2024/12/21 更新

写真a

イイヅカ リコ
飯塚 理子
所属
教育・総合科学学術院 教育学部
職名
准教授

経歴

  • 2023年04月
    -
    継続中

    早稲田大学   教育・総合科学学術院   准教授

  • 2020年10月
    -
    継続中

    東京大学   大学院理学系研究科附属地殻化学実験施設   客員共同研究員

  • 2021年11月
    -
    2023年03月

    ハーバード大学   地球惑星科学専攻   日本学術振興会 海外特別研究員RRA

  • 2017年01月
    -
    2023年03月

    Geochemical Journal   編集秘書

  • 2016年12月
    -
    2020年09月

    東京大学   大学院理学系研究科附属地殻化学実験施設   特任助教

  • 2013年04月
    -
    2016年11月

    愛媛大学   先端研究・学術推進機構 地球深部ダイナミクス研究センター   日本学術振興会 特別研究員PD

  • 2012年04月
    -
    2013年03月

    東京大学   大学院理学系研究科附属地殻化学実験施設   特任研究員

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所属学協会

  • 2010年
    -
    継続中

    American Geophysical Union

  • 2007年
    -
    継続中

    日本地球惑星科学連合

  • 2007年
    -
    継続中

    日本地球化学会

  • 2007年
    -
    継続中

    日本高圧力学会

 

論文

  • Addendum: Site occupancy of interstitial deuterium atoms in face-centred cubic iron

    Akihiko Machida, Hiroyuki Saitoh, Hidehiko Sugimoto, Takanori Hattori, Asami Sano-Furukawa, Naruki Endo, Yoshinori Katayama, Riko Iizuka, Toyoto Sato, Motoaki Matsuo, Shin-ichi Orimo, Katsutoshi Aoki

    Nature Communications   15 ( 1 )  2024年10月

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  • Hydroxyl group/fluorine disorder in deuterated magnesium hydroxyfluoride and behaviors of hydrogen bonds under high pressure

    Xuejing He, Hiroyuki Kagi, Kazuki Komatsu, Riko Iizuka-Oku, Hajime Okajima, Takanori Hattori, Asami Sano-Furukawa, Shinichi Machida, Jun Abe, Hirotada Gotou, Satoshi Nakano

    Journal of Molecular Structure    2024年08月

    DOI

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  • Hydrogen occupation and hydrogen-induced volume expansion in Fe<inf>0.9</inf>Ni<inf>0.1</inf>D<inf>x</inf>at high P-T conditions

    Chikara Shito, Hiroyuki Kagi, Sho Kakizawa, Katsutoshi Aoki, Kazuki Komatsu, Riko Iizuka-Oku, Jun Abe, Hirioyuki Saitoh, Asami Sano-Furukawa, Takanori Hattori

    American Mineralogist   108 ( 4 ) 659 - 666  2023年04月

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    The density of the Earth's core is several percent lower than that of iron-nickel alloy under conditions of pressure and temperature equivalent to the Earth's core. Hydrogen is one of the most promising constituents accounting for the density deficit, but hydrogen occupation sites and density decrease of iron-nickel alloy caused by hydrogenation have never been investigated. In this study, the phase relation and crystal structure of Fe0.9Ni0.1Hx(Dx) at high pressures and temperatures up to 12 GPa and 1000 K were clarified by in situ X-ray diffraction and neutron diffraction measurements. Under the P-T conditions of the present study, no deuterium atoms occupied tetragonal (T) sites of face-centered cubic (fcc) Fe0.9Ni0.1Dx, although the T-site occupation was previously reported for fcc FeHx(Dx). The deuterium-induced volume expansion per deuterium vD was determined to be 2.45(4) and 3.31(6) Å3 for fcc and hcp Fe0.9Ni0.1Dx, respectively. These vD values are significantly larger than the corresponding values for FeDx. The vD value for fcc Fe0.9Ni0.1Dx slightly increases with increasing temperature. This study suggests that only 10% of nickel in iron drastically changes the behaviors of hydrogen in metal. Assuming that vD is constant regardless of pressure, the maximum hydrogen content in the Earth's inner core is estimated to be one to two times the amount of hydrogen in the oceans.

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    5
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    (Scopus)
  • In-situ X-ray diffraction and radiography of iron–silicate–water–sulfur system simulating behaviors of light elements during early Earth’s core–mantle segregation

    Riko Iizuka-Oku, Hirotada Gotou, Akio Suzuki, Hiroyuki Kagi

    High Pressure Research   42 ( 4 ) 349 - 363  2022年

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    The Earth’s iron-rich core contains light elements. Studying the interaction of multiple light elements with iron and silicates during core–mantle segregation process in early Earth evolution has become important. In-situ X-ray diffraction and imaging observations of the iron–silicate–water–sulfur system at 5–10 GPa, up to approximately 1900°C, were used to elucidate sequential reactions: phase transformation and hydrogenation of iron, and formation of iron sulfide and silicates. The newly constructed X-ray imaging system achieved spatial resolution of approx. 10 μm for this study to show iron blob formation and motion. Sulfur distorted the iron blob shape and affected blob growth during heating by reducing the interfacial energy between molten iron and silicates. Light elements in the molten iron and the remaining silicate grains affected core–mantle segregation in the primitive Earth as temperatures increased. Carbon and silicon were incorporated into liquid Fe during later processes at higher temperatures.

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  • Behavior of light elements in iron-silicate-water-sulfur system during early Earth’s evolution

    Riko Iizuka-Oku, Hirotada Gotou, Chikara Shito, Ko Fukuyama, Yuichiro Mori, Takanori Hattori, Asami Sano-Furukawa, Ken ichi Funakoshi, Hiroyuki Kagi

    Scientific Reports   11 ( 1 )  2021年12月

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    Hydrogen (H) is considered to be one of the candidates for light elements in the Earth’s core, but the amount and timing of delivery have been unknown. We investigated the effects of sulfur (S), another candidate element in the core, on deuteration of iron (Fe) in iron–silicate–water system up to 6–12 GPa, ~ 1200 K using in situ neutron diffraction measurements. The sample initially contained saturated water (D2O) as Mg(OD)2 in the ideal composition (Fe–MgSiO3–D2O) of the primitive Earth. In the existence of water and sulfur, phase transitions of Fe, dehydration of Mg(OD)2, and formation of iron sulfide (FeS) and silicates occurred with increasing temperature. The deuterium (D) solubility (x) in iron deuterides (FeDx) increased with temperature and pressure, resulting in a maximum of x = 0.33(4) for the hydrous sample without S at 11.2 GPa and 1067 K. FeS was hardly deuterated until Fe deuteration had completed. The lower D concentrations in the S-containing system do not exceed the miscibility gap (x < ~ 0.4). Both H and S can be incorporated into solid Fe and other light elements could have dissolved into molten iron hydride and/or FeS during the later process of Earth’s evolution.

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    5
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    (Scopus)
  • Neutron diffraction study of hydrogen site occupancy in Fe0.95Si0.05 at 14.7 GPa and 800 K

    Yuichiro Mori, Hiroyuki Kagi, Sho Kakizawa, Kazuki Komatsu, Chikara Shito, Riko Iizuka-Oku, Katsutoshi Aoki, Takanori Hattori, Asami Sano-Furukawa, Ken Ichi Funakoshi, Hirouyki Saitoh

    Journal of Mineralogical and Petrological Sciences   116 ( 6 ) 309 - 313  2021年

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    The Earth's core is believed to contain some light elements because it is 10% less dense than pure Fe under the corresponding pressure and temperature conditions. Hydrogen, a promising candidate among light elements, has phase relations and physical properties that have been investigated mainly for the Fe-H system. This study specifically examined an Fe-Si-H system using in-situ neutron diffraction experiments to investigate the site occupancy of deuterium of hcp-Fe0.95Si0.05 hydride at 14.7 GPa and 800 K. To date, this pressure condition is the highest for neutron diffraction experiments conducted at high pressure and high temperature, where crystal structure analysis has been conducted. Results of Rietveld refinement indicate hcp-Fe0.95Si0.05 hydride as having deuterium (D) occupancy of 0.24(2) exclusively at the interstitial octahedral site in the hcp lattice. The effect on the site occupancy of D by addition of 2.6 wt% Si into Fe (Fe0.95Si0.05) was negligible compared to results obtained from an earlier study of an Fe-D system (Machida et al., 2019).

