2021 Fiscal Year Research-status Report
クラスレートハイドレートの安定・準安定構造の三次元挙動解析
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20K05440
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| Research Institution | National Institute of Advanced Industrial Science and Technology |
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Principal Investigator |
竹谷 敏 国立研究開発法人産業技術総合研究所, 計量標準総合センター, 上級主任研究員 (40357421)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | TBAB / セミクラスレート / ガスハイドレート / 構造解析 / Ｘ線ＣＴ |
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| Outline of Annual Research Achievements |
クラスレートハイドレートを溶液中で生成すると、生成条件によっては準安定な結晶構造のシャーベット状ハイドレートが形成されることが知られている。結晶構造が変化すると熱物性や力学特性などの物性が変化する。材料としての物性を制御するためには、準安定相の形成メカニズムの理解や、その制御が重要である。本研究では、セミクラスレートハイドレートの一つであるTBABハイドレートを主な研究対象に、溶液中で生成したハイドレート凝集体の非破壊X線CT測定を実施する。複数の結晶相が共存する状態を調べ、マクロスケールでの「ハイドレートの三次元分布の可視化を実現」により、「準安定相の発現のメカニズムの解明」することを研究の目的としている。
先行研究で報告されている水和数38のTBABハイドレートの生成条件、および、それよりも水和数の小さなTBABハイドレートの生成条件下においてTBABハイドレートを生成し、位相コントラストＸ線ＣＴ法での可視化実験を実施した。生成条件を調整することにより、TBABハイドレート試料内における、結晶構造の違いに起因するマクロスケールでの密度分布の可視化を可能にした。測定で得られたＸ線ＣＴ画像情報をもとに、試料中におけるTBABハイドレートの密度分布とその温度変化を明らかにした。
一方、空間分解能の点で優れる吸収コントラストX線CT法で、空間分解能と密度分解能の観点からの各種ハイドレートと氷の識別の可能性を検証した。
これらの研究を通して得られた研究成果は、論文誌にて公表している
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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
物質や材料の密度は、物性値の中でも基本的な値であるにもかかわらず、クラスレートハイドレートの密度に関する報告例は非常に少ない。これは、ハイドレート生成時の未反応水（および氷）が不純物として存在し、純粋なハイドレート結晶のみを取り出しての分析が困難なためである。単結晶X線構造解析の結晶構造データをもとに、いくつかのハイドレートの密度が報告されているが、ハイドレート結晶が安定な低温域（< -100℃）での値に限られていた。
本研究では、結晶構造が既知の水和数38のTBABハイドレートの密度値と、氷結晶を基準とするＸ線ＣＴのグレーコントラストに基づく密度比較から、試料内部の密度分布に関する検証を可能にした。一般に、ハイドレートは氷や水との密度の差が極僅かで、従来のＸ線ＣＴ測定では、ガスハイドレートと水や氷との識別は困難であった。本研究では、35keVの放射光単色Ｘ線を用いた位相コントラスト法、および、吸収コントラスト法で、氷と共存するTBABハイドレートの非破壊観察に成功した。さらに、Ｘ線ＣＴによる密度比較や密度解析解析に向け、計測・解析方法の最適化を進めた。
また、各種ハイドレートのＸ線結晶構造解析を実施した。エチレンや亜酸化窒素ハイドレートに関する構造解析に成功し、それらの結晶構造や密度を明らかにした。ハイドレートの結晶構造の解明により密度を明らかにすることは、各種ハイドレートの解析を行うにあたって、重要な知見となる。
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| Strategy for Future Research Activity |
今年度の研究では、生成条件の異なるTBABハイドレート結晶のＸ線ＣＴ測定による三次元密度分布解析を実施する。X線CT画像による三次元解析により、TBABハイドレート結晶の水和数の異なる結晶相の分布の可視化、および、氷を密度標準とする三次元密度解析を行う。
得られた結果に基づき、準安定相の出現の要因を抽出する。さらに、X線CT画像から求まる準安定相の密度と粉末XRDにより求まる結晶構造情報から、準安定相の結晶構造を検討する。また、準安定相の出現を支配する因子を特定し、TBABハイドレートの準安定相の出現メカニズムについて考察する予定である。
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| Causes of Carryover |
学会の現地開催が中止となり、研究開始前に予定した旅費が不要となったため。
今年度の学会参加費として追加利用を予定している。
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