2017 Fiscal Year Annual Research Report
Water in confined geometry of carbon nanotubes: pressure-dependent properties and a wet-dry transition
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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 / 構造 / ダイナミクス |
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| Outline of Annual Research Achievements |
制限空間内に閉じ込められた水は、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）に内包された水の研究を行ってきた。その結果、直径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転移の機構を明らかにすること、および内包水の物性の温度、空洞径、圧力などに対する依存性を系統的に明らかにすることである。1、2年目の研究では、wet-dry転移はSWCNT内外の水蒸気相を介して起こること、そしてwet-dry転移温度より低温において、内包水が構造転移を起こすことを明らかにした。
本年度（最終年度）の研究では、直径の異なる5種類のSWCNT試料（平均直径1.4 nm以上）について核磁気共鳴実験と分子動力学計算を行い、内包水の回転ダイナミクスを調べた。その結果、内包水は室温以下でも非常に速い回転運動をしていることを明らかにした。詳細な解析により、空洞径が小さく、空洞壁がより疎水的なほど、内包水は高速の回転拡散運動をすることが示された。これは、高速水輸送を実現するためのナノ空洞物質の設計において重要な知見であると考えられる。一方、より低温（200-220 K）において、内包水は速い回転運動から遅い回転運動へと不連続に運動性を変化させることを見出した。このダイナミクス転移の起こる温度は、昨年度の研究で明らかにした構造転移の起こる温度とほぼ一致している。この結果は、水には２つの液体相が存在するという仮説（バルク水の２液体仮説）と整合しており、SWCNT内包水がバルク水の未解明物性の解明へと繋がる知見を与え得ることが示された。以上の成果は、2017年11月にScientific Reports誌に発表された。
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