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    (Scopus)
  • Crystal and Magnetic Structures of Double Hexagonal Close-Packed Iron Deuteride

    Hiroyuki Saitoh, Akihiko Machida, Riko Iizuka-Oku, Takanori Hattori, Asami Sano-Furukawa, Ken ichi Funakoshi, Toyoto Sato, Shin ichi Orimo, Katsutoshi Aoki

    Scientific Reports   10 ( 1 )  2020年12月

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    Neutron powder diffraction profiles were collected for iron deuteride (FeDx) while the temperature decreased from 1023 to 300 K for a pressure range of 4–6 gigapascal (GPa). The ε′ deuteride with a double hexagonal close-packed (dhcp) structure, which coexisted with other stable or metastable deutrides at each temperature and pressure condition, formed solid solutions with a composition of FeD0.68(1) at 673 K and 6.1 GPa and FeD0.74(1) at 603 K and 4.8 GPa. Upon stepwise cooling to 300 K, the D-content x increased to a stoichiometric value of 1.0 to form monodeuteride FeD1.0. In the dhcp FeD1.0 at 300 K and 4.2 GPa, dissolved D atoms fully occupied the octahedral interstitial sites, slightly displaced from the octahedral centers in the dhcp metal lattice, and the dhcp sequence of close-packed Fe planes contained hcp-stacking faults at 12%. Magnetic moments with 2.11 ± 0.06 μB/Fe-atom aligned ferromagnetically in parallel on the Fe planes.

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    (Scopus)
  • High-pressure responses of alkali metal hydrogen carbonates, RbHCO<inf>3</inf> and CsHCO<inf>3</inf>: Findings of new phases and unique compressional behavior

    Riko Iizuka-Oku, Weibin Gui, Kazuki Komatsu, Takehiko Yagi, Hiroyuki Kagi

    Journal of Solid State Chemistry   283  2020年03月

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    High-pressure responses of RbHCO3 and CsHCO3 were characterized by in situ Raman spectroscopy and X-ray and neutron diffraction observations. RbHCO3 exhibited a monoclinic (phase IV) and a triclinic (phase V) high-pressure phase at ~0.5 ​GPa and room temperature. Increasing compression induced unique behavior in a specific cell parameter (a in phase IV or c in phase V), which first increased, and then decreased at ~1 ​GPa, likely owing to the rearrangement of Rb+ and reconfiguration of the ordered (HCO3−)2 dimers. Deuterium positions in phase IV of RbDCO3 were determined. The hydrogen bonding remained moderately strong, and possibly did not affect the phase transition despite the accompanying disordering and ordering of the dimers. CsHCO3 showed no structural change up to 5 ​GPa, suggesting that its ambient phase (isostructural to phase IV of KHCO3) was already stable at high pressure. The structural stability appeared to be systematically related to the cation size.

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    (Scopus)
  • Experimentally deformed lawsonite at high pressure and high temperature: Implication for low velocity layers in subduction zones

    Riko Iizuka-Oku, Vincent Soustelle, Nobuyoshi Miyajima, Nicolas P. Walte, Daniel J. Frost, Takehiko Yagi

    Physics of the Earth and Planetary Interiors   295  2019年10月

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    Lawsonite is considered to be one of the most likely hydrous minerals to explain the persistence of seismic low-velocity layers (LVLs) atop subducted slabs to depths of 100–250 km due mainly to the fact that it can persist to these depths, in contrast to other hydrous minerals such as antigorite. However, as it is highly anisotropic and subjected to intense deformation during subduction, further constrains on the development of lawsonite crystal preferred orientation (CPO) at high pressure and temperature are required in order to evaluate its role in slowing seismic waves. We have deformed lawsonite aggregates at 5 GPa and 500–800 °C corresponding to 150 km depth and covering temperatures for both cold and hot subduction zones. In this study, we report a new lawsonite CPO pattern resulting from dislocation creep deformation that has not been previously observed. The [100] axes concentrate into the shear direction and the [010] axes are normal to the shear plane, respectively (we refer to this as “type-1” CPO). Such CPO is consistent with our transmission electron microscope (TEM) observations identifying (010)[100] as a dominant dislocation slip-system. The seismic properties resulting from this CPO show the fast P-wave direction to be parallel to the shear direction, and the slow P-wave direction and maximum S-wave anisotropy normal to the shear plane. We performed calculation of omphacite-lawsonite aggregates using our experimental data and varied both the lawsonite contents and the slab dipping angle. Our results show that a reasonable amount of lawsonite can explain Vs reduction in the LVLs, but cannot explain the Vp reduction. However, the presence of lawsonite would induce a rotation of the fast S-wave polarization toward the trench direction as the S-wave anisotropy increases or decreases according to the lawsonite proportion, its CPO strength and the slab dipping angle. We believe that our calculation can now be used for investigation of lawsonite effect in various subductions zones.

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    (Scopus)
  • 地球深部における含水鉱物の水素結合対称化:高温高圧下におけるβ-CrOODの中性子回折実験

    市東 力, 鈴木 昭夫, 鍵 裕之, 佐野 亜沙美, 柿澤 翔, 小松 一生, 青木 勝敏, 飯塚 理子, 町田 真一, 古川 登

    日本地球化学会年会要旨集   66 ( 0 ) 205 - 205  2019年  [査読有り]

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    <p>含水鉱物中の水素は水酸化物イオンとして取り込まれ、対向する酸素原子と水素結合を形成する。また、加圧によるポテンシャルの形状変化に伴って、最終的には水素原子が2つの酸素原子間の中心に位置する水素結合対称化が起こる。本研究は、歪んだルチル型構造を持つ含水相に関する水素結合の温度依存性とその圧縮特性への影響の解明を目的として行われた。マルチアンビルプレスを用いてbeta-CrOODの高温高圧中性子回折実験を行い、リートベルト法を用いた結晶構造の精密化を行った。O-D...O結合距離に注目すると、高温では常温に比べてD...O距離が増加し、対称化からはより「遠い」位置にD原子が存在するということが分かった。この結果は、地球内部の高温条件では、常温に比べて水素結合対称化がより高い圧力で起こることを示唆している。</p>

    DOI CiNii

  • Hydrogenation of iron in the early stage of Earth's evolution

    Riko Iizuka-Oku, Takehiko Yagi, Hirotada Gotou, Takuo Okuchi, Takanori Hattori, Asami Sano-Furukawa

    Nature Communications   8  2017年01月

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    Density of the Earth's core is lower than that of pure iron and the light element(s) in the core is a long-standing problem. Hydrogen is the most abundant element in the solar system and thus one of the important candidates. However, the dissolution process of hydrogen into iron remained unclear. Here we carry out high-pressure and high-temperature in situ neutron diffraction experiments and clarify that when the mixture of iron and hydrous minerals are heated, iron is hydrogenized soon after the hydrous mineral is dehydrated. This implies that early in the Earth's evolution, as the accumulated primordial material became hotter, the dissolution of hydrogen into iron occurred before any other materials melted. This suggests that hydrogen is likely the first light element dissolved into iron during the Earth's evolution and it may affect the behaviour of the other light elements in the later processes.

