Research Themes

• 生物による炭酸塩形成プロセスの素過程への分解
  科学研究費助成事業
  01 Apr. 2025 - 31 Mar. 2028
  奥村 大河, 川野 潤, 荒木 優希, 山崎 智也
  日本学術振興会, 学術変革領域研究(B), 早稲田大学, 25H01448
• 炭素循環におけるバイオミネラリゼーションの役割の解明
  科学研究費助成事業
  01 Apr. 2023 - 31 Mar. 2027
  鈴木 道生, 安元 剛, 長井 裕季子, 豊福 高志, 川野 潤, 竹内 猛
  日本学術振興会, 基盤研究(A), 東京大学, 23H00339
• Paradigm shift in the method for observing non-equilibrium processes in real space: Elucidation of nucleation processes from solution by TEM
  Grants-in-Aid for Scientific Research Grant-in-Aid for Scientific Research (S)
  31 Aug. 2020 - 31 Mar. 2025
  木村 勇気, 瀧川 一学, 川野 潤, 田中 今日子
  本研究課題は、水溶液からの核生成の透過型電子顕微鏡“その場”観察実験を軸に、水和層の役割を理解するために、水和層の無い気相からの核生成実験などを対照実験として実施する。水溶液からの核生成の透過型電子顕微鏡“その場”観察実験では、溶液試料を観察できる3つの手法（窓板ホルダー、溶液セル、グラフェン膜）から、核生成のその場観察に最も適した手法として初年度に選定を行った窓板ホルダーを用いて、機械学習による核生成の予測に必須の教師データの取得を行った。その結果、低電子線画像と高電子線画像をそれぞれ1,000枚取得して教師画像セットを準備することで低電子線量で得た暗い像を電子線量にして1万倍程度明るくすることに成功した。さらに、溶液から核生成する粒子を早期に検出することにも成功した。また、電子線が溶媒である水を放射性分解することで、結晶化条件が変化してしまうことをできるだけ避けるために、電子線をパルス化するシステムを導入した。テスト試料としてステアリン酸結晶の電子線損傷を調べた結果、照射時間が10%になるようにパルス幅を調整した所、結晶の寿命は10倍以上に延びる結果が得られており、想定以上に効果があることが分かった。
  溶液からの核生成では、水和層が重要な役割を果たしていると考えられている。そこで、初年度に引き続き、水和層のない気相からの核生成実験を行い、その過程を干渉計でその場観察して核生成時の温度、圧力と過飽和度増加の時間スケールから核生成理論式に必須の物理量を炭素、チタン、炭化チタンに対して求めて論文を投稿した。
  Japan Society for the Promotion of Science, Grant-in-Aid for Scientific Research (S), Hokkaido University, 20H05657
• pH/イオン濃度分布の可視化が拓く新たな固液界面反応評価
  科学研究費助成事業 挑戦的研究(萌芽)
  09 Jul. 2021 - 31 Mar. 2023
  川野 潤
  本研究は、研究代表者が近年開発した、反応界面における局所的なpHおよびCaイオン濃度変化を蛍光プローブを用いて可視化する技術を、多様な材料に適用できるように高精度化・汎用化することを目的としている。2022年度においては、以下について研究を進め、成果を得ている。
  [1]ゲル内二重拡散法によって合成される炭酸カルシウムについて、形成環境のpHの可視化に成功した。ゲル全体のpH変化を可視化した結果、多形によって形成環境のpHの変化の傾向が異なることが明らかになった。さらにレーザー共焦点顕微鏡を用いた詳細な観察により、カルサイト成長時の結晶近傍のpHに局所的な不均一が生じることを初めて確認した。しかし、アラゴナイト形成場の近傍にはこのような傾向は観察されず、このような形成場の局所的な環境の違いも多形形成に影響を与えている可能性が示唆された。
  [2]従来までに観察可能であることが示されている炭酸カルシウム以外の材料についての適用を進めた。特に、リン酸カルシウム系の材料について、溶解時のpH変化およびCaイオン濃度分布の変化を可視化したところ、アパタイトやリン酸八カルシウムなど、物質によって異なる傾向を示すことが観察された。さらに、同じ物質であっても、Naが含有しているものは、含有していないものとは大きく異なるpH変化の傾向を示すことが明らかになった。このことは、生体材料としてリン酸カルシウムを用いたり、生体内でのリン酸カルシウムの形成過程を理解する際の指針となる。
  日本学術振興会, 挑戦的研究(萌芽), 北海道大学, 21K18798
• 真珠の質を決定する真珠層の炭酸カルシウム結晶の厚みの調整機構の解明
  科学研究費補助金（基盤研究(B))
  2019 - 2022
  鈴木 道生
  文部科学省, Competitive research funding
• Discovery of key factors in nucleation processes from aqueous solution by direct TEM observation
  Grants-in-Aid for Scientific Research
  01 Apr. 2020 - 31 Mar. 2021
  木村 勇気, 瀧川 一学, 川野 潤, 田中 今日子
  核生成は物質形成の最初期のプロセスであり、科学から産業に至る様々な分野の鍵となるにもかかわらず、その理解は極めて限定的である。これは、核生成がナノ領域で高速に、かつ確率的におこる現象で実空間観察が非常に困難なためである。
  本研究では、「安定核の生成までに何が起こっているのか？」、「安定核の生成ルートはどのように決まるのか？」を核心をなす問いに据え、溶液中の核生成に影響する各因子の寄与の程度と物質依存性を明らかにし、核生成ルートを決めるキーファクターに制限を加えることを目的に研究を行った。キーファクターは、核生成理論式に必須の“核と水の界面エネルギー”とカイネティック係数(分子の取り込まれやすさ)、ダイマーの形成、脱水和や粘性、界面近傍のpHやイオン濃度、ナノ粒子特有の物性などである。
  TEM観察では、結晶の成長速度、形、集合、配列、サイズなどを直接観察でき、加えて電子回折パターンで相同定も同時に行えるため、核生成の理解に対して飛躍的な成果が見込める。そのため、目的の達成には溶液から前駆体を経て結晶ができるまでの核生成過程の一部始終をTEMにより実空間で可視化するのが最も近道であると考えている。本研究課題の間には、TEM観察するうえでボトルネックとなっている、確率的な核生成現象を偶然に頼って観察している状況に対し、機械学習を取り入れることで核生成の時間と場所を予測して能動的に核生成の一部始終をTEM観察するという革新的な手法の構築に取り組んだ。その結果、人間の眼で判断するよりも早く核生成を捉えることに成功した。この研究は基盤研究（S）に発展的内容で引き継がれた。
  Japan Society for the Promotion of Science, Grant-in-Aid for Scientific Research (A), Hokkaido University, 20H00323
• 生体内石灰化におけるvital effectの物理化学的考察
  科学研究費補助金（基盤研究(B))
  2019 - 2021
  川野 潤
  文部科学省, Principal investigator, Competitive research funding
• 核生成
  科学研究費補助金(基盤研究(Ｓ))
  2015 - 2019
  木村勇気
  文部科学省, Competitive research funding
• Formation of ices and organic molecules in interstellar molecular clouds
