【研究分野】農業情報工学

【研究領域課題番号】16208026 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

生体材料 / 精密計測 / 情報システム / 可視化 / 結晶成長 / 凍結 / 3次元 / 近赤外分光 / 成分 / 非破壊計測 / 生体 / 誘導率 / 氷結晶

【研究成果の概要】

設計・試作した極低温マイクロスライサ画像処理システム(Cryo-MSIPS)の生体および食品材料への適用性を検討するための基礎研究を実施した結果から、同システムの生体および食品材料への適用性は十分あると判断されたが、それと同時に上記システムの問題点もいくつか確認されたため、これらを改善した。具体的には、同システムのスライサ部の制御不安定、顕微鏡観察部の振動、冷却部の-80℃冷却時における冷却面温度の制御不安定、同システムと観察サンプルの接触面における熱伝達のロスといった諸問題を解決するとともに、近赤外カメラによる凍結試料内の内部構造および成分情報の観察に不可欠となる吸光度-光吸収波長の検量線を水および氷の両方についてそれぞれ作成した。その結果、水と氷では吸収波長が異なるとともに、氷についても対象となる生体・食品の種類により吸収波長が異なること、および吸光度と凍結速度の二つの指標が、凍結材料の内部構造パラメータとともに生体・食品の最適凍結プロセスの決定要因であることが示唆された。

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】2004 - 2007

【配分額】49,530千円 (直接経費: 38,100千円、間接経費: 11,430千円)

【研究分野】固体物性Ⅰ(光物性・半導体・誘電体)

【研究領域課題番号】10044049 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

形態形成 / 氷結晶 / 形態不安定 / 拡散場 / マリンズ・セカーカ不安定 / 光干渉法 / 分子動力学シュミレーション / 計算機シュミレーション / 表面融解 / 結晶成長 / 界面カイネティクス / パターン形成 / 樹枝状成長 / ファセット成長 / 界面張力 / 異方性 / 計算機シミュレーション

【研究成果の概要】

氷結晶の一方向成長実験を行い、界面と界面近傍のその場観察を行った。従来界面近傍での不純物濃度分布の直接観察は困難であったが、高精度の干渉計を使用することでこれが可能になった。その結果、界面での形態不安定の駆動力となっている組成的過冷却の存在が初めて実験的に検証され、本来線形定常理論であるMullins-Sekerka界面不安定理論が実測による界面臨界濃度を考慮することで、このような系にも適用できることが示された。この実験成果は、本研究の米国側研究分担者であるSekerka教授、Gurtin教授らとの討論を通じて解析が行われた。
一方、自由成長における氷結晶の円盤成長のモデルを構築することに成功し、ベーサル面の成長機構の違いが重要な役割を果たすことが明らかになった。今後、円盤結晶の縁における界面不安定発生のメカニズムの解明が重要な課題となる。これは、従来にない新しい界面不安定発生機構を提案することになる。
分子動力学法による氷結晶表面と氷水界面構造の分子動力学計算機シミュレーションを実施した。これにより、表面融解の生じる初期状態から融点近傍までの氷表面の構造や固液界面での氷結晶成長の分子レベルでの再現に成功した。このような分子レベルでの描像とパターン形成との関連が今後の重要な研究課題となろう。
以上の成果を元に、氷結晶のパターン形成機構に関する理解は飛躍的に進歩した。特に、ファセット面を含む結晶のパターン形成モデル構築の可能性を確かなものにしたことが最大の成果である。
また、本研究期間中に2回の関連する研究会を開催した。いずれも50名ほどの研究者が参加し、極めて有益な討論を実施することができた。今後は、この研究協力で培った国際協力体制をさらに発展させることが重要である。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】1998 - 1999

【配分額】5,600千円 (直接経費: 5,600千円)