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    45
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    (Scopus)
  • Development of new WC-Ni hardmetals for use in high pressure experiments

    Kouhei Wada, Takehiko Yagi, Hirotada Gotou, Riko Iizuka, Masaru Kawakami, Kozo Kitamura, Koji Hayashi

    High Pressure Research   35 ( 3 ) 263 - 272  2015年07月

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    Ultrafine-grained (0.2-0.3μm) WC-Ni hardmetals with a low Ni content (3-5wt%) were developed using new production techniques based on adding an appropriate amount of VC and Cr3C2, combined with the strong mixing of raw materials. Their uniaxial compressibility was subsequently compared with that of existing WC-Ni and WC-Co hardmetals to assess their suitability for use as anvils in various high pressure experiments, particularly those associated with neutron or magnetic studies. The ultimate compressive strength of the newly developed hardmetals was over 7.7GPa, which was higher by 1.2GPa than that of the existing WC-Ni hardmetal MF10. When these hardmetals were used as anvils, a pressure of approximately 16GPa was generated using a Paris-Edinburgh-type apparatus with φ8mm culet, thereby proving that they can allow the physical properties of various materials to be measured at higher pressures than is possible with existing hardmetals.

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    7
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    (Scopus)
  • Application of X-ray radiography to study the segregation process of iron from silicate under high pressure and high temperature

    Hirotada Gotou, Takehiko Yagi, Riko Iizuka, Akio Suzuki

    High Pressure Research   35 ( 2 ) 130 - 138  2015年04月

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    X-ray radiography was applied to observe the segregation process of iron from silicate at high pressure and high temperature in mixtures containing light elements. As the temperature of the hydrogen-containing sample increases, the molten iron becomes coherent. Small droplets of iron sink to the bottom of the chamber, where they merge into a single, large droplet. The small iron droplets exhibit complex motion, moving in random directions. Markedly different behavior is found in the sulfur-containing sample, where no clear motion of the molten iron is observed. Instead, as the sample temperature is increased, the concentration of iron near the wall of the sample chamber gradually increases. These observations demonstrate that the behavior of molten iron changes according to the dissolved elements. This X-ray radiography experiment represents a powerful technique to study the segregation process of molten iron from solid or partially molten silicate, particularly when combined with high-resolution tomography techniques.

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    5
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    (Scopus)
  • Performance of ceramic anvils for high pressure neutron scattering

    Kazuki Komatsu, Stefan Klotz, Ayako Shinozaki, Riko Iizuka, Livia E. Bove, Hiroyuki Kagi

    High Pressure Research   34 ( 4 ) 494 - 499  2014年10月

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    Three kinds of ceramics, zirconia-toughened alumina (ZTA), alumina-toughened zirconia (ATZ) and yttria-stabilized zirconia (YSZ), were tested as anvil materials, mainly for the purpose of neutron scattering study under high pressure. ZTA with non-toroidal anvil profile, having the same sample volume as conventionally used double toroidal anvils, sustained pressures up to 11.9GPa. This is comparable to anvils made of tungsten carbide (TC) with Ni binder with the same dimensions. ATZ would also be an alternative material to TC with pressure performance comparable to ZTA, whereas YSZ is much weaker than the other two ceramics. The attenuation coefficient for YSZ is significantly smaller than that of TC and similar to ZTA and ATZ, the latter being estimated by attenuation calculations. Neutron diffraction on a sample of lead in YSZ anvils as well as quasi-elastic neutron scattering on liquid water in ZTA also demonstrate the outstanding neutron transparency of these ceramics. The gain factor in count rate is up to one order of magnitude.

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    13
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    (Scopus)
  • Phase transitions and hydrogen bonding in deuterated calcium hydroxide: High-pressure and high-temperature neutron diffraction measurements

    Riko Iizuka, Kazuki Komatsu, Hiroyuki Kagi, Takaya Nagai, Asami Sano-Furukawa, Takanori Hattori, Hirotada Gotou, Takehiko Yagi

    Journal of Solid State Chemistry   218   95 - 102  2014年10月

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    In situ neutron diffraction measurements combined with the pulsed neutron source at the Japan Proton Accelerator Research Complex (J-PARC) were conducted on high-pressure polymorphs of deuterated portlandite (Ca(OD)2) using a Paris-Edinburgh cell and a multi-anvil press. The atomic positions including hydrogen for the unquenchable high-pressure phase at room temperature (phase II′) were first clarified. The bent hydrogen bonds under high pressure were consistent with results from Raman spectroscopy. The structure of the high-pressure and high-temperature phase (Phase II) was concordant with that observed previously by another group for a recovered sample. The observations elucidate the phase transition mechanism among the polymorphs, which involves the sliding of CaO polyhedral layers, position modulations of Ca atoms, and recombination of Ca-O bonds accompanied by the reorientation of hydrogen to form more stable hydrogen bonds. © 2014 Elsevier Inc.

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    10
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    (Scopus)
  • Site occupancy of interstitial deuterium atoms in face-centred cubic iron

    Akihiko Machida, Hiroyuki Saitoh, Hidehiko Sugimoto, Takanori Hattori, Asami Sano-Furukawa, Naruki Endo, Yoshinori Katayama, Riko Iizuka, Toyoto Sato, Motoaki Matsuo, Shin Ichi Orimo, Katsutoshi Aoki

    Nature Communications   5  2014年

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    Hydrogen composition and occupation state provide basic information for understanding various properties of the metal-hydrogen system, ranging from microscopic properties such as hydrogen diffusion to macroscopic properties such as phase stability. Here the deuterization process of face-centred cubic Fe to form solid-solution face-centred cubic FeD x is investigated using in situ neutron diffraction at high temperature and pressure. In a completely deuterized specimen at 988 K and 6.3 GPa, deuterium atoms occupy octahedral and tetrahedral interstitial sites with an occupancy of 0.532(9) and 0.056(5), respectively, giving a deuterium composition x of 0.64(1). During deuterization, the metal lattice expands approximately linearly with deuterium composition at a rate of 2.21 Å3 per deuterium atom. The minor occupation of the tetrahedral site is thermally driven by the intersite movement of deuterium atoms along the 111 direction in the face-centred cubic metal lattice.

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    64
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    (Scopus)
  • Crystal structure of the high-pressure phase of calcium hydroxide, portlandite: In situ powder and single-crystal X-ray diffraction study

    Riko Iizuka, Takehiko Yagi, Kazuki Komatsu, Hirotada Gotou, Taku Tsuchiya, Keiji Kusaba, Hiroyuki Kagi

    American Mineralogist   98 ( 8-9 ) 1421 - 1428  2013年

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    The crystal structure of a high-pressure phase of calcium hydroxide, Ca(OH)2 (portlandite), was clarified for the first time using the combination of in situ single-crystal and powder X ray diffraction measurements at high pressure and room temperature. A diamond-anvil cell with a wide opening angle and cell-assembly was improved for single-crystal X ray diffraction experiments, which allowed us to successfully observe Bragg reflections in a wide range of reciprocal space. The transition occurred at 6 GPa and the crystal structure of the high-pressure phase was determined to be monoclinic at 8.9 GPa and room temperature [I121; a = 5.8882(10), b = 6.8408(9), c = 8.9334(15) Å, β = 104.798(15)°]. The transition involved a decrease in molar volume by approximately 5.8%. A comparison of the structures of the low- and high-pressure phases indicates that the transition occurs by a shift of CaO 6 octahedral layers in the a-b plane along the a-axis, accompanied by up-and-down displacements of Ca atoms from the a-b plane. The crystal structure of this high-pressure phase is considered to be an intermediate state between the low-pressure phase and the high-pressure-high-temperature phase. The complicated diffraction patterns of the high-pressure phase suggest that the phase transition occurred toward three directions around the c-axis of the low-pressure phase. This explains the difficulties encountered in previous structural analyses. The present results will provide key information for discussing the behavior of hydrogen bonds in these hydrous minerals under pressure.

