2017 Fiscal Year Research-status Report
水和構造を介した界面張力制御による炭酸カルシウム結晶の多形選別機構の解明
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16K21164
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| Research Institution | Kyoto University |
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Principal Investigator |
荒木 優希 京都大学, 工学研究科, 特定研究員 (50734480)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | 水和構造 / 炭酸カルシウム / 多形制御 / バイオミネラリゼーション |
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| Outline of Annual Research Achievements |
２９年度は、固液界面に形成されるミクロな水和構造の変化がマクロな物性である界面エネルギーに及ぼす影響を検証すべく、FM-AFMによって水和構造の３次元的観察を、コロイドプローブAFMによって表面間力の計測を実施した。
カルサイト結晶をアラゴナイト構造へ相転移させる効果を持つ添加物（マグネシウムと合成ポリペプチド）の有無による結果を比較した。マグネシウムイオンを単独で添加したときには水和層の数は増大するものの、カルサイト表面から遠ざかる第３、４層中の水は層の面内で規則的なパターンを持たなかった。これは、他の結晶を電解質溶液中で観察した際と同様の傾向である。一方、マグネシウムと合成ポリペプチドを両方添加した系では、第４層目まで面内に規則的な構造が観察され、水の構造化がより強固であることが明らかとなった。さらに、マグネシウムイオン単独の水和構造に対する効果を検証するため、塩化マグネシウム、塩化カルシウム、塩化ストロンチウム溶液中の水和構造を比較した。その結果、塩化マグネシウム溶液中でのみ界面の水分子がカルサイト結晶表面と顕著に異なる構造を形成していることが明らかとなった。３次元的な水の積層構造を解析すると、この変化は水和構造内を拡散するマグネシウムイオンにもって引き起こされていることが示唆された。合成ポリペプチドとマグネシウムイオンが共存するとき、どのようなメカニズムで水和構造が強固になるか検証すべく、次年度も明瞭な水和イメージの取得を目指す。
一方、コロイドプローブによる表面力計測で、添加物の有無によるポリスチレン球（負に帯電）とカルサイト結晶との表面間力を比較したところ、顕著な差は現れなかった。この結果から、水和構造の変化は表面間力にはほとんど影響を及ぼさないことが示唆される。統計的に解析するため、今後も試行回数を重ねて結果を精査する。
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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
炭酸カルシウム結晶の多形選別における水和の重要性を検証するために、FM-AFMによる水和構造計測を中心に行った。各種添加物の存在下で水和構造を３次元計測することに成功し、マグネシウムと合成ポリペプチドによって水の構造化が促進される実験的証拠を得た。並行してコロイドプローブAFMによる表面力測定、DLSによる核形成率の評価を開始しており、水和構造の変化によって、表面間力や界面エネルギーがどのような影響を受けるか検証する。多形変化-水和構造-界面エネルギーの相関の解明を目的とする本研究は、予定通りに進んでいる。
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| Strategy for Future Research Activity |
コロイドプローブAFMやDLSを用いた界面エネルギーの評価を中心に行う。並行して、カルサイトからアラゴナイトへ相転移する際の表面変化を原子スケールで観察し、添加物による相転移について再現性を確認するとともに、相転移がどこから起こっているのか特定すべく、分子ステップ近傍や点欠陥周囲に着目して局所観察する。これらの結果をもとに、水和構造の変化と界面エネルギーの関係、およびその結果引き起こされる相転移のメカニズムについて議論を進める。
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| Causes of Carryover |
29年度に北海道大学低温科学研究所所有のDLSおよび透過型電子顕微鏡を使った実験を実施する予定であったが、スケジュール調整のため30年度に実施することになり、札幌への旅費の分が持ち越しとなった。30年度５月に上述の実験を予定している。
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