2021 Fiscal Year Annual Research Report
Observation of Dynamic Fluctuation at Phase Changes and Study on the Mechanism
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19H02671
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| Research Institution | Toyota Physical and Chemical Research Institute |
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Principal Investigator |
西川 恵子 公益財団法人豊田理化学研究所, フェロー事業部門, フェロー (60080470)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
桝 飛雄真 千葉大学, 大学院工学研究院, 准教授 (80412394)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | 動的ゆらぎ / 静的ゆらぎ / 相転移 / 混合状態 / 溶液 / 柔粘性イオン結晶 / 超臨界水 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究テーマでは、静的ゆらぎと動的ゆらぎに着目している。本年度の成果は以下のようにまとめることができる。
1)静的ゆらぎ研究の総説執筆：物質科学における静的ゆらぎの方法論については、すでに完成させている。溶液の混合状態（濃度ゆらぎで定量化）研究の方法論とその具体的実験例を総説としてまとめた。（The Solution Chemistry of Mixing States Probed via Fluctuations: a Direct Description of Inhomogeneity in Mixing.）また、密度ゆらぎの顕著な例として、超臨界水の総説を実験と理論の立場から総説にまとめた（実験部分を担当）。（Structure and Properties of Supercritical Water: Experimental and Theoretical Characterizations.）
2)柔粘性イオン結晶(IPC)の構造とダイナミクスの研究：IPCは構成イオンの重心は規則構造を作っているが配向は乱れている相で、液体と結晶の中間状態である。言い換えれば、イオン配向に大きな動的ゆらぎを持つ特殊な状態と言える。昨年度開発したX線回折データの解析方法をいくつかのIPCへ適用し、その構造と配向の乱れ方の知見を得た。
3)相変化の熱力学的研究：我々が開発した装置を用いて、IPCの一つであるtrimethylethylammonium bis(fluorosulfonyl)amideの高感度・精密熱分析を行った。相変化時において、従来の熱分析法では検知できない複雑な微細構造を検出した。柔粘性結晶と通常の結晶間の相転移のダイナミクスを熱現象としてみていると思われる。詳細な解明は、次年度の課題である。
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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
1) 静的ゆらぎ研究の総まとめ（総説執筆）に関しては、本年度でほぼ計画を達成した。
2) 熱エネルギーの出入りの直接観察による動的ゆらぎ研究については順調に実験が進行している。次に述べる柔粘性イオン結晶 (IPC) と通常の結晶間の相転移においては、今まで誰も観測したことのない、興味深い微細構造を見出したのでこれを解析する。この現象は、IPC⇔結晶の変化をスローモーションモードで観察していると推測される。
3) 上記2)の研究中に偶然出会ったIPCであるが、液体と結晶の中間状態の回折法による構造解析の定式化に成功した。静的な構造情報から、動的ゆらぎの状態解明に発展させることができる。
4) ゆっくりした相変化挙動のイオン液体系において、相変化時の NMR の縦緩和時間及び横緩和時間を測定することにより、同変化時の動的ゆらぎを直接観測することを計画しているが、問題は試作機として導入した装置の不調である。新型コロナ禍などで、装置立ち上げ・修理・改造などで装置メーカーとの交渉が滞っているため、まだ成功には至っていない。
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| Strategy for Future Research Activity |
上記の「現在までの進捗状況」に関連してまとめる。
2)について： 現在、試料はTrimethylethylammonium bis(fluorosulfonyl)amide [N1112][FSA] の１種類である。 (IPC) と通常の結晶間の相転移に一般的な現象かどうかを確かめるために、他の系にも実験を拡大する。もし一般的現象であるならば、熱エネルギーの出入りの観点からIPC⇔結晶の相転移メカニズムの解明に役立つと思われる。
3)について： 現在対象としている柔粘性結晶は１試料のみであるが、数種類の試料へと拡大する。複数の試料を扱うことにより、ダイナミクスを観測しやすい系などを選ぶことができ、また用いる実験手法も広がると思われる。想定している試料の中には、固体電解質としても注目されている試料もあり、学術面はもとより応用の面からも成果が期待される。
4) について： 試作機として導入したNMR装置の不調の原因がわかったので、早急に装置が稼働するように努める。実験や広域での共同研究は、新型コロナ禍のため制約が大きいが、実際に活動できる体制を構築できるように努める。
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