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    13
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    (Scopus)
  • An opposed-anvil-type apparatus with an optical window and a wide-angle aperture for neutron diffraction

    Riko Iizuka, Takehiko Yagi, Hirotada Gotou, Kazuki Komatsu, Hiroyuki Kagi

    High Pressure Research   32 ( 3 ) 430 - 441  2012年09月

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    We designed new anvil assemblies for acquiring high-quality neutron diffraction data and ruby fluorescence spectra inside a sample chamber. The conical aperture of Ni-binded WC anvils was expanded by a factor of two. A hybrid gasket made of TiZr- and Al-alloy was developed to prevent outward extrusion. A small and optically transparent window of moissanite was introduced to allow for the determination of pressure and hydrostaticity by measurement of ruby fluorescence spectra. High pressure-generation tests that make use of Bi electrical conductivity and ruby pressure markers revealed that pressure could be determined over 10GPa. In situ synchrotron X-ray diffraction experiments were also carried out using NaCl as the pressure calibrants. The maximum pressure achieved was approximately 13GPa. The neutron diffraction intensity from the newly generated anvil assemblies was 2.5-3.0 times greater than that using the standard toroidal anvil assemblies used previously. © 2012 Copyright Taylor and Francis Group, LLC.

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    17
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    (Scopus)
  • Pressure responses of portlandite and H-D isotope effects on pressure-induced phase transitions

    Riko Iizuka, Hiroyuki Kagi, Kazuki Komatsu, Daichi Ushijima, Satoshi Nakano, Asami Sano-Furukawa, Takaya Nagai, Takehiko Yagi

    Physics and Chemistry of Minerals   38 ( 10 ) 777 - 785  2011年12月

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    The pressure responses of portlandite and the isotope effect on the phase transition were investigated at room temperature from single-crystal Raman and IR spectra and from powder X-ray diffraction using diamond anvil cells under quasi-hydrostatic conditions in a helium pressure-transmitting medium. Phase transformation and subsequent peak broadening (partial amorphization) observed from the Raman and IR spectra of Ca(OH)2 occurred at lower pressures than those of Ca(OD)2. In contrast, no isotope effect was found on the volume and axial compressions observed from powder X-ray diffraction patterns. X-ray diffraction lines attributable to the high-pressure phase remained up to 28.5 GPa, suggesting no total amorphization in a helium pressure medium within the examined pressure region. These results suggest that the H-D isotope effect is engendered in the local environment surrounding H(D) atoms. Moreover, the ratio of sample-to-methanol-ethanol pressure medium (i.e., packing density) in the sample chamber had a significant effect on the increase in the half widths of the diffraction lines, even at pressures below the hydrostatic limit of the pressure medium. © 2011 Springer-Verlag.

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    12
    被引用数
    (Scopus)
  • A simple opposed-anvil apparatus for high pressure and temperature experiments above 10 GPa

    Hirotada Gotou, Takehiko Yagi, Taku Okada, Riko Iizuka, Takumi Kikegawa

    High Pressure Research   31 ( 4 ) 592 - 602  2011年12月

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    A new opposed-anvil high pressure and temperature apparatus was developed based on the Drickamer-type apparatus. Various improvements were made to increase the sample volume and to generate high pressure and temperature stably and easily. By optimizing components such as the anvil, heater, and gasket, large sample volumes of about 4mm 3 (∼10 3 times more than that previously obtained with our previous apparatus) were achieved, with compact and light apparatus (outer diameter φ 40mm; height 31mm; weight 300g). Pressures and temperatures up to about 15GPa and 1700K can routinely and stably be achieved by using this assembly. In order to extend the pressure range further, sintered diamond was used as an anvil material. As a result, pressures and temperatures of around 38GPa and 1400K were achieved, although the sample volume was decreased to about 1.3∼10 -1mm 3. © 2011 Taylor and Francis.

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    8
    被引用数
    (Scopus)
  • A design of backing seat and gasket assembly in diamond anvil cell for accurate single crystal x-ray diffraction to 5 GPa

    K. Komatsu, H. Kagi, T. Yasuzuka, T. Koizumi, R. Iizuka, K. Sugiyama, Y. Yokoyama

    Review of Scientific Instruments   82 ( 10 )  2011年10月

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    We designed a new cell assembly of diamond anvil cells for single crystal x-ray diffraction under pressure and demonstrate the application of the cell to the crystallographic studies for ice VI and ethanol high-pressure (HP) phase at 0.95(5) GPa and 1.95(2) GPa, respectively. The features of the assembly are: (1) the platy anvil and unique-shaped backing seat (called as Wing seat) allowing the extremely wide opening angle up to ±65°, (2) the PFA-bulk metallic glass composite gasket allowing the easy attenuation correction and less background. Thanks to the designed assembly, the Rint values after attenuation corrections are fairly good (0.0125 and 0.0460 for ice VI and ethanol HP phase, respectively), and the errors of the refined parameters are satisfactory small even for hydrogen positions, those are comparable to the results which obtained at ambient conditions. The result for ice VI is in excellent agreement with the previous study, and that for ethanol HP phase has remarkable contributions to the revision to its structure; the H12 site, which makes gauche molecules with O1, C2, and C3 sites, may not exist so that only trans conformers are present at least at 1.95(2) GPa. The accurate intensities using the cell assembly allow us to extract the electron density for ethanol HP phase by the maximum entropy method. © 2011 American Institute of Physics.

    DOI

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  • Hydrogen motions of Mg(OD)(2) and Ca(OD)(2) at several temperatures

    Takaya Nagai, Asami Sano-Furukawa, Riko Iizuka, Bryan C. Chakoumakos, Jaime A. Fernandez-Baca

    ACTA CRYSTALLOGRAPHICA A-FOUNDATION AND ADVANCES   67   C241 - C241  2011年

    DOI

  • Infrared absorption spectra of δ-AlOOH and its deuteride at high pressure and implication to pressure response of the hydrogen bonds

    H. Kagi, D. Ushijima, A. Sano-Furukawa, K. Komatsu, R. Iizuka, T. Nagai, S. Nakano

    Journal of Physics: Conference Series   215  2010年

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    Infrared absorption spectra of δ-AlOOH and its deuterated form (δ-AlOOD) were measured at high pressure using a diamond anvil cell under a quasi-hydrostatic pressure condition using helium as a pressure-transmitting medium. Two absorption bands at 1180 cm-1and 1330 cm-1 involving vibrations of hydrogen and oxygen atoms shifted to higher frequencies with increasing pressure up to 10 and 12 GPa for δ-AlOOH and δ-AlOOD, respectively. In contrast, at higher pressures the two bands did not shift so much. The pressure-response on the infrared spectra has a close relationship to the symmetrization of the hydrogen bonds and change in the compressibility which was observed from X-ray diffraction measurements. © 2010 IOP Publishing Ltd.

    DOI

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  • Comparing ruby fluorescence spectra at high pressure in between methanol-ethanol pressure transmitting medium and its deuteride

    R. Iizuka, H. Kagi, K. Komatsu

    Journal of Physics: Conference Series   215  2010年

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    Ruby fluorescence spectra were statistically compared in between a 4:1 methanol-ethanol and its deuterated mixture under high pressure in the DAC. It was confirmed that the isotope substitution in the pressure transmitting media results in no distinctive difference in the peak shape and pressure shift of the R1 and R2 lines in the ruby fluorescence spectra up to around 25 GPa. These results suggest that the pressure-induced solidification/glass transition between these hydrogenated and deuterated liquids has no isotopic effect within experimental uncertainties. © 2010 IOP Publishing Ltd.

