Researchers ｢中性子で地球・惑星深部を探る｣  

研究室の扉「地球超深部と大気の共進化」

研究室の扉「新しい種類の氷 (氷XIX)を発見」

Iizuka-Oku R., Gotou H., Shito C., Fukuyama K., Mori Y., Hattori T., Sano-Furukawa A., Funakoshi K., and Kagi H. (2021) Behavior of light elements in iron-silicate-water-sulfur system during early Earth’s evolution. Scientific Reports, 11, 12632 

客員共同研究員（研究当時 特任助教）の飯塚さんの論文がScientific Reportsに出版されました。ケイ酸塩・硫黄・鉄・水の共存する地球形成初期を模擬した条件でJ-PARCにおける高温高圧中性子回折実験を行った結果、硫化鉄には水素は取り込まれず、また残った純鉄も水素化されにくくなることを示しました。

含水鉱物を含まないような系で行われた先行研究では、水素化したFeSができることが報告されていましたが、含水鉱物を系に含む今回の実験では、FeSは水素化せず、代わりに硫黄の含まれない水素化鉄が生成しました。水素化鉄と硫化鉄が共存すると、系の融点が大きく低下し、他の系元素の取り込みに有意な影響を与える可能性があります。このように、複数の軽元素が共存するような系で鉄の水素化反応を考えることはとても重要であると考えています。

New paper on hydrogenation of iron-silicate-water-sulfur system

硫黄共存下の鉄水素化の論文が出版

A paper first-authored by Mr Mori, a MSc student in our group, is now available on Journal of Mineralogical and Petrological Sciences. In this study, we investigated deuterium occupancy in Si-doped hcp-Fe system.

Mori Y., Kagi H., Kakizawa S., Komatsu K., Shito C., Iizuka-Oku R., Aoki K., Hattori T., Sano-Furukawa A., Funakoshi K., and Siaitoh H. (2021) Neutron diffraction study of hydrogen site occupancy in Fe0.95Si0.05 at 14.7 GPa and 800 K. 

Journal of Mineralogical and Petrological Sciences

M2(論文発表時)の森悠一郞さんを中心とし、高温高圧中性子回折を用いて、ケイ素が共存する条件下で鉄の水素化を調べた論文が出版されました。

ケイ素を含む鉄を水素化させたときに、水素が結晶のどのサイトに取り込まれるのか、粉末中性子回折法を用いて詳細に調べました。

この論文で高温高圧下中性子回折実験における最高圧力を更新しました。広島大、JAERI、量研機構との共同研究です。（本論文は日本鉱物科学会論文賞を受賞しました。）

New paper: structure of Si-doped iron hydride investigated by neutron diffraction

Siをドープした鉄水素化物の論文を出版

A paper on a project directed by Dr. Yamane, an alumnus of our group, is published on Nature Communications. In the paper, we reported the experimental evidence for the second hydrogen-ordered phase of ice. With the crystallographic evidence we reported here, a Roman numeral of "XIX" is now assigned to the new phase.

The presence of a new phase has been proposed since 2018, but no scientists have reported firm experimental results showing the existence of the phase before this work. Experiments using the in-situ dielectric measurement system developed by Dr. Yamane revealed that the phase transition boundary of ice VI when cooled has a bend as shown below. Furthermore, our neutron diffraction results firmly show that ice XIX has a different crystal structure from all other previously reported ice phases.

Yamane R., Komatsu K., Gouchi J., Uwatoko Y., Machida S., Hattori T., Ito H. and Kagi H. (2021) Experimental evidence for the existence of a second partially-ordered phase of ice VI, Nat. Commun., 12, 1129. 

