2015 Fiscal Year Research-status Report
制限空間内の水の研究：圧力依存性とwet-dry現象
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15K17738
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| Research Institution | Kanagawa University |
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Principal Investigator |
客野 遥 神奈川大学, 工学部, 助教 (10746788)
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2015-04-01 – 2018-03-31
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| Keywords | 水のナノサイエンス / カーボンナノチューブ / 疎水性・親水性 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
空間的に制限された領域に閉じ込められた水/氷は、バルクとは異なる振る舞いを示す。これまでに研究代表者らは、単層カーボンナノチューブ（SWCNT）に内包された水の構造やダイナミクスの研究を行ってきた。その結果、直径1.4-1.6 nm以上のSWCNTにおいて、内包された水の一部が低温でSWCNT内部から外部へと排出される現象（wet-dry転移）を見出した。本研究の目的は、このwet-dry転移における水の振る舞いの詳細と、そのメカニズムを明らかにすることである。
本年度の研究は当初の計画に沿って行われ、期待通りに進展した。直径の異なる5種類のSWCNT試料（平均直径1.68 nm以上）に水を内包させ、X線回折（XRD）実験、示差走査熱量（DSC）測定、光学顕微鏡観察を行った。その結果、wet-dry転移はSWCNT内外の水蒸気相を介して起こることが明らかになった。すなわち降温時には、wet-dry転移温度（約220 K）以下で内包水はSWCNT外部へと蒸発し、外部で凝縮して通常の氷（氷Ih）を形成する。一方昇温時には、外部の氷Ihは転移温度以上で蒸発し、SWCNT内部に吸着して凝縮する。さらに古典分子動力学（MD）計算を用いてSWCNT内包水のミクロな構造を調べ、SWCNTが直径と温度に依存する特異な疎水性をもつことを示唆する結果を得た。以上の研究成果は、日本物理学会などにおいて発表した。論文も現在投稿中である。
また上述の研究を遂行する中で、水雰囲気下においてSWCNT試料が著しくホールドープされることが熱電特性測定により明らかになった。この研究成果は、2016年1月にApplied Physics Express誌に発表された。
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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
本年度（初年度）の研究は当初の計画に沿って行われ期待通りに進展した。まず当初の計画・研究目的に基づき、SWCNT内包水のwet-dry転移における水の振る舞いの詳細を明らかにすることができた。本研究成果は、すでに日本物理学会などにおいて発表をし、論文も現在投稿中である。SWCNTの特異な疎水性の起源を明らかにするため、MD計算などを用いたより詳細な研究にすでに着手している。
また上述の研究を遂行する中で予期せぬ進展もあった。熱電特性測定を行った結果、水雰囲気下においてSWCNT試料が著しくホールドープされることが明らかになった。この研究成果は、2016年1月にApplied Physics Express誌に発表された。今後、量子化学計算などを用いて、水雰囲気によるSWCNTへのキャリアドープの機構を明らかにするつもりである。
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| Strategy for Future Research Activity |
今後も、当初の研究計画に基づいて研究を推進する。第一に、直径と温度に依存するSWCNTの特異な疎水性について、フーリエ変換赤外分光（FT-IR）実験や量子化学計算などを用いた研究を開始する。これに伴い、必要に応じてSWCNT以外の疎水性ナノ材料についても類似の研究を行い、結果を比較して議論する。
第二に、様々な直径のSWCNT試料について高圧下のXRD 実験およびNMR 測定を行い、内包水の高圧下の物性を明らかにする。
上述の研究に加え、今年度に予期せず進展した、水雰囲気によるSWCNTへのキャリアドープの研究も継続し、その機構を明らかにする。
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| Causes of Carryover |
当初の計画では、本年度に量子化学計算用コンピュータおよび量子化学計算ソフトウェアを購入して予備計算を開始する予定であったが、これを次年度に延期した。その理由は、MD計算によって予想以上に興味深い結果が得られ、その解析（内包水の構造、水素結合ネットワークの状態、自由エネルギー計算など）に当初の計画以上に時間を費やしたためである。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
今年度に延期した、量子化学計算用コンピュータおよび量子化学計算ソフトウェアを購入して計算を開始する。また、高圧下実験用のXRD圧力セル、NMR圧力セルを購入し、高圧下実験を行う。これに伴い、SWCNT原料と精製用薬品を購入する。
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