    DOI

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  • Experimental observations of H-bonding symmetrization of delta-AIOOH

    H. Kagi, D. Ushijima, A. Sano-Furukawa, K. Komatsu, R. Iizuka, T. Nagai, S. Nakano

    GEOCHIMICA ET COSMOCHIMICA ACTA   73 ( 13 ) A613 - A613  2009年06月

  • 含水地球深部鉱物の高圧下での水素結合対称化と同位体効果

    鍵 裕之, 牛嶋 大地, 佐野 亜沙美, 小松 一生, 飯塚 理子, 中野 智志

    日本地球化学会年会要旨集   56   315 - 315  2009年

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    下部マントルまで水を運搬する可能性が示唆されている、含水アルミニウム水酸化物delta-AlOOHについて、疑似静水圧条件で圧縮率の精密測定と赤外吸収スペクトルの観察を行い、水素結合の対称化の兆候を観察した。また、圧力応答に水素の同位体効果が見られた。

    DOI CiNii

  • Change in compressibility of δ-AlOOH and δ-AlOOD at high pressure: A study of isotope effect and hydrogen-bond symmetrization

    Asami Sano-Furukawa, Hiroyuki Kagi, Takaya Nagai, Satatoshi Nakano, Satatoshi Fukura, Daichi Ushijima, Riko Iizuka, Eiji Ohtahtahtani, Takehehiko Yagi

    American Mineralogist   94 ( 8-9 ) 1255 - 1261  2009年

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    The compression behaviors of δ-AlOOH and δ-AlOOD were investigated under quasi-hydrostatic conditions at pressures up to 63.5 and 34.9 GPa, respectively, using results from synchrotron X-ray diffraction experiments conducted at ambient temperature. Because of the geometric isotope effect, at ambient pressure, the a and b axes of δ-AlOOD, which define the plane in which the hydrogen bond lies, are longer than those of δ-AOOH. Under increasing pressure, the a and b axes of δ-AlOOH stiffen at 10 GPa, although the c axis shows no marked change. Identical behavior was found in δ-AlOOD, but the change in compressibility was observed at a slightly higher pressure of 12 GPa. Axial ratios a/c and b/c first decrease rapidly with increasing pressure, then begin to increase at pressures >10 GPa in δ-AlOOH and >12 GPa in δ-AlOOD. At these pressures, the pressure dependence of a/b also changes from increasing to decreasing. The unit-cell volumes of δ-AlOOH and δ-AlOOD become slightly less compressible at high pressures. Assuming K0' = 4, the calculated bulk moduli of δ-AlOOH below and above 10 GPa are 152(2) and 219(3) GPa, respectively. Those of δ-AlOOD below and above 12 GPa are 151(1) and 207(2) GPa, respectively.

    DOI

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  • Micro-pellet method for infrared absorption spectroscopy using a diamond anvil cell under a quasi-hydrostatic condition

    Hiroyuki Kagi, Daichi Ushijima, Riko Iizuka, Satoshi Nakano, Takaya Nagai

    High Pressure Research   28 ( 3 ) 299 - 306  2008年09月

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    A method was proposed for measuring infrared absorption spectra at high pressure under quasi-hydrostatic pressure conditions. Two KBr micro-pellets were prepared as samples, and reference materials were charged in a diamond anvil cell, applying helium as the pressure-transmitting medium. Using this method, the quasi-hydrostatic pressure condition was retained up to approximately 20GPa. Furthermore, hydrostaticity was much better than conventional pressure-transmitting media used for infrared spectroscopy. Infrared absorption spectra of α -FeOOH at high pressure were measured using the KBr micro-pellet method with a helium pressure-transmitting medium. Downshift of the OH stretching vibration was observed with increasing pressure. Use of the KBr micro-pellet method for infrared absorption spectroscopy at high pressure is a complementary experimental technique to neutron diffraction at high pressure for studying the pressure response of hydrogen bonds.

    DOI

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講演・口頭発表等

  • 地球深部における含水鉱物の水素結合対称化:高温高圧下におけるβ-CrOODの中性子回折実験

    市東 力, 鈴木 昭夫, 鍵 裕之, 佐野 亜沙美, 柿澤 翔, 小松 一生, 青木 勝敏, 飯塚 理子, 町田 真一, 古川 登

    日本地球化学会年会要旨集   一般社団法人日本地球化学会  

    発表年月: 2019年

    開催年月:
    2019年
     
     

     概要を見る

    <p>含水鉱物中の水素は水酸化物イオンとして取り込まれ、対向する酸素原子と水素結合を形成する。また、加圧によるポテンシャルの形状変化に伴って、最終的には水素原子が2つの酸素原子間の中心に位置する水素結合対称化が起こる。本研究は、歪んだルチル型構造を持つ含水相に関する水素結合の温度依存性とその圧縮特性への影響の解明を目的として行われた。マルチアンビルプレスを用いてbeta-CrOODの高温高圧中性子回折実験を行い、リートベルト法を用いた結晶構造の精密化を行った。O-D...O結合距離に注目すると、高温では常温に比べてD...O距離が増加し、対称化からはより「遠い」位置にD原子が存在するということが分かった。この結果は、地球内部の高温条件では、常温に比べて水素結合対称化がより高い圧力で起こることを示唆している。</p>

  • 鉄-含水シリケイトの高温高圧X線イメージングによる地球進化過程の解明

    飯塚 理子, 後藤 弘匡, 鈴木 昭夫, 鍵 裕之

    日本地球化学会年会要旨集   一般社団法人日本地球化学会  

    発表年月: 2019年

    開催年月:
    2019年
     
     

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    原始地球の進化において、複数の軽元素がコアの主成分である鉄に取り込まれたと考えられている。しかし、その詳細なプロセスやどの元素がどの程度溶け込んだかは分かっていない。本研究では、密度低下と融点降下に絶大な影響を及ぼしうる水素と硫黄の2つの軽元素に着目し、鉄-含水シリケイト±硫黄の系に対して高温高圧下放射光X線回折およびイメージングその場観察から、地球形成初期のコア-マントル分化の様子を再現し、反応プロセスの解明を試みた。構築した高解像度X線イメージング用のカメラシステムでの観察と同時に回折パターンも測定することで、高温高圧下で脱水した水や硫黄と鉄が反応して鉄水素化物や硫化鉄が生成し、さらに全溶融したシリケイト中で鉄化合物が徐々に凝集して球となり徐々に沈んでいく様子をリアルタイムで捉えることに成功した。

  • アルカリ金属炭酸水素塩の圧力誘起相転移

    桂 維彬, 飯塚 理子, 鍵 裕之

    日本鉱物科学会年会講演要旨集   一般社団法人日本鉱物科学会  

    発表年月: 2017年

    開催年月:
    2017年
     
     
  • 中性子回折によるポートランダイトの熱膨張機構の研究

    永井 隆哉, 佐野 亜沙美, 飯塚 理子, 鍵 裕之

    日本鉱物科学会年会講演要旨集   一般社団法人日本鉱物科学会  

    発表年月: 2012年

    開催年月:
    2012年
     
     

     概要を見る

    米国オークリッジ国立研究所の実験用原子炉で中性子回折実験を行い、リートベルト解析によって得られた結晶構造パラメーターから、ポートランダイトの熱膨張のメカニズムについて報告し、昨年行った同形構造を持つブルーサイトとの違いについて議論する。

