2020 Fiscal Year Annual Research Report
Material function design and physico-chemical properties of nano-sized diamond with surface modified by functional compounds in supercritical CO2
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19H02495
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| Research Institution | Kanazawa University |
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Principal Investigator |
田村 和弘 金沢大学, 機械工学系, 教授 (20143878)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
多田 薫 金沢大学, 機械工学系, 助教 (20190811)
内田 博久 金沢大学, フロンティア工学系, 教授 (70313294)
春木 将司 金沢大学, 機械工学系, 准教授 (90432682)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | ナノコンポジット / ナノダイヤモンド / 超臨界二酸化炭素 / 表面修飾 / 分散性制御 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
ナノダイヤモンド粒子表面に表面改質剤及びバイオマーカーを化学修飾させ，いろいろな溶媒環境下で分散性制御できるバイオナノコンポジットの創製法の開発を目的とする。従来の有機溶媒を用いた化学修飾の代わりに、新たに超臨界CO2を用いることで有機溶媒の残留がない特徴を有する。その開発の重要課題となる超臨界CO2中での表面改質剤の溶解度測定とその推算法の開発及びナノダイヤモンド粒子表面での化学修飾反応機構について解明する。具体的には，高級脂肪酸によりナノダイヤモンドの表面水酸基とエステル結合を形成させ，ナノダイヤモンド表面の化学修飾により，親水性であったナノダイヤモンド表面を疎水化することで，有機溶媒中で安定的な分散性を大きく改善することができる。そのためには，ナノダイヤモンド粒子表面での化学反応機構の解明及びナノ材料の分散性制御の確立が必要不可欠となる。そのため以下の実施項目を行う。①本技術により得られるナノダイヤモンド表面修飾量に及ぼす操作因子（反応温度，反応圧力，反応時間）及び界面改質剤化学反応種の違いによる影響を系統的に調査し，粒子表面での化学反応機構の解明に繋がる基礎データの蓄積を行う。②本技術によるナノ粒子の表面修飾量は，粒子表面での表面改質剤濃度が化学反応機構に大きく影響を与える。親油性基の異なった種々の表面改質剤を用いて，超臨界CO2中での表面改質剤の溶解度を測定する。化学修飾に用いる表面改質剤の溶解度の測定と溶解度モデルの開発を行う。さらに，超臨界CO2中での表面改質剤の溶解度の推算が可能なモデルの開発を行う。以上のことから，本技術による粒子表面での化学反応機構及びナノダイヤモンド材料の分散性制御技術の設計指針を明らかにすることで，超臨界CO2を用いたバイオナノコンポジットの創製技術とその分散性制御設計の確立につなげる。
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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
本技術におけるナノダイヤモンド表面化学修飾に及ぼす操作因子の影響を解明するため，本技術で得られるナノダイヤモンド表面修飾量と操作因子（反応温度，反応圧力，反応時間）及び界面改質剤化学反応種の違いによる影響を系統的に調査し，粒子表面での化学反応機構の解明に繋がる基礎データの蓄積を行った。本技術による粒子表面での化学反応機構及びナノダイヤモンド材料の分散性制御技術の設計指針を明らかにするため，ナノダイヤモンド表面化学修飾量測定装置を開発した。この装置により，温度範囲323－393K，圧力10－20MPaの操作条件で，表面改質剤として超臨界CO2に可溶する親油性の高級脂肪酸と，超臨界CO2中で粒子表面の水酸基やカルボキシル基とエステル化反応させ，ナノダイヤモンド粒子表面上でエステル化反応が温度，圧力変化に伴い，どのように進行しているか明らかにした。ナノダイヤモンド粒子表面上の修飾量をCO2密度と関連付けてまとめることができた。また，ナノダイヤモンド粒子表面での結合状態をFT-IR分析によりエステル結合が形成されていることを明らかにし，FE-TEMにより表面上での形態観察に成功した。さらに，ナノ粒子の表面修飾量は，粒子表面での表面改質剤濃度が化学反応機構に大きく影響を与えるため，超臨界CO2中での表面改質剤の溶解度が基礎的知見として必要である。そのため，温度範囲323－393K，圧力10－70MPaの範囲で，溶解度を測定可能な装置を製作した。また，既往の測定値と比較・検定し，実験誤差範囲内で測定できることを明らかにし，新たな溶解度測定装置の開発に成功した。
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| Strategy for Future Research Activity |
本技術により得られるナノダイヤモンド表面修飾量に及ぼす操作因子（反応温度，反応圧力，反応時間）及び界面改質剤化学反応種の違いによる影響を系統的に引き続き調査し，粒子表面での化学反応機構の解明に繋がる基礎データの蓄積を行い，本技術による粒子表面での化学反応機構及びナノダイヤモンド材料の分散性制御技術の設計指針を明らかにする。具体的実施項目は以下のとおりである。(1)表面改質剤として超臨界CO2に可溶する親油性の高級脂肪酸や芳香族カルボン酸と，超臨界CO2中で粒子表面の水酸基やカルボキシル基とエステル化反応させ，ナノダイヤモンド粒子表面上でエステル結合させる。そして，表面処理した粒子表面の修飾量と反応温度・圧力と修飾量の関係を解明し，ナノダイヤモンド粒子表面での反応機構を検討する。特に，ナノダイヤモンド粒子表面での結合状態をFT-IR分析によりエステル結合が形成について，FE-TEMにより表面上での形態観察をさらに進める。(2)新たに開発した流通式溶解度測定装置により，温度範囲323－393K，圧力10－70MPaの範囲での芳香族カルボン酸などの溶解度の測定を継続し，必要なデータを蓄積する。(3)エステル結合によるナノダイヤモンド粒子表面上の修飾量が溶解度と密接に関連することから，溶解度推算モデルの開発と熱力学的解析を行い，高級脂肪酸や高芳香族カルボン酸の炭素鎖数が変化したときの，溶解度変化を予測するための熱力学的モデルを新たに提案し，測定条件の範囲内外の溶解度データを正確に推算可能な手法の開発を行う。
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