2023 Fiscal Year Annual Research Report
包摂水和物への低温プラズマ照射によるゲスト分子反応メカニズムの解明
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20K04328
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| Research Institution | Ehime University |
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Principal Investigator |
向笠 忍 愛媛大学, 理工学研究科(工学系), 准教授 (20284391)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2024-03-31
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| Keywords | ハイドレート / 誘電体バリア放電 / 化学反応場 / 分子動力学シミュレーション / 水酸基置換 / 二量体 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
ハイドレートを従来の液体や気体とは異なる化学反応場として捉え，ハイドレートに誘電体バリア放電（DBD）を照射したときハイドレート内のゲスト分子がどのような化学変化をするか調査した．DBDは熱への変換が少なく分子を活性化させることができ，オゾン生成法や，現在は医療・バイオ分野への利用で注目されている．本研究で使用したゲスト分子は主にテトラヒドロフラン（THF）とトルエンである．DBD照射による生成物の比較として生成したハイドレートを融解した融解液を用いた．その結果，ハイドレートと融解液とで生成物に違いはみられなかったが生成割合に差がみられた．例えば，THFハイドレートにDBDを照射した場合，融解液に比べて3-hydroxy-tetrahydrofuranや二量体（bifuran）の生成割合が低下することが明らかとなった．
生成割合に差が生じるのはケージ内のゲスト分子の配向性が理由と考え，ゲスト分子の配向性を明らかにするために分子力学法による数値シミュレーションを行った．ゲスト分子としてTHFとトルエン以外に，シクロペンタン（CP）やシクロヘキサン（CH），ベンゼンを使用した．その結果，例えば五員環で構成されるTHFとCPはケージ内を比較的自由に熱運動するが，THFは酸素原子がケージ面とクーロン相互作用を受けて熱運動に制限が生じることがわかった．また，六員環の持つCHやベンゼンはラジアル水素の数とケージ面の数が一致し，各間でのクーロン相互作用により熱運動が大きく制限されることがわかった．
トルエンについて，実験ではハイドレートを生成したが，構造Ⅱ型のハイドレートで数値シミュレーションを行ったところケージの変形が大きく安定しないことが示唆された．このため構造H型，または不規則な構造のハイドレートが形成したのではないかと考えられるが，現状は不明であり，今後の研究課題である．
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