2016 Fiscal Year Annual Research Report
Structure and properties of water confined in the nano-surface and space of carbon nanotube
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16H02079
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| Research Institution | Tokyo University of Science |
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Principal Investigator |
本間 芳和 東京理科大学, 理学部第一部物理学科, 教授 (30385512)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
由井 宏治 東京理科大学, 理学部第一部化学科, 教授 (20313017)
山本 貴博 東京理科大学, 理学部, 助教 (30408695)
伊藤 哲明 東京理科大学, 理学部第一部応用物理学科, 准教授 (50402748)
千足 昇平 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 准教授 (50434022)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | 水分子 / 相図 / 相転移 / 熱力学 / 相転移ダイナミクス |
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| Outline of Annual Research Achievements |
【CNT内包水】単層カーボンナノチューブ内部に閉じ込められた水（内包水）の挙動を近赤外蛍光発光分光法を用いて分析した。内包水の相（固，液，および気相）が環境温度・圧力によって変化することが明らかとなった。その相の変化と、ラマン散乱分光法で得られる単層カーボンナノチューブの振動特性の変化との比較検討を行った。
【グラフェン表面・界面水】グラフェン表面に凝集した水の水素結合ネットワーク構造を分子動力学計算によって調査するとともに、グラフェン表面凝集水の赤外吸収スペクトルを第一原理電子状態計算に基づく振動解析するためのシミュレーション技術を開発した。また、グラフェンとナノグラファイトの間の摩擦に及ぼす水の影響について、分子動力学法によって調査した。実験では、シリコン熱酸化膜上のグラフェンを環境セル中でラマン散乱分光法を用いて測定することにより、界面水がグラフェンにホールドープを引き起こすことを明らかにした。
【構造水の計測法の開発】低温・低圧下で温度、水蒸気圧を制御しつつ、固体表面における水の構造を、分光学的手法を用いて計測するための環境制御セルを製作した。また、表面における水からの振動スペクトルを広域かつ表面選択的に取得可能な、マルチプレックス型和周波発生分光装置を製作し、試験試料としてGaAs基板からの和周波信号を取得し、計測の素地を整えた。また、CNTの内包水の相転移ダイナミクスを測定するため、1H-NMRシステムを構築し、CNT内包水に起因する信号を捉えることに成功した。
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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
CNTでは内包水の相変化を近赤外蛍光発光分光法及びラマン散乱分光法により捉えることができた。グラフェン上の水については、シミュレーション技術を確立するとともに、実験的には界面水によるドープ効果を明らかにできた。計測法では、マルチプレックス型和周波発生分光装置の製作及び温度制御下の1H-NMR測定システムの構築など、順調に研究が進展している。また、理論と実験の連携も進みつつある。
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| Strategy for Future Research Activity |
【CNT内包水】分光計測による単層カーボンナノチューブ周りの水分子の挙動を詳細に分析すると同時に、相転移理論や数値計算等を用いてその解析を進める。また、異なる直径やカイラリティの単層カーボンナノチューブ間での比較を行い、水分子へ与える影響の直径や構造依存性を明らかにしていく。
【グラフェン表面・界面水】グラフェン表面に凝集した水の水素結合ネットワーク構造を精密に解析し、この凝集水の特異な構造を明らかにする。また、グラフェン表面の凝集水の振動スペクトルを精密に解析し、バルク水との違いを明らかにする。
【シリカ表面水】製作した環境制御セルを用いて、温度・水蒸気圧を制御しながら、表面親水基数密度を変化させたシリカ、グラフェン表面における水の構造を、反射型赤外吸収分光法とマルチプレックス型和周波発生分光法を用いて計測、比較しながら表面の親水性、疎水性が表界面特有の水素結合ネットワーク構造に及ぼす影響を系統的に明らかにし、特に熱力学的物性との相関を考察する。
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