卒業生の山根さんを中心に、中性子回折と誘電率測定を組み合わせて新しい氷の多形を発見した論文が Nature Communications 誌に出版されました。今回の論文の結晶学的証拠を以って、この新しい氷の相に XIX というローマ数字が付番され、以降は氷XIXと呼ばれることになります。

氷XIXは、氷VIの2番目の水素部分秩序相であり、2018年ごろから存在が示唆されていましたが、決定的な証拠が得られず、論争が続いていました。山根さんの開発した高圧下その場誘電率測定装置を利用した実験により、氷VIを冷却したときの相転移境界に、下図に示すような折れ曲がりがあることが明らかになりました。また、その場中性子回折プロファイルに、既存の氷の相では説明がつかないピークが顕れ、氷XIXがこれまでに知られていなかった結晶構造を持つことを証明しました。これらの実験結果はたしかに氷XIXが存在することを示しており、3年に及ぶ論争を決着させました。

 もありますのでご覧ください。

New paper on a new phase of ice: ice XIX

氷XIXの論文が出版

We published a new paper reporting the compressibility of Mg(OH)F.

He X., Kagi H., Komatsu K., and Nakano S. (2021), Compressibility and blue-shifting O–H stretching bands of magnesium hydroxyfluoride Mg(OH)F up to 20 ​GPa, J. Solid State Chem., 303, 122449, 

D1のHeさんを筆頭著者とする、Mg(OH)Fの圧縮挙動を調べた論文です。

フッ素が含水鉱物のOHを置換することによって、構造の変化が生じます。今後もこうしたフッ素の影響を、他の鉱物の系などで引き続き調べていく計画です。

New paper on the compressibility of Mg(OH)F

Mg(OH)Fの論文が出版

A paper first-authored by He Xuejing, a second-year PhD student, is now published in Physics and Chemistry of Minerals. From high-pressure and high-temperature vibrational spectroscopy, we show that silicon-rich phengite potentially carries water deeper in subduction zones.

He X., Zhang L., Kagi H., Smyth J.R., Komatsu K., Li X., Gao J., and Lei L. (2022) In-situ high-pressure and high-temprature spectroscopic studies of phengite in ultrahigh-pressure eclogite: Implication for water transport during ultra-deep continental subduction. Physics and Chemistry of Minerals, 49, 24. 

博士課程2年のHe Xuejingさんを筆頭著者とする論文がPhysics and Chemistry of Mineralsに出版されました。フェンジャイトという鉱物の高圧･高温下での振動スペクトルから、ケイ素に富むフェンジャイトは沈み込み帯でより深くまで水を運ぶ可能性を示しました。中国、アメリカの研究者との共同研究です。

New paper on high-pressure experiments of phengite

フェンジャイトの高圧実験の論文が出版

Mr. Hayate ito (D1) got a poster prize in the 2022 CrSJ (the Crystallographic Society of Japan) meeting held at Kwansei Gakuin University. Congratulations!

2022/11/26-27に関西学院大学で開催された令和4年(2022年)度 日本結晶学会において、D1の伊藤颯さんがポスター賞を受賞しました。おめでとうございます。

CrSJ poster prize for Hayate Ito (D1)

伊藤さん(D1)が日本結晶学会でポスター賞を受賞

A review article on high-pressure neutron diffraction experiments and ice polymorphs authored by Associate Professor Kazuki Komatsu has been published in Crystallography Reviews. At least 20 polymorphs exist in ice, and most of the polymorphs discovered since the beginning of this century have been identified by high-pressure neutron diffraction experiments. Recent progress on ice polymorph's studies is inseparable from the progress of high-pressure neutron diffraction techniques, which have made remarkable progress in recent years.

Komatsu K. (2022) Neutrons meet ice polymorphs. Crystallography Reviews, 

2.	Recent developments for high-P neutron diffraction

2.1.	Pressure–temperature variable ‘Mito system'

2.1.1.	Concept and the origin of the name

2.1.3.	The Mito system with cryostat for lower temperature

2.2.	Diamond anvil cells for very high-P experiments

2.3.	High-P cells for single-crystal neutron diffraction

2.4.3.	Cell assembly for neutron diffraction under high-P and high-E

3.	Overview of the phase diagram and classifications

3.4.	Graph representation of ice structures

4.7.1.	Anomalies in ice VII at 10–15 GPa

4.7.3.	Hydrogen-bond symmetrisation in ice X

小松一生准教授が執筆した高圧下中性子回折実験と氷多形の研究に関する総説がCrystallography Reviews誌から出版されました。高圧下中性子回折技術の進歩と氷研究の進展は切っても切り離せない関係にあります。近年著しい進展のある両分野の関係が一望できる総説となっています。