  • 高圧含水相の圧力応答に見られる同位体効果

    鍵 裕之, 飯塚 理子, 小松 一生, 佐野 亜沙美

    日本地球化学会年会要旨集   一般社団法人日本地球化学会  

    発表年月: 2011年

    開催年月:
    2011年
     
     

     概要を見る

    我々は高圧下での中性子回折実験によって、地球や惑星内部で水素がどのような結晶構造で取り込まれているのかを研究している。中性子回折実験では重水素置換した試料で実験を行うが、軽水素化合物と重水素化合物でその構造や圧力応答に同位体効果が見られる可能性がある。本報告では、水酸化カルシウムに着目し、ラマンスペクトル、赤外スペクトル、X線回折パターンを水素化物と重水素化物とで比較し、高圧相転移にどのような同位体効果が見られるかを調べた。講演では、これまで報告されてきた種々の含水物質の高圧下での挙動と比較しながら、高圧相転移における軽水素―重水素間の同位体効果について、その支配要因について考察する。

  • Mg(OD)2の高温中性子回折実験

    永井 隆哉, 佐野 亜沙美, 飯塚 理子, 鍵 裕之

    日本鉱物科学会年会講演要旨集   一般社団法人日本鉱物科学会  

    発表年月: 2011年

    開催年月:
    2011年
     
     

     概要を見る

    MMg(OD)2の高温下での構造変化、特に、D原子の挙動を調べるために、高温中性子回折実験を行った。実験は米国オークリッジ国立研究所の実験原子炉HFIRにある日米広角中性子回折装置(WAND)で行った。測定は200から600Kの温度で100度ごとに行い、格子定数などの変化は500Kまでは単調な変化を示したが、600Kのデータは、そのトレンドから外れる結果となった。

  • 高圧下における異極鉱の構造と水素結合の変化

    山口 祐, 飯塚 理子, 小松 一生, 鍵 裕之

    高圧討論会講演集  

    発表年月: 2010年10月

    開催年月:
    2010年10月
     
     
  • 高圧下における異極鉱の水素結合と結晶構造の変化

    山口 祐, 飯塚 理子, 小松 一生, 鍵 裕之

    日本地球化学会年会要旨集   一般社団法人日本地球化学会  

    発表年月: 2010年

    開催年月:
    2010年
     
     

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    水は地球内部において岩石の溶融、レオロジー、元素の分配といった種々の現象に極めて重要な役割を果たしている。そのため、地球深部における水の役割、特に鉱物と水の相互作用を明らかにすることは地球のダイナミクスを理解する上で最も重要な課題の一つである。異極鉱は亜鉛の含水ケイ酸塩鉱物であり、結晶構造の空隙に水分子が一分子ずつ存在する特異な構造を有する。そのため、水分子と鉱物の相互作用や鉱物中での水素結合の挙動を調べる上でモデル的な物質となり得る。しかし、地球内部での挙動を議論するのに不可欠な高圧条件下における報告はなされていない。本研究では、高圧下での振動スペクトル測定およびX線回折測定を行い、異極鉱の構造および水素結合の圧力応答を調べた。

  • 炭酸水素カリウムの圧力誘起構造相転移のその場観察と同位体効果の探索

    飯塚 理子, 小松 一生, 鍵 裕之

    日本地球化学会年会要旨集   一般社団法人日本地球化学会  

    発表年月: 2007年

    開催年月:
    2007年
     
     

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    含水鉱物の圧縮挙動は物質の構造変化に直接的に関連し、地球内部での大規模現象における有用な情報を与えうることから、近年、水素結合を含む物質の圧力応答に関する研究が進められてきた。常圧でも強い水素結合をもつ炭酸水素カリウムKHCO3は、結晶構造中で2つのHCO3イオンが水素結合によって二量体を形成している。この二量体の配向秩序が変化することで、圧力や温度誘起による相転移が起こる。しかし、この物質の相転移圧力への同位体効果はいまだ明らかではない。本研究では、DACを用いた、単結晶KHCO3とKDCO3の圧力相転移前後のラマンスペクトルと結晶の外形の変化の精密なその場観察から、圧力誘起相転移における同位体効果の存在の確認と相転移メカニズムの検証を行った。

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共同研究・競争的資金等の研究課題

  • アルカリケイ酸塩を介した下部マントル深部への希ガス貯蔵

    日本学術振興会  科学研究費助成事業 基盤研究(C)

    研究期間:

    2023年04月
    -
    2026年03月
     

    飯塚 理子

  • 地球・惑星深部における水素の物質科学

    日本学術振興会  科学研究費助成事業 基盤研究(S)

    研究期間:

    2018年06月
    -
    2023年03月
     

    鍵 裕之, 小松 一生, 青木 勝敏, 佐野 亜沙美, 柿澤 翔, 飯塚 理子

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    これまでに高圧下でのX線回折や振動分光測定などの実験手法が確立され、地球深部や惑星深部に存在しうる水素を含むさまざまな物質の構造と物性に関する研究が進行した。研究室での室内実験とJ-PARCのパルス中性子源、SPring-8、高エネ研の放射光X線を最大限に活用し、氷高圧相、鉄水素化物、含水鉱物の構造解明でいくつかの成果が得られた。
    (1)氷高圧相と新規塩水和物の構造決定: 独自に開発した低温高圧下誘電率測定装置とJ-PARCにおける低温高圧条件での中性子回折実験により、新しい氷の多形(氷XIX)を発見した。氷XIXは、氷VIの水素秩序相に対応するものであるが、これまで知られてきた氷VIの水素秩序相(氷XV)とは異なる秩序相であり、一つの水素無秩序相に対応して複数の秩序相が存在することが初めて明らかになった。
    (2)金属水素化物の構造決定: 地球形成初期を模擬した高温高圧下での中性子回折実験を行い、鉄に取り込まれた水素量を決定し、硫黄の共存によって鉄の水素化が抑制されることが分かった。この結果から、鉄を主成分とする地球コアに含まれている軽元素候補の中で、水素と硫黄が溶け込む際の相互の影響が明らかになった。水素と硫黄が地球形成の初期段階で優先して固体の鉄と反応した後に、他の軽元素が鉄に溶けこみやすくなった可能性が示された。また、高温高圧下での放射光X線回折測定によって、Fe-H系の相関係を再検討し、相境界が従来報告されていた温度よりも150-300 K低くなることがわかった。
    (3)含水鉱物の高圧下での構造決定: 地球深部の含水鉱物にフッ化物イオンが取り込まれることによる影響を考察する目的で、Mg(OH)Fの高圧下での圧縮挙動とOH伸縮振動の圧力依存を実験的に明らかにした。

  • 高温高圧実験による地球形成初期過程における軽元素の探究

    日本学術振興会  科学研究費助成事業 若手研究

    研究期間:

    2018年04月
    -
    2022年03月
     

    飯塚 理子

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    鉄を主成分とする地球核には、複数の軽元素が存在すると考えられている。中でも宇宙存在度が最大で、最も軽い水素は、鉄水素化物となり鉄の融点や密度を下げることから、地球核の密度欠損を説明しうる有力候補とされてきた。
    本研究では水素と硫黄に着目し、原始地球を模擬した鉄ー含水ケイ酸塩系に対して放射線X線とパルス中性子を用いた高温高圧その場観察を行った。鉄の水素化に対する硫黄の影響について調べた結果、硫黄の存在によって鉄の水素化が阻害されることが明らかになった。このことから、地球進化の初期段階では水素と硫黄が固体鉄に優先的に取り込まれ、溶融鉄に他の軽元素が徐々に溶け込んだことが示唆される。

  • 中性子回折用超高圧装置の開発と高圧下における水素結合系物質の挙動の解明

    日本学術振興会  科学研究費助成事業 特別研究員奨励費

    研究期間:

