2022 Fiscal Year Annual Research 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, 公私立大学の部局等, 研究特任教授 (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 / 水和イオン / 超音波浮揚 / 電気力学天秤 / 過飽和 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
液滴サイズが1㎜程度の硝酸マグネシウム、硫酸マグネシウム、酢酸各水溶液、エチレングリコールー水混合液滴を超音波浮揚装置で空気中に浮揚させることに成功した。液滴のラマン散乱測定から液滴の濃度はバルクに比べて数倍濃縮されることを明らかにした。SPring-8 BL08Wにおいて液滴のＸ線散乱測定を行い、X線データをEmpirical Potential Structure Refinement(EPSR)モデリングで解析して、イオン溶媒和・会合、溶媒水の3次元構造を決定した。超低温冷却槽サーキュレーターと冷温試料チャンバーにより、室温から233 kまで、空気中に浮揚させたラマン散乱とＸ線散乱測定を行い、過冷却温度では溶媒の水素結合が成長することを明らかにした。アエロゾル液滴に近い、数十ミクロンサイズの液滴を電気力学天秤（EDB）法により浮揚させる装置を原野教授（群馬大学）と共同でSPring-8 BL08Wに設置してX線散乱測定を行った。X線照射により液滴周囲の空気の電離が起きて、液滴を浮揚させている電場が変化するために液滴がX線照射位置からずれてX線散乱測定ができなかった。数十ミクロンサイズの液滴の構造解析のためには、液滴連続生成装置とＸ線自由電子レーザー（SACLA)を組み合わせたＸ線散乱実験が必要である。本研究では、室温から233 Kまでの温度範囲で数百ミクロンから1㎜サイズの浮揚単一液滴のラマン散乱とＸ線散乱測定を実現できた。X線散乱データをEPSRモデリングで解析して液滴の三次元構造を決定する手法を確立した。本手法は微小体積、過飽和・過冷却現象、融解・結晶化現象、エアロゾル中の化学反応などを調べる分析化学、物理化学、大気化学に有用な手法である。
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