2015 Fiscal Year Research-status Report
| Project/Area Number |
15K13308
|
|---|
| Research Institution | Institute of Physical and Chemical Research |
|---|
Principal Investigator |
折井 孝彰 国立研究開発法人理化学研究所, イノベーション推進センター, 上級研究員 (60321741)
|
|---|
| Project Period (FY) |
2015-04-01 – 2017-03-31
|
| Keywords | クラスター級ナノ粒子 / サイズ選別法 / 電気移動度分析器 / ケルビン効果 / 蒸発過程 |
|---|
| Outline of Annual Research Achievements |
ナノ粒子はサイズに依存してバルクと異なる物性を示すことが知られており、有用なサイズのナノ粒子を選別する技術は重要であるが、ナノ粒子の中でも粒径が1nm近傍のクラスター級ナノ粒子のサイズ選別は現在でも困難である。真空中での質量分析器を用いるには重く、気相中で微分型電気移動度分析器（DMA）により選別を行うにはケルビン効果により蒸発等の不安定性の問題が生じ始めることに一因がある。申請者は、このナノ粒子の不安定性（サイズ変化）に起因するDMAによるサイズ選別の不確実性を解決するため、選別過程でのサイズ変化が判別可能な平板型2層式DMAを提案してきた。本研究では、これを改良してクラスター級ナノ粒子に用いて、ナノ粒子の蒸発過程を観測することを目的としている。27年度は、最初に技術の基盤となる平板型DMAの分級性能を向上させるため、以前より研究を行っていた単層の平板型DMAの構造を再検討した上で一部修正して、性能評価を行った。単分散で安定的に存在する１nmクラスのサイズ標準粒子として適当なフラーレン（C60）を用いて検定を行ったところ、サンプルガス：シースガスの流量比の広い動作条件にわたり、中心粒径に対して±1％未満の高い分級精度を達成したことが確認された。また分解能も良好であり、シースガス流量比の増加と共に向上することが確認された。更にこの分級性能は、2層式DMA のそれぞれ1層目と2層目の構造においても変わりが無いことを確認した。以上の知見を得て、2層式平板型DMAの設計と製作に移行した。
|
| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
本研究では、平板型2層式DMAによるクラスター級ナノ粒子の高速かつ高精度なサイズ選別を実現することが第1の目標である。平板型DMAは、DMAの開発初期に構造上の問題により高い分級精度を実現することが困難で一度断念され、代わりに円筒型DMAにより実用化されたという経緯がある。最近になっても平板型DMAを実現しているのは全世界で数グループのみである。したがって、単層の平板型DMAについてさえ研究例が少なく、また設計指針に当たるような知見も殆ど明らかにされていない。申請者も数年前より平板型DMAに取り組んでおり、一応の性能を得ていたが、クラスター級ナノ粒子を高精度にサイズ選別するには不十分な点があった。この様な状況を踏まえて、十分な分級精度を実現することを最も基本的な単層平板型DMAから始め、2層式DMA の1層目および2層目として必要な構造の変更を加えても性能に問題が無いことを順次確認の上、設計および製造を繰り返す必要があった。
27年度は、先ず単層の平板型DMAの構造および動作条件と測定結果の相関関係に関して再検討に取り組んだ。既に述べたとおり、設計および一部修正を施した後に単層の平板型DMAとしては良い分級性能を実現することができ、次に得られた知見を活かして2層式DMAの設計および製作に取り掛かった。27年度中に2層式DMAの性能評価まで完了することを目標にしていたが、実験環境の変更などの影響もあり数ヶ月程度の遅れが生じている。
|
| Strategy for Future Research Activity |
27年度に実証された単層の平板型DMAの分級性能は十分満足できるものであり、また、2層式DMAの製作も順調であることから、28年度は、製作した2層式DMAの性能評価と改良を行い、2層式DMAによるクラスター級ナノ粒子の高速かつ高精度なサイズ選別を実現する。2層式DMAの分級性能が十分であることを確認した後、直ちにもう一台の2層式DMAの製作に取り掛かる。並行して、2台の単層の平板型DMAもしくは2層式DMAをタンデムに用いたナノ粒子の蒸発速度の測定装置の整備を行う。構築された装置を用いて比較的大きなサイズのナノ粒子の蒸発速度の測定から始め、最終的にはクラスター級ナノ粒子の蒸発現象の高速観測を実現する予定である。
|
| Causes of Carryover |
本研究では、高精度なサイズ選別性能をもつ2台の2層式平板型DMAを製作しタンデムに用いた蒸発速度の測定システムを整備する必要がある。これは、単層の平板型DMAを4台用意する事と概ね同等であるため、最初に単層平板型DMAの分級性能を十分に改善した上で、2層式平板型DMAに拡張することが、研究目標を限られた時間と予算で成功させるための最適な手順であると判断した。そのため、主に計算機を用いた理論的再検討および既存の単層平板型DMAと消耗品を用いての実験に時間を要したため、予算額の多くが次年度に製作する2台分の2層式平板型DMAのための費用として持ち越されたため次年度使用額が生じた。
|
| Expenditure Plan for Carryover Budget |
28年度の早い時期に、最初の2層式平板型DMAを製作した後に分級性能の検定し、問題があれば改良を行う。十分な分級性能が達成されていることを確認次第、2台目の2層式平板型DMAを製作する。これと並行して蒸発部を設計して製作する。以上を9月末までに完了することを目標にし、この段階で全予算額の約7割を使用すると見込んでいる。10月以降は、構築された蒸発速度の測定システムを用いて、クラスター級ナノ粒子の蒸発速度の測定を行う。このための試薬、ガス等の消耗品および論文等の発表に掛かる経費他で残りの予算を使用する計画である。
|