氷には少なくとも20種類もの多形の存在が知られていますが、今世紀に入ってから発見された氷多形のほとんどは高圧下中性子回折実験によって、その結晶構造が同定されています。

総説中では、まず小松准教授自身が開発してきた低温高圧装置 Mito system を中心とした技術開発の流れがまとめられており、次にこれまで報告された全ての氷多形に関する研究が、結晶学を中心とする視点からひとつずつ解説されています。

New review on neutron diifraction and ice polymorphs

中性子回折と氷多形に関する総説が出版されました

Marugata S., Kagi H., Ijichi Y., Komatsu K., Xue X., and Sugiyama K. (2022) Experimental evidence of static disorder of carbonate ions in Ba-doped calcite. Journal of Solid State Chemistry, 312, 123258. 

3月に修士課程を修了した丸形 詩歩さんを筆頭著者とする論文がJournal of Solid State Chemistryに出版されました。カルサイト（炭酸カルシウムの結晶）にカルシウムより大きいバリウムイオンを取り込ませ、その構造を様々な実験手法を組み合わせて明らかにしました。岡山大惑星物質研、東北大金研との共同研究です。

New publication on structure of Ba-doped calcite

Baをドープしたカルサイトの構造に関する論文が出版

博士課程1年の森悠一郞さんによる｢学生の声｣が地球惑星科学専攻のホームページに掲載されました。

森さんの「学生の声」が地球惑星科学専攻のページに掲載

D1の森悠一郞さんを筆頭著者として出版した、FeSi合金への高温高圧下での水素取り込みを中性子回折で観察した仕事が、日本鉱物科学会の論文賞をいただくことになりました。森さん、おめでとうございます。

Mori Y., Kagi H., Kakizawa S., Komatsu K., Shito C., Iizuka-Oku R., Aoki K., Hattori T., Sano-Furukawa A., Funakoshi K., and Saitoh H. (2021) Neutron diffraction study of hydrogen site occupancy in Fe0.95Si0.05 at 14.7 GPa and 800 K. 

森さん 日本鉱物科学会 論文賞

Shito C., Kagi H., Kakizawa S., Aoki K., Komatsu K., Iizuka-Oku R., Abe J., Saitoh H., Sano-Furukawa A., and Hattori T. (2022) Hydrogen occupation and hydrogen-induced volume expansion in Fe0.9Ni0.1Dx at high P-T conditions. American Mineralogist,  

1年前に修士課程を修了した市東さんを筆頭著者とした論文がAmerican Mineralogistに受理されました。鉄ニッケル合金に水素原子が取り込まれることでどれだけ体積が膨張するかを調べました。核の水素量を見積もるための基礎となる仕事です。

Accepted article on hydrogenation of Fe-Ni alloy

鉄ニッケル合金の水素化に関する論文が受理

We published a paper reporting technical developments of a diamond-anvil cell for single-crystal neutron diffraction. 

Yamashita K., Komatsu K., Ohhara T., Munakata K., Irifune T., Shinmei T., Sugiyama K., Kawamata T., and Kagi H. (2022) Improvement of nano-polycrystalline diamond anvil cells with Zr-based bulk metallic glass cylinder for higher pressures: application to Laue-TOF diffractometer. High Pressure Research, 42, 121-135. 

D3の山下さんが開発した単結晶中性子回折用ダイヤモンドアンビルセル (DAC) の論文がHigh Pressure Researchに出版されました。

山下さんが開発してきたDACを、より安定して高い圧力を発生させられるように改良したという内容です。

New paper about development of new diamond anvil cell for single-crystal neutron diffraction

単結晶中性子回折用高圧セルの論文が出版

Dr. Keishiro Yamashita, who received his Ph.D. in March 2022, has published a paper from Acta Crystallographica C on a new high-pressure phase of KCl hydrate. A figure from this paper was selected for the cover of Acta Cryst. C.

