Synthesis of fractal nanostructures by dimensional control of nanosheets

• Project/Area Number: 23K23432
• Project/Area Number (Other): 22H02164 (2022-2023)
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Multi-year Fund (2024); Single-year Grants (2022-2023)
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 36010:Inorganic compounds and inorganic materials chemistry-related
• Research Institution: Shinshu University
• Principal Investigator: 杉本 渉 信州大学, 学術研究院繊維学系, 教授 (20313843)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 中戸 晃之 九州工業大学, 大学院工学研究院, 教授 (10237315)
• Project Period (FY): 2022-04-01 – 2026-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2024)
• Budget Amount: ¥17,160,000 (Direct Cost: ¥13,200,000、Indirect Cost: ¥3,960,000); Fiscal Year 2025: ¥4,550,000 (Direct Cost: ¥3,500,000、Indirect Cost: ¥1,050,000); Fiscal Year 2024: ¥4,550,000 (Direct Cost: ¥3,500,000、Indirect Cost: ¥1,050,000); Fiscal Year 2023: ¥4,680,000 (Direct Cost: ¥3,600,000、Indirect Cost: ¥1,080,000); Fiscal Year 2022: ¥3,380,000 (Direct Cost: ¥2,600,000、Indirect Cost: ¥780,000)
• Keywords: ナノシート / フラクタル / 液晶 / コロイド / 多孔体

Outline of Research at the Start

本研究ではナノシートをビルディングブロックとして、賦活法に頼らない活性炭類似構造の合成法を開発する。３次元性を備えたナノシートのフラクタル次元を制御するために、電気泳動堆積に液晶性（自己集合）や電場配向を適切に組み合わせ、所望の集積構造を構築する。グラフェン以外のナノシートをビルディングブロックとして活性炭類似構造を構築することができるようになれば、その概念の拡張により、酸化物、非酸化物、メタルナノシートなど様々な材料系に展開することができ、“活性シリカ”や“活性チタニア”、さらには“活性メタル”などこれまでに類のない多孔体への道が開拓できる。

Outline of Annual Research Achievements

直流電場でコロイド中のはく離ナノシートは反対電荷の電極に対して垂直に泳動され、電極に到達すると垂直配向を維持したまま堆積する。一方で、交流電場においてはナノシートは液晶化し、液晶ドメインは基板に対して垂直に配向する。そこで、ナノシートに液晶を形成させ、これに交流電場と直流電場を印可すると、ナノシート液晶ドメインが配向し、かつ泳動されると考えた。本年度は、ナノシートのフラクタル構造形成の因子特定と手法の一般化の一環として、２０２２（令和４）年度は水系溶媒を用い、ナノシート平面サイズ（ラテラルサイズ）、コロイド濃度、コロイド塩濃度などが異なるナノシートコロイドを種々調製し、液晶相形成と泳動現象への影響を検討した。
ナノシートコロイドに交流電場を印可する際に、直流バイアスを印可する（直流のオフセット電場を印可する）ことでナノシート液晶ドメインが泳動されるか検討した。ヘキサニオブ酸ナノシート（[Nb6O17]4－(ns)）コロイドに対しオフセット交流電場（オフセット: +4 V, 交流:50 kHz, 10 Vp－p, 印加時間: 30 min）で配向制御及び電気泳動堆積（EPD）を行い、凍結乾燥により固体粉末として取り出した。
低濃度ナノシートコロイドと高濃度ナノシートコロイドそれぞれにオフセット交流電場を印加した。高濃度ナノシートコロイドを用いた場合、直径が300マイクロメートルの円形構造体が観察された。水電解により生じた酸素の気泡がナノシートによって安定化するピッカリングエマルションを形成していると考えられる。マクロ細孔を形成させるには好都合な細孔であると考えられる。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

本年度計画していた交流電場を印可する際に直流バイアスを印可する（直流のオフセット電場を印可する）ことでナノシート液晶ドメインが泳動されるか検討した。また、薄層セルでの直流と交流電場での泳動を比較検討した。とくに、ナノシート平面サイズ（ラテラルサイズ）、コロイド濃度、コロイド塩濃度などが異なるナノシートコロイドを種々調製し、液晶相形成と泳動現象への影響を検討した。

Strategy for Future Research Activity

２０２３（令和５）年度は高濃度ナノシートコロイドを対象に検討する。デュアル電場を印可する方法として、二通りの方式を検討する。①直流オフセット交流電析：前年までの成果で、高濃度ナノシートコロイドに直流電場を印加すると水電解による気泡が生成し、ピッカリングエマルションが生じることがわかった。ピッカリングエマルションが生じない条件を探索するか、逆にピッカリングエマルションを活かした多孔体合成を検討する。②直流電源と交流電源を併用したデュアル電場：前年までの成果を受け、透明導電性電極を用いた薄層セルにて、外部から交流電場、電極から直流電場を印加したデュアル電場による多孔体構造を制御する。このとき、ナノシートの面方向サイズなどに着目し、多孔体形成機構の解明に努める。
また、配向制御ナノシートのフラクタル次元構造のモデル化のために、とくにナノシートのラテラルサイズと塩濃度に着目し、泳動現象、液晶形成のメカニズム解明を進める。