    2013年04月
    -
    2017年03月
     

    飯塚 理子

     概要を見る

    地球深部に遍在する水(水素)の存在状態を明らかにすることは、地球内部のダイナミクスや物質循環を理解する上で非常に重要である。本研究では水素を観察できる中性子線を用いることにより、地球深部に相当する高圧条件下において水や水素がどのような振る舞いをするのかを観察し、地球内部物質に対するこれらの影響を明らかにする手がかりを得ることを目的として、高温高圧中性子回折実験用に新たに開発したセルを導入し、研究を遂行した。
    最終年度(出産育児により一時中断後研究を再開した残り2ヶ月間)は、主に解析と今後に向けた追試実験を行った。水素の振る舞いを直接観察できる中性子回折の手法を用いて鉄-シリケイト-水系の地球形成初期に集積した物質をモデル化した出発試料に対して高温高圧下その場観察を行い、高温高圧下で含水鉱物が脱水してできた水と固体の鉄とが反応して、鉄水素化物が生成する様子をリアルタイムでとらえることに成功した。これにより、鉄と鉄が水素化物となって有意に水を取り込むことが明らかになり、原始地球で始源物質が集積していく初期段階で、水素は鉄へと溶け込み始めていたことが示唆された。この研究結果は学術雑誌に論文として出版され、地球核に取り込まれた軽元素の問題に対して、これまで種々の実験が行われてきた純鉄とケイ酸塩の系だけではなく、水素化した鉄とケイ酸塩間での軽元素の分配を調べていくことの重要性を投げかけた。高圧下での中性子その場観察では、高温高圧が長時間安定に発生でき、かつ、大容量の試料でシグナル強度を稼げることが望ましい。そのためには、本研究で開発・導入した新型6-6セルに対して、高温高圧下での圧力抜け及びアンビルセルからの中性子の吸収を軽減などの課題を克服していく必要がある。今後の展望として、更なるセルの改良によりアセンブリの最適化を図っていくための基礎固めが本研究によってなされたと言える。

  • 高圧中性子実験にもとづく地球コア中の水素の研究

    日本学術振興会  科学研究費助成事業 基盤研究(A)

    研究期間:

    2013年04月
    -
    2016年03月
     

    八木 健彦, 井上 徹, 奥地 拓生, 飯塚 理子, 後藤 弘匡, 奥地 拓生, 井上 徹, 服部 高典, 佐野 亜沙美

     概要を見る

    地球核に溶け込んでいる軽元素の有力候補のひとつとして挙げられている水素が、地球生成初期にどのようにして鉄に溶けたかを明らかにするために、鉄と含水鉱物の混合系を試料とした初めての高温高圧下中性子回折実験を、茨城県のJ-PARCで行った。その結果、地球生成初期に始源物質として水を含む隕石や隕鉄が集積すると、温度上昇に伴ってまず水素を溶かし込んだ溶融鉄が生成し、他の軽元素はその後に溶けた水素化鉄とケイ酸塩が反応して溶け込んだ可能性が高いことが明らかになった。

  • 超高圧高温を利用した新しい機能性ダイヤモンドの創成と探索

    日本学術振興会  科学研究費助成事業 基盤研究(C)

    研究期間:

    2012年04月
    -
    2015年03月
     

    後藤 弘匡, 浜根 大輔, 磯部 正彦, 飯塚 理子

     概要を見る

    従来よりも高い圧力を試料に加える超高温高圧合成法を用いて、不純物元素をドープした新しいダイヤモンドの合成を行った。Liをドープする場合はLi-GICを出発物質にすることが、Mgドープの場合は触媒がそれぞれ必要であったが、両元素がドープされたダイヤモンドを合成する事ができた。また放射光その場観察実験により、Mgドープダイヤモンドの生成メカニズムについて研究も進めた。

  • 高圧下中性子回折その場観察による金属水酸化物の水素結合の圧力応答の解明

    日本学術振興会  科学研究費助成事業 研究活動スタート支援

    研究期間:

    2012年08月
    -
    2014年03月
     

    飯塚 理子

     概要を見る

    本研究は、大強度陽子加速器施設J-PARC(茨城県東海村)にある高圧中性子回折実験用ビームラインにおいて、含水鉱物の高圧下における水素結合の挙動と水素原子の位置を明らかにすることが目的である。そこで、まず短時間で高S/N比を持つ良質な中性子回折パターンを得ることができる高圧発生装置を改良し、含水鉱物のアナログ物質として知られる水酸化カルシウムCa(OD)2の新高圧相について、高圧下での中性子その場観察を世界で初めて試みた。
    平成24年度は主に装置の開発を進めてきた。中性子実験のスケジュール調整と装置開発面での計画延長の必要が生じたことから、平成24年度経費の一部を25年度に繰越した。これにより、2013年内に申請者自身が実験責任者として採択された実験課題に沿って、J-PARCにある高温高圧ビームラインPLANET(BL11)にて中性子実験が実現した。また2013年夏には、フランスの中性子実験施設に遠征し、開発された本装置の一部をさらなる改良・実用化した実験にも参加し、非常に有益な機会も得た。J-PARCの実験では、申請者がこれまでに開発してきた高圧発生装置を持ち込み、この装置の有用性を示すことができたと同時に、Ca(OD)2の室温高圧相の回折パターンを測定することに初めて成功し、結晶構造と水素原子位置の詳細が明らかになった。また、別に6軸プレスを用いた中性子実験から得られたCa(OD)2の高温高圧相の結果も併せて、高圧相の相関係と水素結合の変化について考察し、同等の構造をもつ水酸化物の高圧下での振る舞いに関して、体系的な理解につながる知見を得た。この成果報告として、国内外の学会で発表を行った。さらに、学術雑誌Journal of Solid State Chemistryに論文を投稿し、非常によいコメントをいただき、現在そのリバイス段階にある。

  • 中性子回析用超高圧セルの開発と水素結合の圧力応答のその場観察

    日本学術振興会  科学研究費助成事業 特別研究員奨励費

    研究期間:

    2010年
    -
    2011年
     

    飯塚 理子

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    水素結合を基調とする物質の圧力誘起相転移における結晶構造変化を詳細に調べることは、物質科学の分野に新しい知見を与えるだけでなく、地球内部の理解を深めることにもつながる。本研究では、地球深部まで水を運搬する含水鉱物のモデル物質とされている、水酸化カルシウムに着目し、この物質の未知の室温高圧相の構造を同定することを目的として、ダイヤモンドアンビルセルを用いた単結晶X線回折実験による高圧下その場観察を行った。また、解析に必要な十分な数の反射をより多く得るために、広い開口角を持つダイヤモンドアンビルセルへの改良も行った。
    片方のダイヤモンドの先端面中心にエキシマレーザーを用いて底面が平らな凹みを掘った、"Radial-DAC"を開発し実験を行った。この凹みの中に単結晶試料を入れ、加圧軸に垂直に開いた窓を通して、入射X線を照射し回折X線を検出する測定系で、イメージングプレートを用いて高圧相のブラッグ反射を測定した。この新しい高圧装置と高輝度なX線を組み合わせて得られた振動写真の解析から、室温高圧相の構造とその相転移メカニズムが明らかになった。これは、これまでの先行研究では非晶質化すると考えられていた水酸化カルシウムの圧縮挙動における新しい発見であり、大変重要な成果であると言える。
    将来的には、この水酸化カルシウムの高圧相の水素位置と低圧相からの水素結合の変化の詳細を知るために、大強度陽子加速器施設J-PARCのパルス中性子を利用した、高圧下での粉末中性子回折実験の実現を目指している。昨年度、および本年度前期には、中性子回折と分光測定の同時観察を可能にするためのアンビルとガスケット部分の改良も行った。これにより、静水圧のよい条件下で、水酸化カルシウムの室温高圧相の回折パターンをより短時間で測定することが可能なセルの準備が整った。

