2017 Fiscal Year Annual Research Report
Theoretical and experimental studies on ion confinement effect in nanogaps
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16K14161
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| Research Institution | Osaka University |
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Principal Investigator |
川野 聡恭 大阪大学, 基礎工学研究科, 教授 (00250837)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
土井 謙太郎 大阪大学, 基礎工学研究科, 准教授 (20378798)
辻 徹郎 大阪大学, 基礎工学研究科, 助教 (00708670)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2018-03-31
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| Keywords | 分子流体力学 / マイクロ・ナノデバイス / イオン閉じ込め効果 / 電気二重層 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は，マイクロ・ナノギャップにおけるイオン電流の応答特性に基づくイオンの閉じ込め効果について，理論モデルによる予測と実験による検証を行うことを目的としている．研究期間に，イオン交換膜を用いて帯電した溶液を生成し，マイクロ・ナノギャップの電極間に電場を印加てイオンを引き込んだ後，外部電場を除去して正負いずれかのイオン群を閉じ込める方法を提案して実証する．
平成29年度は，理論モデルに基づき陰または陽イオンを分離して閉じ込める手段を提案し，実験によりその事実を確認した．さらに，ナノスケールでの実現可能性についても数値解析により検討した．具体的には，同種金属の電極間で濃度の異なる塩化ナトリウム水溶液の2層を陽イオン交換膜で分離すると，電極間に電位差が得られた．これは，陽イオン交換膜を介してイオンの濃度差があり，高濃度側から低濃度側へイオンの拡散が生じるためである．陰陽イオンが膜中を移動するとき，陽イオンが優位に透過するため，低濃度側の溶液には陽イオンが過多となり，他方は陰イオンが過多となる．一方，正負電荷はクーロン力で引き合うため，拡散とクーロン力の釣り合うところで平衡状態となる．一般に，液中では局所的にも電気的中性が保たたれるとされる．本研究では，陽イオン交換膜を優位に透過した陽イオンが低濃度側の厚みが100μmの液相を拡散し，陰イオンに優先して対面する電極まで到達する事実を明らかにした．このことは，非定常的であるが液相が帯電した状態にあることを示し，液中で電荷の偏りが存在するのは帯電する壁面近傍の電気二重層に限られるとする従来の局所中性の理論を超越するものである．この結果をもとに，イオン交換膜に替えてナノメートルオーダのスリットを介した濃度差のある2液相を用いても同様の結果が得られることを数値解析により示し，定常状態に至るまでの時間が短縮されることを示した．
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