During the crystal growth of the new KCl hydrate, high-pressure phases of water (ice) unavoidably crystallise simultaneously. Dr Yamashita optimised the crystallisation conditions to suppress formation of low-symmetry high-pressure phases of ice (ice VI) and obtained diffraction patterns of the new hydrate with high-symmetry ice VII. Thanks to this, crystal-structure determination was enabled.

X-ray diffraction is not capable of detecting hydrogen atoms in crystal structures, but by combining DFT calculations, Dr Yamashita successfully discussed the hydrogen-chloride bondings in the crystal structure.

2022年３月に博士号を取得した山下恵史朗さんが、本研究室在籍時に発見した新たなKCl水和物高圧相に関する論文がActa Crystallographica Cから出版されました。本論文の図がActa Cryst. C.誌のcoverに選ばれました。

山下さんは、KCl水和物の高圧相を新規に発見したのみならず、同時に成長してしまう氷の高圧相を制御し、対称性の高いice VIIと新規水和物が同時に成長するような条件を見つけることで、水和物の構造決定の邪魔になる氷の回折パターンを最小限にするという工夫で構造決定に成功しました。さらに、DFT計算を組み合わせることで、X線回折では議論が難しい水素原子に関する知見も得られました。

A new paper on a novel KCl-hydrate discovered under pressure

高圧下で安定な新規KCl水和物に関する論文を発表

A paper first-authored by Dr. Yamashita (currently a post-doc researcher in University of Innsbruck) is now open on PNAS. We elucidated unique local structure and atomic distribution in ice VII through neutron diffraction.

Yamashita K., Komatsu K., Klotz S., Fabelo O., Maria T. Fernández-Díazc M.T., Abe J., Machida S., Hattori T., Irifune T., Shinmei T., Sugiyama K., Kawamata T., and Kagi H. (2022) Atomic distribution and local structure in ice VII from in-situ neutron diffraction. Proceedings of the National Academy of Sciences, 119, e2208171119. 

3月に学位を取得した山下恵史朗さん（現・海外学振PD、オーストリア インスブルック大学）を筆頭著者とする、ice VII の精密結晶構造解析の論文がPNASに出版されました。高圧その場中性子回折実験により、これまで知られていなかった特徴的な原子分布を明らかにしました。

粉末ならびに単結晶中性子回折データの最大エントロピー法による解析から、ice VII中の水分子中の水素原子は、下図に示されるような特徴的なリング状の分布をもつことが明らかになりました（A/Cは粉末回折から、B/Dは単結晶回折から求められた原子分布）。

このような局所構造を明らかにするためには、まず質の良い回折データを得ることが必要不可欠です。小松准教授が開発してきた粉末中性子回折用高圧プレス Mito system に加え、山下さんが開発した単結晶中性子回折用ダイヤモンドアンビルセルを用いることで、今回のような精緻な議論が可能になりました。

New publication on detailed crystal-structure analysis of ice VII

Ice VIIの精密結晶構造解析の論文が出版

A paper first-authored by Mr. Zhao who obtained MSc degree last September has been published on Journal of Solid State Chemistry. 

We discovered that compression of CoSO4·6H2O and CoSO4·7H2O resulted in a novel high-pressure phase, CoSO4·5H2O, and determined its crystal structure through in-situ single-crystal X-ray diffraction.

, and Nakano S. (2022) Pressure-induced phase transitions of cobalt sulfate hydrates and discovery of a new high-pressure phase, CoSO4・H2O, 

2021年の秋に修士課程を終了した趙さんを筆頭著者とする論文がJournal of Solid State Chemistryに出版されました。

CoSO4·6H2O や CoSO4·7H2O に圧力をかけていくと、新規高圧相である CoSO4·5H2O へと相転移することを示し、その結晶構造を高圧下その場単結晶X線回折によって決定しました。NIMSの中野智志博士との共同研究です。

New paper on novel high-pressure phase of cobalt sulfate hydrate

硫化コバルト水和物の高圧新規相の論文が出版

鍵教授とD1の森さんによる日本語の総説が出版されました。J-PARCの高圧中性子回折ビームラインPLANETにおける鉄の水素化に関する中性子回折実験の結果をまとめたものになっています。

