2018 Fiscal Year Research-status Report
1次元リボン状氷の構造と物性：楕円筒形カーボンナノチューブを用いた研究
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18K13518
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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, 准教授 (10746788)
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2018-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | 水のナノサイエンス / カーボンナノチューブ / ナノ氷 / 誘電体 / プロトン輸送 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
制限された空間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。これまで研究代表者らは、単層カーボンナノチューブ（SWCNT）の有する1次元円筒空洞に内包された水の物性を明らかにしてきた。本研究ではその研究のノウハウを活かし、一軸方向の外部圧力により変形させたSWCNTに水を内包させ、その物性を調べることを目的とする。
本年度の研究は当初の計画に沿って行われ、期待通りに進展した。一軸方向に変形したSWCNTに内包された水について、SWCNT変形量を系統的に変化させた古典分子動力学（MD）計算を行った。その結果、内包水の構造と相転移挙動は、SWCNTの変形量によって著しく変化することが明らかになった。すなわち、例えば直径1.24nmのSWCNTの場合、外部圧力がゼロ（SWCNTが理想的な円筒形状）のとき、内包水の低温構造は筒状の氷（ice-NT）であった。印加する一軸性の外部圧力を徐々に大きくすると、ice-NTは変形してやがて崩壊し、乱れた液体様の構造になった。さらに圧力を大きくするとSWCNTが扁平化し、内包水はこれまでにない新しい氷結晶（扁平な“リボン状の氷”）を形成した。同様の計算を直径1.51nmのSWCNTについても行った。このリボン状氷において水分子のプロトンは秩序化しており、リボン幅を変えることでその誘電特性を制御可能であることも示唆された。本研究成果は、2018年7月にThe Journal of Physical Chemistry C誌に発表された。
本年度の後半からは、このMD計算による構造予測を実証するための高圧実験に着手し始めた。まず、一軸性の外部圧力によってSWCNTを変形させる高圧実験技術を確立した。この手法を用いた高圧X線回折（XRD）実験と高圧ラマン散乱実験をすでに開始している。
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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
本年度（初年度）の研究は当初の計画に沿って行われ期待通りに進展した。このように判断する理由を以下に述べる。
【理由１】当初の計画・研究目的に基づいて変形SWCNT内包水のMD計算を行い、その研究成果を学術論文として発表した。具体的には、直径1.24nmと1.51nmのSWCNTについて、その変形量を系統的に変化させて内包水挙動の温度変化を調べた。その結果、新規な氷結晶（“リボン状氷”）を見出し、その相転移挙動と詳細な構造を明らかにした。本研究成果を、2018年7月にThe Journal of Physical Chemistry C誌にて発表した。
【理由２】前述のMD計算結果を検証するための実験に、すでに着手している。まず本年度は、ダイヤモンドアンビル・セルを用いて一軸性の圧力を試料に印加する独自の手法を考案した。この手法を用いた高圧XRD実験と高圧ラマン散乱実験をすでに開始している。
【理由３】変形SWCNTに内包された水のダイナミクスに着目した研究も順調に進展している。MD計算結果より、内包水分子の並進運動と回転運動を解析した。その結果、SWCNTの変形量を制御すれば、内包水は低温まで結晶化せず速い運動状態（すなわち液体状態）を維持することが示された。この低温の液体状態および前述したリボン状氷について、そのプロトン輸送特性を調べるため、予備的なMD計算にすでに着手している。
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| Strategy for Future Research Activity |
今後も、当初の研究計画に基づいて研究を推進する。第一に、高圧XRD実験、高圧ラマン散乱実験を行い、変形SWCNTに内包された水の構造と相転移挙動を明らかにする。実験結果は、今年度行ったMD計算結果と比較して議論する。第二に、MD計算を用いて、変形SWCNTに内包された水の誘電特性とプロトン輸送特性を詳細に調べる。プロトン輸送では、反応力場を用いたMD計算を行う。第三に、内包水のダイナミクスを実験によって検証するために、高圧NMR測定に着手する。NMR圧力セル用の材料を購入し、一軸圧を印加可能な圧力セルを設計・作製する。
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| Causes of Carryover |
【理由】当初の計画では、本年度にMD計算用の新たなコンピュータを購入する予定であったが、これを次年度に延期した。延期の詳細な理由を以下に述べる。当初の予定では、新たに購入するコンピュータでは内包水のプロトン輸送のMD計算を開始するつもりであった。しかし本年度は、既設のコンピュータを用いた内包水の構造予測計算で予想以上に興味深い結果が得られたため、さまざまに条件を変えた計算やその解析に大幅に時間を費やしてしまった。これにより、新たなコンピュータ環境を立ち上げてプロトン輸送の研究を本格的に開始するには至れなかった。
【使用計画】今年度に延期した、MD計算用コンピュータを購入する。LAMMPSを計算エンジンとした計算環境を構築し、内包水のプロトン輸送のMD計算を行う。また、高圧XRD実験用の圧力セルとダイヤモンド・アンビルを購入し、高圧XRD実験を本格的に開始する。これに伴い、SWCNT原料と精製用薬品を購入する。さらに、高圧NMR測定を行うために圧力セル作製用材料を購入する。
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