during the vapor growth of ice.
    Japan Society for the Promotion of Science, Grant-in-Aid for Young Scientists (A), Hokkaido University, 16H05979
  • Visualization of chemical reactions on crystal surfaces: the elucidation of adsorption/melting reactions of acid gases on ice crystal surfaces
    Grants-in-Aid for Scientific Research Grant-in-Aid for Scientific Research (A)
    01 Apr. 2015 - 31 Mar. 2018
    Sazaki Gen; FURUKAWA YOSHINORI; INOMATA MASAHIRO; CHEN JIALU
    We obtained following six findings. 1) HCl gas induces the formation of droplets of HCl aqueous solution on ice crystal surfaces in the temperature range, in which no quasi-liquid layer (QLL) appear in the absence of HCl gas. 2) The HCl-solution droplets are incorporated into ice crystals as liquid inclusions when we grow ice crystals in the presence of HCl gas. 3) An wetting angle of the HCl-solution droplets on ice crystal surfaces is significantly larger than that of pure water. 4) Carbon dioxide and oxygen gasses do not induce the formation of liquid droplets on ice crystal surfaces. 5) Droplet and thin-layer types QLLs are 20-times and 200-times less fluidic than bulk water. The droplet and thin-layer types QLLs are formed by changes in the wettability of liquid water on ice crystal surfaces with changes in water vapor pressure. 6) The growth kinetics of elementary spiral steps on ice basal faces shows complicated temperature dependence.
    Japan Society for the Promotion of Science, Grant-in-Aid for Scientific Research (A), Hokkaido University, 15H02016
  • Anisotropic function of antifreeze protein for ice crystal growth - To elucidate growth promotion and inhibition mechanism
    Grants-in-Aid for Scientific Research Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
    01 Apr. 2014 - 31 Mar. 2018
    FURUKAWA Yoshinori
    Growth experiments of an ice crystal in a supercooled solution of antifreeze protein were carried out and separately measured the growth rates for the basal and prism faces. We clarified that the growth of basal faces was enhanced by the effect of antifreeze protein, while the growth of prism faces was suppressed. It means that the effects of antifreeze proteins for ice crystal growth were different for every crystallographic faces.
    The growth promotion of basal face was explained by a new model that the adsorbed antifreeze protein molecules on the edges of growth steps may work as the new sources to generate new growth steps on the basal faces. We clarified that the mechanism for the freezing inhibition of living organisms under the sub-zero temperature environments was compatibly explained on the basis of the anisotropic functions of antifreeze proteins for ice crystal growth.
    Japan Society for the Promotion of Science, Grant-in-Aid for Scientific Research (B), Hokkaido University, 26287095
  • A competition between phase transition dynamics and the nonlinear rheology in granular matter
    Grants-in-Aid for Scientific Research Grant-in-Aid for Young Scientists (B)
    01 Apr. 2013 - 31 Mar. 2015
    MURATA Ken-ichiro
    We have experimentally investigated a dynamic competition between the strongly non-equilibrium state associated with phase transitions and instabilities, and the nonlinear rheology of granular matter. In this study, using dewetting (one of the interfacial instabilities) of the thin film of wet foam as an example, we performed real-space and -time observations of the ordering process ranging from the birth of the instability involving one particle motion to macroscopic coarsening in the late stage. We found a new scaling law in the ordering dynamics of the instability, focusing on the violation of the conventional scaling law in usual viscous fluids due to the nonlinear rheology of wet foam.
    Japan Society for the Promotion of Science, Grant-in-Aid for Young Scientists (B), 25800234
  • Studies on the dynamic behavior of quasi-liquid layers on ice crystal surfaces by advanced optical microscopy
    Grants-in-Aid for Scientific Research Grant-in-Aid for Scientific Research (A)
    01 Apr. 2011 - 31 Mar. 2015
    SAZAKI GEN; FURUKAWA Yoshinori; NAGASHIMA Ken; MURATA Ken-ichiro; ASAKAWA Harutoshi; KIYOTA Tatsuo; INOMATA Masahiro
    We first devised an observation chamber in which temperature of sample ice crystals and supersaturation of water vapor can be controlled separately. Then we obtained the following five findings. 1) Only under supersaturated condition (higher than a critical value), two types of quasi-liquid layer (QLL) phases with drop and thin-layer shapes are formed on ice basal faces. 2) Strain formed around lattice defects in ice crystals significantly induces the formation of the two QLL phases. 3) On prism and other high-index faces, the two QLL phases with the drop and thin-layer shapes are also formed in the temperature ranges similar to those on basal faces. 4) Volume diffusion (in a bulk gas phase) and surface diffusion (on basal faces) of water vapor molecules govern the lateral advancement rate of elementary steps on ice basal faces. 5) On basal faces, spiral steps formed by screw dislocations exhibit a double-spiral structure because of a crystallographic requirement.
    Japan Society for the Promotion of Science, Grant-in-Aid for Scientific Research (A), Hokkaido University, 23246001
  • 単成分液体における液体・液体相転移の外場制御
    科学研究費助成事業 特別研究員奨励費
    2007 - 2008
    村田 憲一郎
    液体・液体転移とは、単一成分液体が別の液相に一次転移する現象であり、液体の本質に関わる現象として極めて重要である。しかし、それらの転移点が高温・高圧、もしくは結晶化に対する絶対不安定領域に存在するという困難な実験条件のため、実験事実を基にした本格的なアプローチは殆どなされていなかった。我々の研究グループは常温・常圧下に液体・液体転移が存在する亜リン酸トリフェニル(以下TPP)、n-butanolを発見し、昨年度はその微視的機構を中心に研究を進めてきた。この現象の基礎学術的な重要性もさることながら、二つの液相間で物理的・化学的性質(屈折率、誘電率、粘性、濡れ性、異種物質に対する相溶性など)が異なることから、液体の新たな物性制御法としても極めて重要であるといえる。そこで本年度は、表面効果やレーザー光を用いて、液体・液体転移を時間的・空間的に制御することを目的として研究を行った。そこで、初めにこの転移における濡れの影響について検証した。我々は液体IIの濡れ性を表面物質を選択することで制御し、今まで観察されなかった転移キネティクスを見出すことに成功した。更に、この液体IIの濡れ性に付随して、基板表面におけるメゾスコピックスケールでのモルフォロジーの変化が、この転移のキネティクスを時間的・空間的に大きく変更されることも見出した。また、レーザー光により発生する電歪効果を用いて液体・液体転移を誘起し、レーザー光の高い空間分解能を生かして、液体IIのマイクロメートルスケールでのパターン制御にも成功している。本研究テーマは、液体・液体転移を表面効果やレーザー光を用いて直接制御することにより、同じ物質でありながらその物性を時間的・空間的に大きく変えるという画期的な試みであり、基礎・応用の両面で極めて大きなインパクトがあると考えている。
    日本学術振興会, 特別研究員奨励費, 東京大学, 07J03498