  • 多結晶ダイヤを用いたコア条件下の超高圧高温実験に基づくコアの物質科学的研究

    日本学術振興会  科学研究費助成事業 基盤研究(B)

    研究期間:

    2007年
    -
    2009年
     

    八木 健彦, 岡田 卓, 末田 有一郎, 入舩 徹男, 後藤 弘匡, 丹羽 健, 佐野 亜沙美, 浜根 大輔, 藤田 尚行, 片桐 聖智, 佐藤 友子, 飯塚 理子, 中村 ひとみ, 石橋 高

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    多結晶ナノダイヤモンドおよび通常の単結晶ダイヤモンドをアンビル材として用いたダイヤモンドアンビルと、レーザー加熱およびシンクロトロン放射光とを組み合わせて、地球の核に相当する超高圧高温条件下でのX線回折実験を行う技術を開発した。それを用いて、鉄とキセノンの反応を155GPa、3000Kの高圧高温条件まで調べた。両者はこの条件下でも全く反応しないことから、従来地球科学で大きな課題とされてきたキセノン欠損の原因が、コアにあると考えることは難しいことを明らかにした。

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Misc

  • Effect of Sulfur on Hydrogenation of Metallic Iron and Evolution of the Earth's Core

    Riko Iizuka-Oku, Hiroyuki Kagi

    Materia Japan   61 ( 4 ) 202 - 209  2022年04月

    記事・総説・解説・論説等(学術雑誌)  

    DOI

  • 高温高圧におけるコーサイトのレオロジー特性

    土居 峻太, 西原 遊, 後藤 弘匡, 飯塚 理子, 鈴木 昭夫, 亀卦川 卓美

    日本鉱物科学会年会講演要旨集   2017 ( 0 ) 111 - 111  2017年

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    コーサイトは沈み込んだ大陸地殻の主要構成鉱物であり、UHPM環境において大陸地殻の変形強度を支配すると示唆されている。しかしコーサイトの粘性率に関する先行研究はRenner et al. (2001) のみであり、その実験条件はGriggs型高圧変形装置の性能により4 GPa以下に限られている。本研究では高エネルギー加速器研究機構、PF-ARのNE7Aに設置されたD-DIA型高圧変形装置及びD111型高圧変形装置を用いてコーサイト多結晶体のその場観察一軸圧縮実験を行った。その場観察には50 keVの単色X線を用いた。ラジオグラフ像はYAG蛍光体とCCDカメラを用いて、二次元回折像はX線を0.2 mm四方に絞って試料に照射しイメージングプレートまたはフラットパネルに露光して取得した。ラジオグラフ像中の試料長からひずみを算出した。二次元回折像中の各格子面のデバイリングを解析し、応力と圧力を算出した。4 GPa付近において得られた定常応力はRenner et al. (2001) とよく一致した。9 GPa付近の結果を考慮した流動則構成方程式およびその地球科学的示唆に関しては当日にて発表する予定である。

    DOI CiNii

  • 高温高圧下での鉄-ケイ酸塩-水系の中性子回折その場観察

    波紋   27 ( 3 ) 104 - 108  2017年

    記事・総説・解説・論説等(学術雑誌)  

    DOI

  • Development of opposed-type anvils with wide-angle aperture and investigation of pressure-induced phase transition of Ca(OD)<inf>2</inf>

    Riko Iizuka-Oku

    Review of High Pressure Science and Technology/Koatsuryoku No Kagaku To Gijutsu   26 ( 2 ) 128 - 139  2016年

    書評論文,書評,文献紹介等  

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    Newly designed opposed-type anvil assemblies were developed for acquiring high signal intensity of neutron diffraction data and ruby fluorescence spectra. Ni-binded WC anvils with a wide aperture angle, which were combined with a hybrid gasket made of TiZr and Al-alloy, achieved nearly ~15 GPa at room temperature. The neutron diffraction intensity was 2.5-3.0 times greater than that using the conventional toroidal anvil assemblies. The performance test of these new anvil assemblies confirms that sufficient quality diffraction data can be obtained. Using these assemblies, high-pressure behavior of hydrogen bond in Ca(OD)2was investigated at PLANET beamline, J-PARC.

    DOI

  • 世界に羽ばたく理学博士 第10回

    飯塚, 理子, 岡, 光夫

    東京大学理学系研究科・理学部ニュース   45 ( 2 ) 8 - 9  2013年07月

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    ドイツ バイロイトより地球科学の調べ/カリフォルニアで宇宙科学探査を楽しむ

    CiNii

  • 中性子回折その場観察による重水素化鉄の高温高圧構造研究

    町田晃彦, 齋藤寛之, 服部高典, 佐野亜沙美, 遠藤成輝, 綿貫徹, 片山芳則, 青木勝敏, 佐藤豊人, 松尾元彰, 折茂慎一, 折茂慎一, 飯塚理子

    日本金属学会講演概要(CD-ROM)   153rd  2013年

    J-GLOBAL

  • 含水鉱物中の水素結合の圧力応答についての研究 –Ca(OH)2の圧力誘起相転移のその場観察と中性子回折用高圧装置の開発–

    飯塚 理子

    地球化学   46 ( 3 ) 186 - 187  2012年

    DOI CiNii

  • アメリカ地球物理学連合 秋季大会 (AGU2010 Fall Meeting) 報告

    飯塚 理子

    高圧力の科学と技術   21 ( 3 ) 232 - 233  2011年

    DOI CiNii

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現在担当している科目

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他学部・他研究科等兼任情報

  • 理工学術院   大学院創造理工学研究科

特定課題制度(学内資金)

  • 高温高圧下での中性子回折実験による原始地球の軽元素取り込みの解明

    2023年  

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    本課題では、地球深部に存在する鉄化合物の中に取り込まれる軽水素の挙動を探究することを主な目的としている。地球の核を構成する重要な要素である鉄と軽元素との相互作用は、地球の内部構造やダイナミクスに関する理解を深める上で重要な意味を持つ。特に、地球コアに溶け込んでいる軽元素の中で水素は最も有力な候補の一つとされており、その存在形態を解明することは、地球の磁場生成や深部における物質循環の理解に対して新たな視点を提供する。本研究では、放射光X線とパルス中性子線を組み合わせたマルチ量子ビーム技術を用いた実験的アプローチにより、高温高圧条件下での鉄と水素の反応機構についての詳細なデータを取得し、地球内部における軽水素の存在形態を明らかにすることを目指した。具体的な実験手法として、まず放射光を用いた高温高圧下でのX線回折その場観察を行った。ダイヤモンドアンビルセルやマルチアンビルプレスを用いて、10-15 GPa、1000-3000Kの極端な環境下で水や水酸化物を水素源にして、炭酸鉄と水(水素)との反応を調査した。この過程で、未知の副生成物の出現を観測し、さらに回収した試料を電子顕微鏡で観察することで、金属化した形跡や鉄の酸化還元状態の変化による析出などの現象を確認した。これまでの結果から、地球深部の条件下で鉄がどのように水素と反応するか、そしてその過程でどのような物質が生成されるのかについて、貴重な洞察を得ることができた。しかし、新たに観測された生成物の詳細な結晶構造や組成については、まだ同定されていない。そのため、今後はさらなる分析と実験を重ね、未知の化合物の特定を進める予定である。最終目標として、高温高圧下でのその場観察により、鉄と水素の相互作用に他の軽元素がどのように影響を及ぼすかを明らかにする。本研究は、地球惑星科学や物質科学の分野においても重要な意義を持つと期待される。