拡張ナノ空間の流動特性を利用したイオンの分離に関する研究

• Project/Area Number: 14J11983
• Research Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 国内
• Research Field: Analytical chemistry
• Research Institution: Tokyo Institute of Technology
• Principal Investigator: 森川 響二朗 東京工業大学, 原子炉工学研究所, 特別研究員(PD)
• Project Period (FY): 2014-04-25 – 2017-03-31
• Project Status: Declined (Fiscal Year 2016)
• Budget Amount: ¥4,420,000 (Direct Cost: ¥3,400,000、Indirect Cost: ¥1,020,000); Fiscal Year 2016: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000); Fiscal Year 2015: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000); Fiscal Year 2014: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000)
• Keywords: マイクロ・ナノデバイス / マイクロ・ナノ化学 / マイクロ・ナノ流体工学 / 流体工学

Outline of Annual Research Achievements

本研究は、単一分子と凝縮相の遷移領域である拡張ナノ空間(10-1000 nmの空間)のユニークな物性を利用したイオン分離デバイスの開発を目的としている。平成27年度はランタノイドイオン溶液について、昨年度取り組んだゼータ電位だけでなく導電率や誘電率の測定も行った。ゼータ電位測定の結果、拡張ナノ空間でイオン吸着が抑制されるイオンとされないイオンがあることがわかった。これらの傾向がイオンの水和エンタルピー順に現れていることを踏まえ、拡張ナノ空間のプロトン移動相の水分子とイオンに水和した水分子との関係性が添加したイオン種によって異なったため、このような結果が得られたと考察している。一方、導電率と誘電率の測定結果では、中希土類のイオン溶液においてのみ拡張ナノ空間のユニークな物性が現れた。以上から、拡張ナノ空間では水和エンタルピーによって連続的に物性が変化することと、中希土類を中心として対称的に物性が変化することがあるということをはじめて明らかにした。従来の電気二重層理論では3価のイオンは同じ点電荷として取り扱うことを考慮すると、拡張ナノ空間では電気二重層理論だけでは説明できないユニークな物性が生じていることが明らかとなり、これらの知見は拡張ナノ流体デバイスなどを作製する上で非常に重要な設計指針となる。
また、今後の分離デバイス構築に向けて新しい拡張ナノ流体制御方法の開発に取り組んだ。ドライエッチングや収束イオンビームによって任意の位置にナノ構造体を作製する方法をそれぞれ開発し、ナノ構造体部分で疎水性が増幅する効果を利用して液体のせき止めと進行を制御するバルブの機能を付与することに成功した。この流体制御技術は分離デバイスのみならず他の拡張ナノ流体デバイスに普遍的に適用可能な技術であり、流体制御のための基礎技術として大きく貢献すると考えられる。

