2022 Fiscal Year Annual Research Report
Structure and function of water confined in hetero-nano space
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19K05200
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| Research Institution | Tokyo University of Science |
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Principal Investigator |
本間 芳和 東京理科大学, 産学連携機構, 教授 (30385512)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
由井 宏治 東京理科大学, 理学部第一部化学科, 教授 (20313017)
浦島 周平 東京理科大学, 理学部第一部化学科, 助教 (30733224)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | 構造水 / 疎水性 / 親水性 / グラフェン / 石英 / カーボンナノチューブ |
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| Outline of Annual Research Achievements |
グラフェン（Gr）とシリカ（SiO2）の界面に挿入された水分子を対象に、分子動力学計算（MD）による解析を行った。疎水界面であるGr／Gr、親水界面であるSiO2／SiO2、ヘテロナノ界面としてGr／SiO2に着目した。
1nm間隔の2物質の間に2層の水分子を配置し、NVT条件でMDを行った。いずれの場合も界面水は層状構造を示した。Gr/Gr界面では明確な二重層構造が現れた。これは、Grとの間には水素結合が形成できないため、水分子の平面的水素結合ネットワークから面直に向く水素結合同士が、相補的に結合し安定構造を形成するためである。一方、水分子はSiO2表面と結合を形成するため2層構造を取りながらも分布の幅が広がった。Gr／SiO2ヘテロ界面では、水素結合の微視的な構造に、親水・疎水の特徴がそれぞれの基板側に現れる構造となった。これにより、基板の親水・疎水性が構造水の水素結合ネットワークに及ぼす影響を定量的に解明できた。
実験的には親水／疎水ヘテロナノ界面としてガラス／空気界面に着目し、その表面吸着水についてヘテロダイン検出振動和周波発生（HD-VSFG）計測を行った。実用されているガラスの多くはSiO2を主成分に様々な金属が添加されているのに対し、吸着水に関する従来研究はSiO2やAl2O3など純粋な金属酸化物表面に限られていた。
そこで種々のAl濃度のAl添加SiO2に対してHD-VSFG計測を行ったところ、Alが低濃度（<~10 atom%）添加されているときにのみ特異な吸着構造が立ち現れることが明らかになり、この特異な水構造はSiナノドメイン/Alナノドメイン/空気の三体界線上に形作られることが示唆された。この結果は、三体界線が新たな吸着構造を生み出すという点、多成分からなる実用ガラス表面の水構造が純物質上の水構造の足し合わせで表現できないという点で、重要な知見である。
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Research Products
(4 results)
