Improvement of single-molecule tracking method using data assimilation and study of molecule adsorption and diffusion motions inside hierarchical porous material

2021 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 19H02086
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 19020:Thermal engineering-related
• Research Institution: Waseda University
• Principal Investigator: Matsuda Yu 早稲田大学, 理工学術院, 准教授 (20402513)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 中垣 隆雄 早稲田大学, 理工学術院, 教授 (30454127) ; 江上 泰広 愛知工業大学, 工学部, 教授 (80292283)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2022-03-31
• Keywords: 単一分子計測 / 多孔質材料 / 物質輸送

Outline of Final Research Achievements

Porous materials play an important role in a wide range of devices such as catalysts, adsorbents, and ion exchange membranes. For example, in catalysis, chemical reaction proceeds by diffusion and adsorption of target molecules on the catalyst surface. Then, it is important to accurately model the migration of target molecules on/inside a solid catalyst. In this study, the adsorption and diffusion phenomena of molecules in a porous material were investigated by Single Molecule Tracking (SMT). As a result, direct measurement of constrained motion and adsorption phenomena of molecules in the pore was realized. We also studied on the development of SMT data analysis methods based on data assimilation.

Free Research Field

マイクロ熱流体工学

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

多くの産業機器において利用されている多孔質材料内での分子・粒子挙動について，個々の分子・粒子に着目した運動解析をSMT法により実施した．その結果，多孔質材料内の分子・粒子の拡散係数は液体バルク中を自由拡散している際の拡散係数よりも低下していることが分かった．また各粒子の軌跡データから，時間ステップと変位の間のモーメントに基づき運動モードの解析を行ったところ，ナノ粒子の運動は微細孔内での拘束や壁面吸着の影響を受けていることが明らかとなった．SMT法を用い，個々の分子・粒子運動を直接観測することで，個々の分子の運動モードやその比率を詳細に調査することができ，機器開発の基盤構築に有用な知見となる．