Research Progress Status

翌年度、交付申請を辞退するため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

翌年度、交付申請を辞退するため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Fabrication of Hydrophobic Nanostructured Surfaces for Microfluidic Control (2016)
  • Author(s): Kyojiro Morikawa and Takehiko Tsukahara
  • Journal Title: Analytical Sciences Volume: 32 Issue: 1 Pages: 79-83
  • DOI: 10.2116/analsci.32.79
  • NAID: 130005118569
  • ISSN: 0910-6340, 1348-2246
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Keto-Enol Tautomeric Equilibrium of Acetylacetone Solution Confined in Extended Nanospaces (2015)
  • Author(s): Takehiko Tsukahara, Kyosuke Nagaoka, Kyojiro Morikawa, Kazuma Mawatari, Takehiko Kitamori
  • Journal Title: Journal of Physical Chemistry B Volume: 119 Issue: 46 Pages: 14750-14755
  • DOI: 10.1021/acs.jpcb.5b08020
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] MEASUREMENT OF ELECTRIC CONDUCTIVITY OF WATER IN EXTENDED NANOSPACE USING STREAMING POTENTIAL/CURRENT (2015)
  • Author(s): Kyojiro Morikawa, Yutaka Kazoe, Chih-Chang Chang, Takehiko Tsukahara, Kazuma Mawatari and Takehiko Kitamori
  • Journal Title: Proceedings of Micro-TAS 2015 Volume: 1 Pages: 1083-1085
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] LIQUID PROPERTIES OF LANTHANOID SOLUTIONS IN EXTENDED NANOSPACES TOWARD MUTUAL SEPARATION OF LANTHANOIDS (2015)
  • Author(s): Kyojiro Morikawa and Takehiko Tsukahara
  • Journal Title: Proceedings of Micro-TAS 2015 Volume: 1 Pages: 1130-1132
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] SIZE AND TEMPERATURE EFFECTS ON WATER DYNAMICS IN 10 NM-SCALE SPACES BY NMR SPECTROSCOPY (2015)
  • Author(s): Yuta Fukatsu, Kyojiro Morikawa, Takehiko Tsukahara, Yasuhisa Ikeda
  • Journal Title: Proceedings of Micro-TAS 2015 Volume: 1 Pages: 1133-1135
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] DEVELOPMENT OF SURFACE MODIFICATION AND PATTERNING METHOD USING TiO2 INTEGRATED EXTENDED NANOCHANNELS (2015)
  • Author(s): Sachiko Ishihara, Kyojiro Morikawa, Takehiko Tsukahara
  • Journal Title: Proceedings of Micro-TAS 2015 Volume: 1 Pages: 1568-1570
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Dielectric Constant of Liquids Confined in the Extended Nanospace Measured by a Streaming Potential Method (2015)
  • Author(s): K. Morikawa, Y. Kazoe, K. Mawatari, T. Tsukahara, and T. Kitamori
  • Journal Title: Analytical Chemistry Volume: 87 Issue: 3 Pages: 1475-1479
  • DOI: 10.1021/ac504141j
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] FEMTOLITER CHROMATOGRAPHY USING EXTENDED NANOCHANNEL TOWARD MILLION PLATE NUMBERS:DESIGN METHOD AND ITS VERIFICATION (2014)
  • Author(s): K. Morikawa, H. Shimizu, Y. Liu, H. T. T. Le, A. Smirnova, K. Mawatari, and T. Kitamori
  • Journal Title: Proceedings of Micro-TAS 2014 Volume: 1 Pages: 1335-1337
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Investigation of Unique Protonic and Hydrodynamic Behavior of Aqueous Solutions Confined in Extended-nanospaces (2014)
  • Author(s): K. Morikawa and T. Tsukahara
  • Journal Title: Israel journal of chemistry Volume: 54 Issue: 11-12 Pages: 1564-1572
  • DOI: 10.1002/ijch.201400095
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Development of surface modification and patterning method in extended nanochannels using fluorinated phosphonic acid (FPS)-immobilized TiO2 (2015)
  • Author(s): Sachiko Ishihara, Kyojiro Morikawa and Takehiko Tsukahara
  • Organizer: THE INTERNATIONAL CHEMICAL CONGRESS OF PACIFIC BASIN SOCIETIES 2015 (Pacifichem 2015)
  • Place of Presentation: Hawaii Convention Center etc., Honolulu, HI, USA
  • Year and Date: 2015-12-15
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Investigation of liquid properties of lanthanoid solutions confined in extended nanospaces (2015)
  • Author(s): Kyojiro Morikawa and Takehiko Tsukahara
  • Organizer: THE INTERNATIONAL CHEMICAL CONGRESS OF PACIFIC BASIN SOCIETIES 2015 (Pacifichem 2015)
  • Place of Presentation: Hawaii Convention Center etc., Honolulu, HI, USA
  • Year and Date: 2015-12-15
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] ドライエッチングによるナノ構造体作製とマイクロ流体制御への応用 (2015)
  • Author(s): 森川響二朗、塚原剛彦
  • Organizer: 化学とマイクロ・ナノシステム学会第32回研究会
  • Place of Presentation: 北九州国際会議場（福岡県北九州市）
  • Year and Date: 2015-11-26
• [Presentation] Investigation of liquid properties in extended nanospaces using streaming potential/current system (2015)
  • Author(s): Kyojiro Morikawa, Yutaka Kazoe, Chih-Chang Chang, Takehiko Tsukahara, Kazuma Mawatari and Takehiko Kitamori
  • Organizer: 68th Annual Meeting of the APS Division of Fluid Dynamics
