固-液界面に形成される新規液体ナノ構造、水素結合分子マクロクラスターの研究

• Project/Area Number: 15710072
• Research Category: Grant-in-Aid for Young Scientists (B)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Research Field: Nanostructural science
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: 水上 雅史 東北大学, 多元物質科学研究所, 助手 (60333902)
• Project Period (FY): 2003 – 2005
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2005)
• Budget Amount: ¥3,600,000 (Direct Cost: ¥3,600,000); Fiscal Year 2005: ¥900,000 (Direct Cost: ¥900,000); Fiscal Year 2004: ¥900,000 (Direct Cost: ¥900,000); Fiscal Year 2003: ¥1,800,000 (Direct Cost: ¥1,800,000)
• Keywords: 固-液界面 / 2成分液体 / 水素結合 / 新規分子組織体 / 分子マクロクラスター / 全反射ラマン散乱測定 / 固液界面

Research Abstract

全反射ラマン散乱測定による分子マクロクラスターの分子運動性の評価
我々は表面力測定、ATR-FTIR、吸着等温線測定により、アルコール(カルボン酸)-シクロヘキサンなどの2成分液体中のシリカ表面にアルコール(カルボン酸)が水素結合により厚み数10nmにおよぶ規則構造を形成することを見いだしている(水素結合分子マクロクラスター)。さらに全反射ラマン分光法を用い、より固-液界面近傍(数10nm)の局所的な液体の構造とそのダイナミクスを選択的に評価した。
昨年度までに、全反射ラマン散乱測定システムの構築と、エタノール-シクロヘキサン2成分液体中の測定を行った。ガラスプリズム界面近傍の水素結合OH伸縮振動ピーク(ν OH-bonded)はバルク中のν OH-bondedピークより低波数シフトしており(結晶状態のピークに近い)、バルク中より強固な水素結合の形成が示唆された。エタノール濃度上昇に伴い、ν OH-bondedピークは高波数シフトし、これは濃度上昇に伴うエタノール分子の運動性の増加を示唆している。
本年度は、2成分液体中の分子マクロクラスター形成によりガラス表面間に発現する長距離引力の理論解析を行い、分子マクロクラスターとバルク溶液間の界面エネルギーの評価を行い、ラマン散乱測定の結果と比較した。例えばメタノールマクロクラスターとバルクの界面エネルギーは、バルクのメタノール-シクロヘキサン界面エネルギーの10倍以上と見積もられた(7.2mN/m)。これはクラスター形成によりOH基が配向し、界面に高密度に存在するためと考えられ、全反射ラマン散乱で得られた結晶状態に近いν OH-bondedピークと対応している。また、濃度上昇に伴い界面エネルギーは減少し、これは分子運動性の増大を示唆しており、全反射ラマン散乱で得られたν OH-bondedピークの高波数シフトとの対応がみられた。

Research Products

• [Journal Article] Preparation of Nano-Films by in-situ Polymerization of Hydrogen-Bonded Macroclusters of N-isopropylacrylamide on Silica Surfaces (2005)
  • Author(s): G.Zhong
  • Journal Title: Chemistry Letters 34 Pages: 228-229
• [Journal Article] Nano-Films Prepared by in-situ Polymerization of Self-Assembled Macroclusters of N-isopropylacrylamide on Silica Surfaces (2005)
  • Author(s): Y.Nakagawa
  • Journal Title: Transaction of the Material Research Society of Japan 30 Pages: 667-670
• [Journal Article] Surface Induced Hydrogen-Bonded Macrocluster Formation of Methanol on Silica Surfaces (2005)
  • Author(s): M.Mizukami
  • Journal Title: Langmuir 21 Pages: 9402-9405
• [Journal Article] Nano-Films Prepared by in-situ Polymerization of Self-Assembled Macroclusters of N-isopropylacrylamide on Silica Surfaces (2005)
  • Author(s): Y.Nakagawa
  • Journal Title: Transaction of the Material Research Society of Japan 30(in press)
• [Journal Article] Shear Resonance Measurement on Structuring of Liquids Confined between Mica Surfaces (2004)
  • Author(s): M.Mizukami
  • Journal Title: Progress in Colloid and Polymer Science 128 Pages: 105-108
• [Book] ナノマテリアルハンドブック 第1章6節 4.表面力 (2005)
  • Author(s): 栗原和枝
  • Total Pages: 7
  • Publisher: 株式会社エヌ・ティー・エス
• [Publications] M.Mizukami, K.Kurihara: "Hydrogen-Bonded Macrocluster Formation of 1-Propanol and 2-Propanol on Silica Surfaces"Australian Journal of Chemistry. 56. 1071-1080 (2003)
• [Publications] K.Kurihara, Y.Nakagawa, M.Mizukami: "Hydrogen-bonded Macrocluster Formation of Ethylene Glycol on Silica Surfaces in Ethylene Glycol-Cyclohexane Binary Liquids"Chemistry Letters. 32. 84-85 (2003)
• [Publications] M.Mizukami, M.Moteki, K.Kurihara: "Hydrogen-Bonded Macrocluster Formation of Ethanol on Silica Surfaces in Cyclohexane"Journal of American Chemical Society. 124. 12889-12897 (2002)