2020 Fiscal Year Research-status Report
局所空間に形成した温度応答性高分子凝集体によるカーボンナノチューブの抽出挙動観察
| Project/Area Number |
19K05220
|
|---|
| Research Institution | Toho University |
|---|
Principal Investigator |
桑原 彰太 東邦大学, 理学部, 准教授 (10612658)
|
|---|
| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2022-03-31
|
| Keywords | カーボンナノチューブ / 温度応答性高分子 / 分離 / 顕微鏡観察 / 局所加熱 |
|---|
| Outline of Annual Research Achievements |
温度応答性高分子であるPNIPAMは体温以上に加熱すると相転移が起こり、固体と液体の2相に分離する。界面活性剤に分散させたカーボンナノチューブをPNIPAMに混合し加熱すると、半導体型のカーボンナノチューブのみが液体に分離できる。前年度では分離に際して添加する塩のカチオン種依存性について明らかにすることができた。特にカーボンナノチューブ表面への界面活性剤分子の吸着状態が、カーボンナノチューブの直径と電気的特性（半導体、金属）により変化し、混合した温度応答性高分子との間で相互作用の強さが変わることが明らかとなった。得られた結果を元に、特定の構造を持ったカーボンナノチューブのみが凝集した高分子から液相へと移動する分離機構を提案することができた。今年度は、実験結果に基づいて提案したカーボンナノチューブの分離機構について、近赤外光による局所加熱機構を利用して光学顕微鏡観察によって証明することを目的に研究を進めた。
数ミクロンの幅を持つ金属細線がプリントされたガラス基板に近赤外光を集光させて照射することにより金属細線を加熱し、PNIPAM溶液の温度相転移を誘起することで局所領域における温度相転移を観察することに成功した。その後、PNIPAM溶液に代えてカーボンナノチューブの分離に用いる溶液を用い、同様の実験を行った。特に塩のカチオン依存性の観察を行うことで、前年度得られたカーボンナノチューブの分離に与える影響との関連性を探った。観察結果より温度相転移により得られる液相の範囲が塩のカチオン種に依存していることが明らかとなった。特にホウ酸ナトリウム塩を添加した場合、最も液相の範囲が小さくなった。このことから添加する塩によりPNIPAMの凝集状態が変化し、取り込まれるカーボンナノチューブとカーボンナノチューブを取り巻く界面活性剤分子を選択していることが示唆される結果を得られたと考えられる。
|
| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
研究提案時の計画に沿って、数マイクロメートルの幅を持つ金属細線がプリントされたガラス基板に近赤外光を集光させて照射することにより金属細線を加熱し、倒立型顕微鏡下でPNIPAM溶液の温度相転移を観察する装置のセットアップを完了することができた。また、局所加熱による温度相転移誘起と光学顕微鏡による分離観察の実験に最適な測定条件について、照射する近赤外光強度や集光させる金属細線の線幅などについて条件検討を行った。条件が決まった後、実際にカーボンナノチューブの分散溶液を添加した分離試料をPNIPAM溶液に代えて使用し、温度相転移により液相と固相に分離する様子を捉え、固相の相転移範囲、相転移にかかる時間などを数値化することで、前年度提案した分離機構を支持する結果を得ることができた。
さらに、カーボンナノチューブの近赤外発光を観察することにより、特定の構造を持ったカーボンナノチューブのみ画像化し、PNIPAMの温度相転移時におけるカーボンナノチューブの分離の様子を直接捉えることができるよう近赤外光カメラを導入し、次年度に向けた光学系のセットアップを進めた。次年度の研究展開に向けて、順調に研究が進められており、研究計画の遅れはないと考えている。
|
| Strategy for Future Research Activity |
倒立顕微鏡下で外部から近赤外光のレーザー光源を試料の金属細線部分に集光することで局所領域を加熱し、温度が上昇した領域でのみ温度応答性高分子を相転移させることに成功した。温度応答性高分子によるカーボンナノチューブの分離では、凝集したPNIPAM中に捕捉されるカーボンナノチューブと液相へと移動するカーボンナノチューブに分かれ、特定の構造を持ったカーボンナノチューブのみが液相へと移動することにより選択的な分離が行えると考えているが、今後の研究ではカーボンナノチューブの近赤外発光をカメラで撮影し、温度相転移中に特定の構造を持ったカーボンナノチューブがPNIPAMの固相/液相のどの位置に存在しているか明らかにすることで、PNIPAMによるカーボンナノチューブ分離の構造選択性を明らかにする予定である。得られた結果を元にして、分離におけるカーボンナノチューブの構造選択性を精密に制御し、単一カイラリティを持った任意のカーボンナノチューブを得る手法として確立することを目指す。
|
| Causes of Carryover |
新型コロナウィルス感染症の流行に伴い、学会活動が制限（またはオンライン開催）されたため、計画していた旅費の使用がなくなったため、次年度使用額が生じた。
現在までに構築している光学系の改良と、実験条件の最適化に向けて研究を進めるため、光学部品、試薬類などの消耗品費購入を行い、当該研究を加速する。また学会発表のための予算としても支出する予定である。
|
