惑星ラボからこんにちは！ その10 〜北海道大学・低温科学研究所 宇宙物質科学・低温ナノ物質科学グループ〜／木村193

惑星ラボからこんにちは！ その10〜北海道大学・低温科学研究所
宇宙物質科学・低温ナノ物質科学グループ〜
木村 勇気1

1. 宇宙物質科学・低温ナノ物質科学グループについてやすく，多分野の研究者から異なる視点のコメント

北海道大学内には，宇宙理学専攻や地球惑星科が少ないという寂しさを感じる学生もいるようです．

をもらったり，議論したりすることができるなどのメリットがあります．逆に，苦楽を分かち合える同年代学専攻にも日本惑星科学会の会員が多く在籍してい当グループの研究目標は，氷表面や界面の構造とますが，ここでは低温科学研究所の二つの惑星ラボ

物理化学的特 性，宇宙の低温環境における種々のからなるグループを紹介します．当グループは，2023

物理過程，低温凝縮物質の物理化学特性を実験的

年に宇宙雪氷・宇宙物質科学グループから，宇宙物に明らかにすることを中心に，小惑星リターンサンプ

質科学・低温ナノ物質科学グループへと移行し，新しル（Ry ug u，B ennu）や炭素質隕石の磁場や有機物

いサイエンスも展開しています．の分析など，幅広く研究を展開しています．次の章で当グループの教員メンバーは，渡部直樹（星間化学，原子分子物理学，表面科学），木村勇気（結晶成長，ナノ領域科学，宇宙鉱物学），大場康弘（宇宙地球化学），山﨑智也（結晶成長，ナノ領域科学，電子は，その一端を紹介します．

2. 研究紹介顕微鏡），日高宏（星間化学，表面化学，原子分子物

我々は，宇宙空間や地球・惑星大気で生じる原子・理学），柘植雅士（物理化学，表面化学，星間化学）

分子～ナノスケールのミクロな物理・化学現象素過程の6 名です．その出身は物理，化学，地学と幅広く，を様々な実験手法で研究しています．特に，宇宙空括弧内の専門分野からも多分野にわたる研究者か間の低温領域や地球高層大気に存在するH 2 O固体ら構成されていることが分かります．ここに，ポスド（氷）微粒子に着目し，そこで起こりうる物理・化学プ

ク，サポートスタッフ，学生を加えて，今年のメンバーロセスを中心に調べています．

は計16 名です．

氷微 粒子は地球のみならず広く宇宙に遍在してお我々教員は理学院の宇宙理学 専攻にも所属してり，その表面では地球惑星科学的に重要な様々な化います．学部には所属がありませんので，当グルー学・物理プロセスが生じています．なかでも，星・惑星プでは学部生は配属されません．そのため，学生の誕生以前の極低温領域（分子雲：T ～10 K）に存在ほとんどが学外からきています．このような背景によするアモルファス氷微粒子（氷星間塵）表面では，極り，当グループは，教員，ポスドク，学生の順で人数

低温特有の原子トンネル反応が宇宙の始原分子（H 2 ,が少なくなっていくという特徴があります．おそらく，H 2 O, C O 2 ）や有機分子の生成・進化・同位体分別に一般的な大学の研究室とは逆の人員構成になってい極めて重要な役割を果たしていると考えられていまます．この構成は，学生にとっては研究指導が受けす．また，原子トンネル反応などの，光やイオンが介

1.北海道大学低温科学研究所
ykimura@lowtem.hokudai.ac.jp

在しない（非 energet ic）極低温氷表面での反応は，化学・物理の分野でも研究例は限られており，広い194

日本惑星科学会誌Vol. 33, No. 2, 2024

図1：表面反応実験装置の例．それぞれ特徴が異なる装置が9台あります．

分野に跨るフロンティアな課題として，当グループが構造を知ることができるため，液滴や準安定相を経世界を牽引しています．表面科学的な実験手法を用由するなど，多様な核生成過程に迫ることができていて氷表面での反応を包括的に調べたり，電子顕微います．また，宇宙物質の生成過程を理解するには鏡や走査顕微鏡を用いてナノメートルサイズの微粒子宇宙で実験する必要があると考え，航空機やロケッ（宇宙塵など）の生成過程や氷の表面構造・内部構造トを使った微小重力実験も行っています．などを調べたりすることを通して，その地球惑星科学，および天文学の諸課題を解決することを目指しています．

