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

2020 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 18K13518
• Research Institution: Kanagawa University
• Principal Investigator: 客野 遥 神奈川大学, 工学部, 准教授 (10746788)
• Project Period (FY): 2018-04-01 – 2022-03-31
• Keywords: 水のナノサイエンス / カーボンナノチューブ / ナノ氷 / プロトン輸送 / 誘電体

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、SWCNTのチューブ軸に垂直な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。昨年度までの研究では、じゅうぶんに変形させて扁平化したSWCNTについて、内包水がこれまでにない新しい氷結晶（扁平なリボン状の氷）を形成することを示した（H. Kyakuno et al., J. Phys. Chem. C, 2018）。さらに反応力場を用いたMD計算により、リボン状氷はある任意の内包水密度において著しくプロトン輸送度が上昇することを見出した（論文投稿準備中）。
本年度は、MD計算による予測を実証するために高圧X線回折実験や高圧NMR実験を中心とした研究を展開する予定であった。しかし新型コロナウィルス感染症の影響（共同利用実験の一部キャンセル、大学の入構制限など）により、これらの実験を期待通りに進めることができなかった。そこで、比較的にコロナ禍の影響を受けずに推進することのできるMD計算による研究を引き続き精力的に行った。昨年度までの研究において、SWCNTの変形量によって構造の異なるリボン状氷が形成されることが分かっていた。そこで、それら構造の異なるリボン状氷について、プロトン輸送度の内包水密度への依存性をそれぞれ調べた。その結果、著しく高いプロトン輸送度を示すリボン状氷の構造的特徴が明らかになった。これに関連して、SWCNT内における水の流動性（水輸送特性）を調べるMD計算に現在取り組んでいる。

Current Status of Research Progress

3: Progress in research has been slightly delayed.

Reason

新型コロナウィルス感染症の影響（共同利用実験の一部キャンセルや、大学の入構規制など）により、実験を計画通りに進めることができなかった。一方で、MD計算は順調に進展している。リボン状氷のプロトン輸送について、新たに重要な知見が得られた。さらに現在は、水輸送特性を調べるMD計算へと研究を展開させている。

Strategy for Future Research Activity

昨年度に予定していた高圧XRD実験、高圧NMR実験などを行い、変形SWCNTに内包された水の構造とダイナミクスを明らかにすることを目指す。ただし、今後もコロナ禍により実験室系の研究が影響を受ける可能性は否定できない。そこで、比較的にコロナ禍の影響を受けずに推進することのできるMD計算による研究を引き続き積極的に行う。昨年度から着手し始めた水輸送特性に関する計算を重点的に行う。また、これまでに得られたMD計算結果について、システムサイズや力場に対する依存性など、細部についての検討を行う。

Causes of Carryover

新型コロナウィルス感染症の影響で一部の実験がキャンセルされたため、当初予定していた実験消耗品や試料の購入を見合わせた。また、学会発表のために海外旅費と国内旅費を計上していたが、参加を予定していた国際学会は延期、国内学会はオンライン開催になったために次年度への繰越金が生じた。繰越金は、次年度に行う実験の消耗品やSWCNT試料の購入、ＭＤ計算用コンピュータおよび解析ソフトウェアの購入に使用する計画である。