【公開日：2025.06.10】【最終更新日：2025.05.07】
課題データ / Project Data
課題番号 / Project Issue Number
24AT5019
利用課題名 / Title
地球外有機物模擬物質の低温領域における固着力測定：土星衛星タイタンの有機物進化史の解明に向けて
利用した実施機関 / Support Institute
産業技術総合研究所 / AIST
機関外・機関内の利用 / External or Internal Use
外部利用/External Use
技術領域 / Technology Area
【横断技術領域 / Cross-Technology Area】（主 / Main）計測・分析/Advanced Characterization（副 / Sub）-
【重要技術領域 / Important Technology Area】（主 / Main）次世代ナノスケールマテリアル/Next-generation nanoscale materials（副 / Sub）次世代バイオマテリアル/Next-generation biomaterials
キーワード / Keywords
ナノ粒子/ Nanoparticles,電子顕微鏡/ Electronic microscope,ナノシート/ Nanosheet,バイオアダプティブ材料/ Bioadaptive materials,原子層薄膜/ Atomic layer thin film,走査プローブ顕微鏡/ Scanning probe microscope
利用者と利用形態 / User and Support Type
利用者名（課題申請者）/ User Name (Project Applicant)
平井 英人
所属名 / Affiliation
東京科学大学 地球生命研究所 関根研究室
共同利用者氏名 / Names of Collaborators in Other Institutes Than Hub and Spoke Institutes
ARIM実施機関支援担当者 / Names of Collaborators in The Hub and Spoke Institutes
井藤浩志,斎藤武範
利用形態 / Support Type
（主 / Main）技術補助/Technical Assistance（副 / Sub）-
利用した主な設備 / Equipment Used in This Project
報告書データ / Report
概要（目的・用途・実施内容）/ Abstract (Aim, Use Applications and Contents)
地球外有機物の固着力の低温領域における温度依存性を明らかにすることは、惑星科学にとって重要な課題である。この知見によって、土星の衛星タイタンでの惑星スケールの有機物進化や、原始惑星系円盤内での惑星材料物質中の有機物進化といった謎の解明に繋がることが期待される。本研究では、環境制御型原子間力顕微鏡を用いて、タイタンの有機物が経験しうる低温領域における、有機物模擬物質の固着力の挙動を明らかにする。これによって、タイタン表層における、風による有機物粒子の輸送条件を制約し、有機物砂丘の分布を説明することを目的とする。
実験 / Experimental
先行研究（e.g., Hirai et al. 2023）と同様の手法を用いて、窒素とメタンの混合ガスに低温プラズマ照射を行うことで、タイタンの大気中に存在する有機物エアロゾルの模擬物質（タイタンソリン）を作成した。また、タイタンソリンを液体メタンに浸すことで変性を受けたエアロゾル模擬物質（変成ソリン）を作成した。 固着力測定実験は、（１）300–117 Kの温度範囲におけるタイタンソリン間のフォースカーブ測定、及び（２）300 Kにおける変成ソリン間のフォースカーブ測定を行った。各実験条件で、2–5点の測定点に対し、3–10回の測定を行った。また、フォースカーブ測定の前後で、カンチレバーの減衰率Qと共振周波数frを測定し、ばね定数を決定した(Sader et al. 1999)。さらに、各温度条件におけるdeflection sensitivityを計測し、各温度における測定データの補正を行った。測定後のカンチレバーの先端を、電解放出型電子顕微鏡を用いて観察し、有機物同士の接触径を推定した。得られた固着力と接触径に対し、DMTモデル(Derjaguin et al., 1975)を適用することで、各温度における表面エネルギーを推定した。
結果と考察 / Results and Discussion
温度の低下に伴い、固着力および表面エネルギーがアレニウスの式に従って低下することが示された。また、表面エネルギーは化学組成の違いよりも温度に強く依存することも明らかにした。得られた固着力及び表面エネルギーの温度依存性を考慮すると、タイタン表層の中緯度帯における強めの季節風によって、風による有機物粒子の輸送が生じ、低緯度帯へと濃集される可能性を示した。
図・表・数式 / Figures, Tables and Equations
異なる温度条件におけるタイタンソリン間の典型的なフォースカーブ. 各色は測定温度条件を示す. 黒矢印は117 Kにおける固着力を示す.
その他・特記事項（参考文献・謝辞等） / Remarks(References and Acknowledgements)
本研究は、産業技術総合研究所
分析計測標準研究部門の井藤浩志氏と斎藤武範氏のご支援の下行った。
【参考文献】Hirai, E., Sekine, Y., Zhang, N., Noda, N., Tan, S., Takahashi, Y., Kagi,
H., 2023. Rapid Aggregation and Dissolution of Organic Aerosols in
Liquid Methane on Titan. Geophysical Research Letters 50, e2023GL103015.
https://doi.org/10.1029/2023GL103015Sader, J., Chon,
J., Mulvaney, P., 1999. Calibration of rectangular atomic force microscope
cantilevers. Review of Scientific Instruments 70, 3967–3969. https://doi.org/10.1063/1.1150021
Derjaguin, B.V., Muller, V.M., Toporov, Y.P., 1975.
Effect of contact deformations on the adhesion of particles. J. Colloid
Interface Sci. 53, 314–326. https://doi.org/10.1016/0021-9797(75)90018-1
成果発表・成果利用 / Publication and Patents
論文・プロシーディング（DOIのあるもの） / DOI (Publication and Proceedings)
口頭発表、ポスター発表および、その他の論文 / Oral Presentations etc.
- 平井英人、関根康人、筒井智嗣、肥後祐司、井藤浩志、奥住聡、安井勇気、伊藤万喜子、中嶋健、杉本宜昭、門野敏彦、粕谷素洋 "有機物エアロゾル模擬物質の表面エネルギーと弾性率の温度依存性"、２０２４年惑星科学会秋季講演会日本惑星科学会、2024年09月24日、九州大学
- 平井英人、関根康人、筒井智嗣、肥後祐司、井藤浩志、中嶋健、奥住聡、安井勇気、伊藤万喜子、杉本宜昭、辻健、川村太一、小野寺圭祐、田中智、粕谷素洋、斎藤武範 "タイタン上の有機物の表面エネルギーと弾性に関する実験的研究", 惑星圏シンポジウム２０２５ (招待講演)、2025年3月3日 宮城（仙台）
- 平井英人 "タイタン上の有機物の表面エネルギーと弾性に関する実験的研究" 博士論文
特許 / Patents
特許出願件数 / Number of Patent Applications：0件
特許登録件数 / Number of Registered Patents：0件