・特徴的な顕微鏡装置
当グループには，他にはない特徴的な顕微鏡が 3

新しいサイエンスを切り拓くには，新しい実 験装台あり（図2），4台目を構築中です．超高真空極低温置が欠かせません．当グループでは，独自の実験装

透過電子顕微 鏡は，極低温 基 板 上に氷を制御して置を立ち上げて研究を行ってきています．そこで，以作り，紫外線を当てたり，H 2 O 氷を基板としてその上下に主要な実験装置を取り上げることで，研究を紹にC Oなどの他の分子氷を作ったりすることで，分子介したいと思います．

雲内での氷粒子の形成過程を明らかにしてきています．フルイド反応透過電子顕微鏡は，水溶液中の反応を加熱，冷却，光照射条件下で観察することがで・表面反応実験装置
表面反応実験は図1に示すような超高真空実験装−8置を用いて行われます．装置内は10 –10−6

き，小惑星内で起こる水質変質や結晶化の過程をナPa程度

ノスケールでその場観察しています．超高真空極低の超高真空に保たれ，冷凍機によって10 K 程度ま

温原子間力顕微鏡は，これまで想像することしかでで冷却 可能な基 板 が 中心に設 置されています．基きなかった，分子雲内の宇宙塵の上に形成する氷の板上にはH 2 O 等のガスを蒸着し，試料固体を作製し形態に迫っています．最近は，これら3台の顕微鏡とます．試料には原子線，紫外線などが照射出来るよ

比べて高温高圧環境を作ることができる，低真空低うになっています．試 料固体はフーリエ変換型赤外温走査電子顕微鏡を構築し始めています．

分光光度計によってその場観測され，真空中に脱離してきた分 子は四重極質量分析計や波長可変レーザーによって分析されます．

3. 教育と研究テーマ
大学院生には当グループが行っているいくつかの・宇宙塵模擬物質生成装置

研究テーマの中から，興味のあるものを選択しても宇宙塵と同様にガスからナノ粒子を生成すること

らい，スタッフと協力して実験を進めてもらいます．

ができる実 験 装置を作って，その生 成過程をレー

実験は超高真空，極低温，電子顕微鏡，原子間力

ザー干渉計や赤外線を用いて調べています．干渉計

顕微鏡などの最新の技術を用いて行いますが，実験

ではナノ粒子が生成する際の原子や分 子の付着確

初心者の方も，大学院修了時までに最先端の実 験率と表面自由エネルギーを決定でき，赤外線で結晶技術を習得できるように指導します．入学時には P C

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図2：当グループが構築した3台の特徴的な顕微鏡：（ 左）
超高真空極低温透過電子顕微鏡，（中）
フルイド反応透過電子顕微鏡，（右）超高真空極
低温原子間力顕微鏡．

を含め，特別な技術は要求しません．大学 4 年次でた後は，問題のない範囲で自由な時間に実験ができ理論系の研究室に所属していても，実験が好きであるようになります．現在は，平均すると2 週に1回程れば問題ありません．宇宙における原子分子レベル

度，実験の進捗や関連分野の最新の論文を紹介すのミクロな物理・化学プロセスに興味のある方，星間るセミナーを行っています．

空間や太陽系における化学進化に関する実験をした
い方，氷ナノ粒子やその固体表面における化学・物理研究室ウェブページ：素過程に興味がある方など，出身学科によらず歓迎

htt ps : //w w w2. low tem . hokuda i . ac .jp/a st ro/

いたします．
初めの数ヶ月はスタッフの指導のもと実 験に慣れ

連絡先： yk i mu ra@low tem . hokuda i . ac .jpてもらいます．独力で装置の運転ができるようになっ

著者紹介
木村 勇気
北海道大学低温科学 研究所 教学院理学研究科地学専攻助教，北海道大学低温科授．立命 館大学理工学 研究科物学 研究所准教授などを経て，2023 年3月より現職．

質 理 工学 専 攻 博 士 後 期 課 程 修

専門は，ナノ領域科学・結晶成長学．日本物理学会，了．博士（理学）．学術振興会海外

日本結晶成長学会，日本顕微鏡学会，日本惑星科学

特 別 研 究 員として NA SAゴダー会などに所属．国際結晶学連合代議員，日本結晶成ド宇宙飛行センター，東北大学大長学会理事などを務める．