2020 Fiscal Year Research-status Report
Development of in situ structure analysis of single droplet levitaed in air and application to aerosol reactions
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19K05551
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| Research Institution | Fukuoka University |
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Principal Investigator |
山口 敏男 福岡大学, 理学部, 教授 (70158111)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
吉田 亨次 福岡大学, 理学部, 准教授 (00309890)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | エアロゾル液滴 / 溶液構造 / X線散乱 / ラマン散乱 / イオン対 / イオン水和 / 水構造 / EPSRモデリング |
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| Outline of Annual Research Achievements |
超音波浮揚させた、1 mol/L 硝酸アンモニウム、硝酸マグネシウム水溶液、硫酸マグネシウム水溶液の各液滴(600ミクロン～１mm)の室温でのラマンスペクトル測定から、液滴の溶質濃度はバルク溶液の値より数倍高いことを明らかにした。液滴試料のX線構造因子をEPSRモデリングで解析した。4.94 mol/L硫酸マグネシウム液滴中では、マグネシウムイオンには平均４個の水分子が0.198 nmに、2個の硫酸イオンが1個の酸素原子を介して0.198 nmに結合している。硫酸イオンの周りには平均13個の水分子が0.387 nmに取り囲んでいる。同液滴について、40%RHで1分毎の時間分解X線散乱結果から、12分後に硫酸マグネシウム水和物結晶の中間層相(同定は未定)が現れ、さらに14分後には消失した。13分後からは新たに硫酸マグネシウム七水和物・六水和物結晶が液滴表面に生成した。また、結晶成長直前の液滴中では、マグネシウムイオンに1個の硫酸イオンが２つの酸素原子を介して結合したイオン対が生成した。
超音波浮揚させた電解質水溶液液滴について、氷点下の温度でのラマン散乱およびX線散乱用の低温試料チャンバーを製作した。低温循環装置や冷窒素吹付装置(Cryojet 5)により低温チャンバーの性能評価を行った。シリコンオイル低温循環装置を用いることにより223 Kまで液滴を冷却することに成功した。0.3 mm径ガラスキャピラリーに封入した1 mol/L 硫酸マグネシウム、硝酸マグネシウム、硫酸アンモニウム各水溶液について、SPring-8 BL08W(波長0.107 A)にて、298 Kから243 Kまで30 K毎にX線散乱を測定した。243 Kにて氷Ihが一部生成した。今後は低温試料チャンバーを用いて超音波浮揚させた水溶液液滴の低温ラマン散乱・X線散乱測定を行い、バルク溶液の結果と比較検討する。
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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
SPring-8所有の低温窒素吹付装置(Cryojet 5)では冷却能力不足のために、製作した低温試料チャンバーを目標温度223 Kまで冷却することができなかった。次年度にシリコンオイルを冷媒とした、223 Kまで冷却できる超低温循環装置を購入(SPring-8)する。
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| Strategy for Future Research Activity |
開発した超音波波浮揚装置と連続液滴発生装置と低温試料チャンバー＋バスサーキュレータを用いて、浮揚させた1 mol/L硫酸アンモニウム、硫酸マグネシウム、硝酸マグネシウム、酢酸、コハク酸、アジピン酸各水溶液の液滴（200ミクロン‐1 mmサイズ）のラマン散乱とX線散乱を室温から223 Kで測定する。また、アジピン酸微結晶の溶解過程を相対湿度を関数としてX線散乱を室温で測定する。得られたラマン散乱スペクトルから液滴の組成と温度を決定する。X線構造因を用いてEPSR計算を行い、形成された雲粒のミクロ構造(原子間距離、配位数)を決定し、その3次元構造を可視化する。液滴の冷却過程の構造変化（特に、イオン水和と会合、溶媒水）、高密水―低密度水転移、凍結する場合は生成する氷相を分子レベルで明らかにする。
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| Causes of Carryover |
COVID-19感染拡大防止により分析化学会年会がリモート開催されたために出張費が不要になったため。次年度の消耗品購入に充てる。
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Research Products
(11 results)
