| Project/Area Number |
23K20247
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| Project/Area Number (Other) |
20H02023 (2020-2023)
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
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| Allocation Type | Multi-year Fund (2024)
Single-year Grants (2020-2023) |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Basic Section 18010:Mechanics of materials and materials-related
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| Research Institution | Ibaraki University |
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Principal Investigator |
前田 知貴 茨城大学, 応用理工学野, 助教 (00754730)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
堀田 篤 慶應義塾大学, 理工学部(矢上), 教授 (30407142)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2025-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2024)
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| Budget Amount *help |
¥18,070,000 (Direct Cost: ¥13,900,000、Indirect Cost: ¥4,170,000)
Fiscal Year 2024: ¥1,950,000 (Direct Cost: ¥1,500,000、Indirect Cost: ¥450,000)
Fiscal Year 2023: ¥1,950,000 (Direct Cost: ¥1,500,000、Indirect Cost: ¥450,000)
Fiscal Year 2022: ¥2,080,000 (Direct Cost: ¥1,600,000、Indirect Cost: ¥480,000)
Fiscal Year 2021: ¥2,340,000 (Direct Cost: ¥1,800,000、Indirect Cost: ¥540,000)
Fiscal Year 2020: ¥9,750,000 (Direct Cost: ¥7,500,000、Indirect Cost: ¥2,250,000)
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| Keywords | 重水素化ポリマ / ナノ複合材料 / 中性子散乱 / 構造解析 |
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| Outline of Research at the Start |
本研究では、ポリマ分子鎖内の水素Hを重水素Dに置換した重水素化ポリマに注目し、中性子散乱による多成分系ナノ複合材料の精密構造解析の実現に向けた基盤研究を実施する。具体的な研究内容は、ポリマ分子鎖内の軽水素Hと重水素Dの比を制御した重水素化ポリマを合成し、この重水素化ポリマを用いてナノ複合材料を作製し、中性子散乱による構造解析を実施することである。最終的に、多成分系ナノ複合材料の構造解析を目指す。重水素化ポリマを用いた中性子散乱による構造解析の基盤技術を確立し、重水素化ポリマおよびナノ複合材料に関する先駆的研究を実施する。
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、ポリマ分子鎖内の軽水素Hを重水素Dに置換した重水素化ポリマに着目し、中性子散乱におけるコントラスト制御により、多成分系ナノ複合材料の構造解析の精密化に向けた基盤研究を実施している。具体的な研究内容は、ポリマ分子鎖内の軽水素Hを重水素Dに置換した重水素化ポリマを合成し、この重水素化ポリマを用いてナノ複合材料を作製し、中性子散乱による構造解析を実施することである。
当該年度においては、昨年度に引き続き、ナノ複合材料の作製、中性子散乱による構造解析を見据えて、重水素化するモノマおよびポリマの種類を拡大し、重水素化率（軽水素Hと重水素Dの総数に対する重水素Dの割合）が制御された重水素化ポリマの合成に取り組んだ。さらに、重水素化ポリマの中性子散乱測定および物性評価を実施することで、重水素化ポリマを活用した多成分系ナノ複合材料の構造解析において必要となる基礎データを取得した。
重水素化ポリマの合成では、エステル交換反応による重水素化が可能なポリアクリレートに着目し、10,000 g/molから100,000 g/molまでの分子量範囲において、分子量が制御されたポリアクリレートを重合し、重水素化アルコールとのエステル交換反応により、重水素化率が制御された重水素化ポリマを合成した。
重水素化ポリマの中性子散乱測定および物性評価では、軽水素Hの数密度に比例する非干渉性散乱の強度が重水素化率に応じて変化すること、重水素化の前後で物性に顕著な差がみられないことを確認した。
以上より、ナノ複合材料の作製、中性子散乱による構造解析を見据えて、重水素化モノマおよびポリマの種類を拡大するとともに、重水素化率が制御された重水素化ポリマの高分子量化を達成した。あわせて、重水素化ポリマを活用した多成分系ナノ複合材料の構造解析において必要となる基礎データを取得することができた。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
ポリマ分子鎖内の軽水素Hを重水素Dに置換した重水素化ポリマを合成し、この重水素化ポリマを用いてナノ複合材料を作製し、中性子散乱による構造解析を実施するにあたり、研究計画目標においては、ナノ複合材料の作製、中性子散乱による構造解析を見据えて、重水素化するモノマおよびポリマの種類を拡大し、重水素化率（軽水素Hと重水素Dの総数に対する重水素Dの割合）が制御された重水素化ポリマの合成に取り組むとともに、重水素化ポリマを活用した多成分系ナノ複合材料の構造解析において必要となる基礎データを取得する、としていた。そこで、エステル交換反応による重水素化が可能なポリアクリレートに着目し、分子量の制御および重水素化率の制御をおこなうとともに、重水素化ポリアクリレートの中性子散乱測定および物性評価を実施してきた。その結果、重水素化モノマおよびポリマの種類を拡大するとともに、重水素化率が制御された重水素化ポリマの高分子量化を達成した。また、非干渉性散乱の強度が重水素化率に応じて変化することや、重水素化の前後で物性に顕著な差がみられないことを確認した。
このことより、本研究の3要素（「重水素化ポリマの合成」、「ナノ複合材料の作製」、「中性子散乱による構造解析」）のうちの１つである「重水素化ポリマの合成」に関する技術を確立することができた。特に、「ナノ複合材料の作製」、「中性子散乱による構造解析」を見据えて、重水素化するモノマおよびポリマの種類を拡大するとともに、高分子量化を達成することができ、残りの2要素「ナノ複合材料の作製」および「中性子散乱による構造解析」の実現可能性が高まったといえる。以上より、重水素化率が制御された重水素化ポリマの合成技術の確立により、重水素化ポリマを活用した多成分系ナノ複合材料の構造解析に向けて、おおむね順調に進展していると考えている。
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| Strategy for Future Research Activity |
昨年度に引き続き、ナノ複合材料の作製、中性子散乱による構造解析に向けて、重水素化するモノマおよびポリマの種類を拡大し、重水素化率が制御された重水素化ポリマの合成に取り組むとともに、重水素化ポリマの中性子散乱測定および物性評価を実施することで、重水素化ポリマを活用した多成分系ナノ複合材料の構造解析において必要となる基礎データを取得する。さらに、重水素化率が制御された重水素化ポリマを用いて、ナノ複合材料の作製および構造解析を実施する。
重水素化ポリマの合成では、軽水素Hを重水素Dに交換する反応（H/D交換反応）またはエステル交換反応により重水素化率が制御された重水素化ポリマの合成に取り組む。ポリアクリレートに着目し、10,000 g/molから200,000 g/molまでの分子量範囲において、分子量を制御する。
重水素化ポリマの中性子散乱測定および物性評価では、軽水素Hの数密度に比例する非干渉性散乱の強度を評価するとともに、熱物性、力学物性を評価する。
ナノ複合材料の作製および構造評価では、基礎ケースとして、ポリマナノ粒子またはポリマナノファイバをナノ分散材に用いて、以前の科研費プロジェクトで確立された作製手法にもとづき、ポリマナノ粒子/ポリマ型またはポリマナノファイバ/ポリマ型のナノ複合材料を作製する。さらに可能であれば、応用ケースとして、無機ナノ粒子をナノ分散材に、共重合ポリマを母材に用いて、以前の科研費プロジェクトで確立された作製手法にもとづき、無機ナノ粒子/共重合ポリマ型のナノ複合材料を作製する。
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