  • Place of Presentation: Hynes Convention Center, Boston, MA, USA
  • Year and Date: 2015-11-22
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] MEASUREMENT OF ELECTRIC CONDUCTIVITY OF WATER IN EXTENDED NANOSPACE USING STREAMING POTENTIAL/CURRENT (2015)
  • Author(s): Kyojiro Morikawa, Yutaka Kazoe, Chih-Chang Chang, Takehiko Tsukahara, Kazuma Mawatari and Takehiko Kitamor
  • Organizer: The 19th International Conference on Miniaturized Systems for Chemistry and Life Sciences (MicroTAS 2015)
  • Place of Presentation: Gyeongju Hwabaek International Convention Center, Gyeongju, South Korea
  • Year and Date: 2015-10-25
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] LIQUID PROPERTIES OF LANTHANOID SOLUTIONS IN EXTENDED NANOSPACES TOWARD MUTUAL SEPARATION OF LANTHANOIDS (2015)
  • Author(s): Kyojiro Morikawa and Takehiko Tsukahara
  • Organizer: The 19th International Conference on Miniaturized Systems for Chemistry and Life Sciences (MicroTAS 2015)
  • Place of Presentation: Gyeongju Hwabaek International Convention Center, Gyeongju, South Korea
  • Year and Date: 2015-10-25
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] SIZE AND TEMPERATURE EFFECTS ON WATER DYNAMICS IN 10 NM-SCALE SPACES BY NMR SPECTROSCOPY (2015)
  • Author(s): Yuta Fukatsu, Kyojiro Morikawa, Takehiko Tsukahara, Yasuhisa Ikeda
  • Organizer: The 19th International Conference on Miniaturized Systems for Chemistry and Life Sciences (MicroTAS 2015)
  • Place of Presentation: Gyeongju Hwabaek International Convention Center, Gyeongju, South Korea
  • Year and Date: 2015-10-25
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] DEVELOPMENT OF SURFACE MODIFICATION AND PATTERNING METHOD USING TiO2 INTEGRATED EXTENDED NANOCHANNELS (2015)
  • Author(s): Sachiko Ishihara, Kyojiro Morikawa and Takehiko Tsukahara
  • Organizer: The 19th International Conference on Miniaturized Systems for Chemistry and Life Sciences (MicroTAS 2015)
  • Place of Presentation: Gyeongju Hwabaek International Convention Center, Gyeongju, South Korea
  • Year and Date: 2015-10-25
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] サブ100nmスケール拡張ナノ空間の溶液物性評価 (2015)
  • Author(s): 森川響二朗、嘉副裕、Yuriy Pihosh、馬渡和真、塚原剛彦、北森武彦
  • Organizer: 第38回溶液化学シンポジウム
  • Place of Presentation: 高知市文化プラザ（高知県高知市）
  • Year and Date: 2015-10-21
• [Presentation] 相互分離に向けた拡張ナノ空間のランタノイドイオン溶液物性評価 (2015)
  • Author(s): 森川響二朗、塚原剛彦
  • Organizer: 日本分析化学会第64年会
  • Place of Presentation: 九州大学（福岡県福岡市）
  • Year and Date: 2015-09-09
• [Presentation] Investigation of Adsorption of Lanthanide Ions for Ion Separation Using Extended Nanofluidic Channels (2015)
  • Author(s): Kyojiro Morikawa and Takehiko Tsukahara
  • Organizer: The 7th International Symposium on Microchemistry and Microsystems (ISMM 2015)
  • Place of Presentation: 京都大学（京都府京都市)
  • Year and Date: 2015-06-08
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 流動電位法を用いた拡張ナノ空間の水物性評価 (2014)
  • Author(s): 森川響二朗・嘉副裕・馬渡和真・塚原剛彦・北森武彦
  • Organizer: 第37回溶液化学シンポジウム
  • Place of Presentation: 佐賀市アバンセ(佐賀県佐賀市)
  • Year and Date: 2014-11-12 – 2014-11-14
• [Presentation] 拡張ナノ空間におけるランタノイド溶液の物性評価 (2014)
  • Author(s): 森川響二朗・塚原剛彦
  • Organizer: 第37回溶液化学シンポジウム
  • Place of Presentation: 佐賀市アバンセ(佐賀県佐賀市)
  • Year and Date: 2014-11-12 – 2014-11-14
• [Presentation] FEMTOLITER CHROMATOGRAPHY USING EXTENDED NANOCHANNEL TOWARD MILLION PLATE NUMBERS:DESIGN METHOD AND ITS VERIFICATION (2014)
  • Author(s): K. Morikawa, H. Shimizu, Y. Liu, H. T. T. Le, A. Smirnova, K. Mawatari, and T. Kitamori
  • Organizer: The 18th International Conference on Miniaturized Systems for Chemistry and Life Sciences (MicroTAS 2014)
  • Place of Presentation: Henry B. Gonzalez Convention Center, San Antonio, Texas, USA
  • Year and Date: 2014-10-26 – 2014-10-30
• [Presentation] 流動電位法を用いたランタノイドイオンの吸着平衡評価 (2014)
  • Author(s): 森川響二朗・塚原剛彦
  • Organizer: 化学とマイクロ・ナノシステム学会 第30回研究会
  • Place of Presentation: 北海道大学(北海道札幌市）
  • Year and Date: 2014-10-02 – 2014-10-03
• [Presentation] Non-probe flow monitoring system of ultra-low liquid flow rate using streaming current in a single extended nanochannels (2014)
  • Author(s): K. Morikawa, Y. Kazoe, K. Mawatari, T. Tsukahara, and T. Kitamori
  • Organizer: The 6th International Symposium on Microchemistry and Microsystems (ISMM 2014)
  • Place of Presentation: Grand Copthorne Waterfront Hotel, Singapore
  • Year and Date: 2014-07-30 – 2014-08-01
• [Remarks] 東京工業大学塚原研究室HP
  • URL: http://www.nr.titech.ac.jp/~ptsuka/index.html
• [Remarks] 東京工業大学原子炉工学研究所塚原研究室ホームページ
  • URL: http://www.nr.titech.ac.jp/~ptsuka/