  Grants-in-Aid for Scientific Research
  28 Jun. 2013 - 31 Mar. 2018
  KOUCHI Akira, KAWANO Jun
  To understand the formation and evolution mechanism of molecules in interstellar molecular clouds, we have performed experiments on surface atomic reactions and photochemical reactions. In surface atomic reaction experiments, we have clarified formation and H/D fractionation mechanism of important molecules and succeeded to draw general description of quantum tunneling reactions. Furthermore, we observed surface structure of amorphous ice by atomic force microscope and showed that water molecule formed at 10 K shows a statistical high-temperature ortho/para ratio of 3, invalidating the assumed relation between ortho/para ratio and temperature. In photochemical reaction experiments, we observed organic refractory residue by some microscopes and found singular texture which was found in interplanetary dusts and some primitive meteorites. We also found that UV-irradiated amorphous ices behave like liquid at temperatures between 50 and 150 K.
  Japan Society for the Promotion of Science, Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area), Hokkaido University, 25108002
• Impurity effect on the polymorph selection during the early stages of calcium carbonate formation
  Grants-in-Aid for Scientific Research
  2014 - 2016
  KAWANO JUN
  Formation process of aragonite, high-pressures polymorph of calcium carbonate, has been extensively investigated for long time because it is one of the most important biominerals. In the present study, we focused on the effect of magnesium (Mg) on the polymorph selection during the early stages of calcium carbonate formation, and theoretically derived the stable structures of anhydrous additive-free and Mg-containing calcium carbonate clusters based on quantum chemical calculations. Results show the incorporation of Mg into clusters can change stable configuration of clusters, and that the stable structure of Mg-containing tetramer resembles aragonite structure in the stacking manner of carbonate ions. These results indicate that Mg can directly promote aragonite formation in the early stages of calcium carbonate formation, once it is released from its tight hydration shell. Therefore, it can be possible that the dehydration of Mg is a key process for the polymorph selection.
  Japan Society for the Promotion of Science, Grant-in-Aid for Young Scientists (B), Hokkaido University, Principal investigator, Competitive research funding, 26870010
• Vapor Growth of Forsterite in Protoplanetary Disks: Anisotropy and Its Application to Astromineralogy
  Grants-in-Aid for Scientific Research
  2013 - 2015
  Tachibana Shogo, Akira Miyake, Naoya Sakamoto, Jun Kawano
  Vapor growth experiments on forsterite, a major silicate mineral in space, were conducted under controlled protoplanetary disk conditions in order to understand its vapor growth kinetics. The growth experiments of forsterite at 1350 K in the presence of hydrogen gas (5 Pa) containing H2O (H2O/H2=0.05) were done at the supersaturation ratio of 15-20, and we found that the condensation coefficient of forsterite, a non-dimension parameter representing kinetic hindrance for vapor growth, is in the range of 0.003-0.006.
  Japan Society for the Promotion of Science, Grant-in-Aid for Scientific Research (B), Hokkaido University, Coinvestigator not use grants, Competitive research funding, 25287140
• Formation Process of Calcium Carbonate Polymorphs　　　　　　　　　　　　　　　
  Competitive research funding