[論文レビュー] Pore evolution in interstellar ice analogues: simulating the effects of temperature increase

S. Cazaux, J.-B. Bossa+2 more|Leiden Repository (Leiden University)|Oct 23, 2014

Advanced Chemical Physics Studies参考文献 45被引用数 18

ひとこと要約

本研究では、10 K から 120 K にかけての温度上昇に伴う星間非晶質水氷（ASW）の孔構造の進化をモデル化するために、運動論的モンテカルロシミュレーションを用いた。その結果、孔が集合し、連結するようになることが明らかになった。主な発見は、孔の総表面積が著しく減少する一方で、孔の体積は比較的安定したままであることである。これにより、連結したネットワーク内での捕獲された分子同士の反応が可能になる。本研究では、星間空間における固体状態反応を促進する以前に無視されていた新たな経路として、孔の集合が提示された。

ABSTRACT

Context. The level of porosity of interstellar ices - largely comprised of amorphous solid water (ASW) - contains clues on the trapping capacity of other volatile species and determines the surface accessibility that is needed for solid state reactions to take place. Aims. Our goal is to simulate the growth of amorphous water ice at low temperature (10 K) and to characterize the evolution of the porosity (and the specific surface area) as a function of temperature (from 10 to 120 K). Methods. Kinetic Monte Carlo simulations are used to mimic the formation and the thermal evolution of pores in amorphous water ice. We follow the accretion of gas-phase water molecules as well as their migration on surfaces with different grid sizes, both at the top growing layer and within the bulk. Results. We show that the porosity characteristics change substantially in water ice as the temperature increases. The total surface of the pores decreases strongly while the total volume decreases only slightly for higher temperatures. This will decrease the overall reaction efficiency, but in parallel, small pores connect and merge, allowing trapped molecules to meet and react within the pores network, providing a pathway to increase the reaction efficiency. We introduce pore coalescence as a new solid state process that may boost the solid state formation of new molecules in space and has not been considered so far.

研究の動機と目的

• 10 K から 120 K にかけての星間非晶質固体水（ASW）氷の多孔性の熱的進化をシミュレートすること。
• 星形成を模倣する温度上昇に伴い、孔構造（特に表面積と体積）がどのように変化するかを理解すること。
• 孔の進化が固体状態反応および宇宙空間における複雑な有機分子の形成に与える影響を評価すること。
• 加熱後に多孔性が残存するかどうかを評価し、OHダングリング結合特徴の欠如に基づく仮定に疑問を呈すること。

提案手法

• 運動論的モンテカルロ（KMC）シミュレーションを用いて、気相からの水分子の付加および氷の表面および内部での表面拡散をモデル化した。
• 質量の大きな原始星の周囲の熱的進化を模倣するため、温度依存の加熱スキーム（T = 10 + kt²）を用い、5×10⁴年で200 K に達するように設定した。
• 孔の形成と進化は、格子上での水分子の移動と結合の変化をモニタリングすることで追跡した。多孔性は氷構造内の空隙として定義された。
• 表面拡散と体積拡散の両方をモデルに組み込み、温度上昇に伴い孔の形成と融合が可能になるようにした。
• 孔の形態的進化を定量化するために、温度関数としての全孔表面積および体積の変化を追跡した。
• 結果は、特に2.7 µm のOHダングリング結合特徴を含む実験データおよび観測的制約と比較され、星間氷の形態と整合性があるかを評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 10 K から 120 K にかけての温度上昇に伴い、星間非晶質水氷の多孔性はどのように進化するか？
• RQ2 温度上昇に伴い、孔の表面積および体積はどの程度変化するか。その変化が分子のアクセス性および反応性に与える影響は何か？
• RQ3 現実の星間熱的条件下で、小さな孔が合体してより大きな連結ネットワークを形成する「孔の集合」が生じ得るか？
• RQ4 2.7 µm のOHダングリング結合特徴が観測されないことは、星間氷に多孔性が存在しないことを信頼できる根拠となるか？
• RQ5 孔の集合は、いとこの氷被膜内での固体状態反応および複雑な有機分子の生成に、どのように寄与するか？

主な発見

• 非晶質固体水氷内の孔の全表面積は、20 K から 50 K の間で2倍に減少し、反応性表面積が著しく減少していることが示された。
• 温度上昇に伴い孔の全体積はわずかに減少するが、氷の内部構造が高温でも多孔性のままであることが示唆された。
• 温度上昇に伴い孔が集合し、より大きな連結した構造に合体し、氷の内部における分子の拡散および反応を促進するようになる。
• 120 K でのアニール処理後も、約20%の残留多孔性が氷中に残存しており、多孔性が熱処理によって完全に崩壊しないことが示された。
• 孔の集合は、星形成の温まり段階において、星間氷内での固体状態反応を強化する以前に無視されていた新たな経路を提供する。
• 本研究の結果は、2.7 µm のOHダングリング結合特徴が観測されないからといって、多孔性が存在しないと断定できないことを示唆し、宇宙空間における氷の密着性に関する従来の仮定に疑問を呈する。