地球核は鉄を主成分とする合金であると考えられますが、地震波観測から予測される核の密度は鉄より低く、軽元素が溶け込んで密度を低下させていると推測されています。水素はその有力な候補と考えられますが、鉄のような重元素からなる結晶中に存在する水素の位置や量を決定することは容易ではありません。鍵研のメンバーも協力して建設されたJ-PARC MLFの高圧中性子回折ビームラインPLANETは、実験的に困難が伴う高温高圧下での中性子回折実験を可能にし、実際の地球核の圧力にはまだ及ばないものの、この分野の新しいアプローチを拓いてきました。

今回の総説には、PLANETを用いて明らかになってきた地球深部の水素に関する知見がまとまっています。

鉄水素化物の中性子回折実験に関する総説を出版

埼玉県立不動岡高校に実験講義に出かけてきました。鍵教授に加え、修士1年の3人と卒論生1人がTAとして参加しました。

埼玉県立不動岡高校で実験講義

Our paper reporting the first crystallographic evidence for a hydrogen-ordered state corresponding to ice IV has been published at J. Phys. Chem. Lett. We detected evidence for a weak hydrogen-ordering phase transition in DCl-doped ice IV using in-situ neutron diffraction methods at PLANET beamline in MLF/J-PARC.

M2の小林さんを筆頭著者とする論文がJ. Phys. Chem. Lett.誌にて出版されました。高圧準安定相である氷IVの水素秩序化の証拠を、J-PARCの高圧中性子回折ビームラインPLANETにおける実験で初めて捉え、報告しました。

New paper about the hydrogen ordering in ice IV

氷IVの水素秩序化に関する論文を発表

Our new paper about NaCl tridecahydrate authored by ex-students Dr Yamashita and Mr Nakayama et al. has been published at Acta Cryst. B!

In this paper, we report precise crystal structure including hydron (deuterium) atomic distributions revealed by in-situ high-pressure neutron diffraction methods using high-pressure apparatus developed by Prof Komatsu and Dr Yamashita throughout the years. We also revealed the structural similarities (and differences) with ice VI.

Yamashita K., Nakayama K., Komatsu K., Ohhara T., Munakata K., Sano-Furukawa A., and Kagi H. (2023) Hydrogen-bond network in sodium chloride tridecahydrate, analogy with ice VI. Acta Crystallographica B., 79, 414-426. 

卒業生の山下さん、中山さんらを著者とするNaCl 13水和物の構造解析論文がActa Cryst. B誌に出版されました。

この水和物は高圧で生じる新規水和物として今年アメリカのグループからも発表されていましたが、我々は小松准教授・山下さんらが開発してきた高圧下中性子回折専用の装置群の強みを生かし、水素（重水素）の分布を含めた精密な構造解析を行ったうえで、これまで議論されていなかった水和物と氷高圧相（氷VI）との構造類似性を報告しました。

New paper about the structure of NaCl tridecahydrate

NaCl 13水和物の構造解析論文を発表

9月から11月にかけて秋の国内学会に参加してきました。

鉱物科学会：鍵、小松、森（D2）、高野（M2）、森田（M1）

結晶学会：鍵、小松、伊藤（D2）、小林（M2）、佐藤（B4）

高圧討論会：鍵、小松、高橋（PD）、He（PD）、伊藤（D2）、高野（M2）、安田（M2）、小林（M2）

秋の学会

M2 村上さん・高久さん、B4 森田さん・嶋さんが卒業しました。おめでとうございます。

祝 卒業

Ms Morita and Mr Shima enrolled in the Dept. of Chem., Graduate School, to continue their research in our lab. Ms Yoshioka and Ms Sato join our group for undergraduate research. Dr Takebe also joins our group as technical staff. Welcome, all!

森田さん・嶋さんが化学専攻 修士課程に入学しました。吉岡さん・佐藤さんが卒業研究のために研究室に加わりました。また、武部さんが技術補佐員として加わります。

研究室でメンバーの集合写真を撮りました。皆さん、今年度もよろしくお願いします。