2017 Fiscal Year Research-status Report
極薄酸化物層の超長周期秩序水和構造の形成と機能探索
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16K13631
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| Research Institution | National Institute for Materials Science |
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Principal Investigator |
佐々木 高義 国立研究開発法人物質・材料研究機構, 国際ナノアーキテクトニクス研究拠点, 拠点長 (70354404)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | ナノシート |
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| Outline of Annual Research Achievements |
前年度合成した層状チタン酸化物H1.07Ti1.73O4H2Oおよび層状ペロブスカイト酸化物HCa2Nb3O101.5H2Oの単結晶サンプルを用いて様々な試薬の水溶液中での水和膨潤挙動について調べた。四級アルキルアンモニウムイオン（TMA, TEA, TPA, TBA）の水溶液中ではいずれも層間距離の数十倍の拡大を伴う巨大水和膨潤が観測された。その膨潤度はイオンの種類、サイズには依存せず、その濃度により支配されることが分かった。またω-アミノ酸を用いても同等な大きな膨潤が誘起されることが分かった。この場合は溶液のpHは7付近で中性であり、これまでの強塩基性試薬と比べて様々な利点が考えられる。
上記の四級アルキルアンモニウムイオンにより大きく水和膨潤させた結晶サンプルに機械的振盪を加えたところ、剥離が進行し、コロイド溶液化した。TMA, TEAで膨潤させた結晶からは横サイズが10 μm前後で、シャープなエッジを持つ大型のナノシートが得られるのに対して、TPA, TBA膨潤サンプルからはサブミクロンサイズの不定形ナノシートが得られることが分かった。この傾向は層状チタン酸化物、層状ペロブスカイトの両方に共通していた。膨潤試薬により得られるナノシートのサイズ、形状が変化することは新しい知見であり、今後のナノシートの制御合成に役立つ重要な知見になりうると考えている。
得られた酸化物ナノシートの分散ゾルは一定の条件下で液晶性を示し、アンモニウムイオン濃度を変化させることによりナノシート間隔を制御できること、強磁場を印可することでナノシートを配向できることを確認した。
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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
29年度は代表的な層状チタン酸化物と層状ペロブスカイトの板状結晶が様々なアミン系試薬の水溶液中で大きく水和膨潤し、最大100 nmを超える大きな層間距離拡大が誘起されることを確認した。これは本研究の最大の目標である酸化物層の長長周期構造が実現できたことを意味している。さらにはこれを単層剥離して得られるナノシートのサイズ、形状がアミンにより大きく異なることを見出した。これらはいずれも層状ホスト化合物の反応性、挙動に関する新しい知見であり、今後の本分野の展開において重要なキーになると考えられる。以上を総合して本研究は極めて順調に進捗しているといえる。
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| Strategy for Future Research Activity |
上記の通り、本研究では極薄酸化物層の超長周期配列という最大の目標をすでに達成している。今後さらなる成果拡大を図るため、（1）超長周期配列構造のヒドロゲルによる固定化、(2)酸化物層の電荷密度制御による周期配列制御の可能性、（3）酸化物ナノシートの磁場配向性の原因の究明に着目して研究を進める方針としている。（1）は巨大水和膨潤結晶やナノシート配列液晶にアミドモノマーを加え、紫外光照射により重合ゲル化することを検討する。(2)では酸化物層の超周期配列の重要な支配要因がそれらの間の静電反発にあると考えられるため、より高い層電荷密度を持つ層状酸化物ホストならびにその剥離ナノシートを合成し、水和膨潤、水中での配列挙動について調べる。（3）に関しては、これまでに強磁場下で、酸化チタンナノシートTi0.87O2は磁場にシート面を垂直に、一方ペロブスカイト型ナノシートCa2Nb3O10は平行に配列することを突き止めている。その違いの理由として磁化容易軸の違いなどが考えられているが、議論は多分に現象論的な段階にとどまっている。本研究ではシート面と遷移金属イオンのd軌道の向きが関係している可能性に着目して、様々な2次元構造を持つナノシート（例えばTiNbO5, Ti2NbO7）などを合成し、その磁場配列性について調べ、上記仮説の検証を行う。
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