2021 Fiscal Year Annual Research Report
Emergence of gate function in artificial transmembrane channels focusing on water molecules confined at nanointerface
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20K21120
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| Research Institution | Tokyo Institute of Technology |
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Principal Investigator |
松本 英俊 東京工業大学, 物質理工学院, 教授 (40345393)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
林 靖彦 岡山大学, 自然科学研究科, 教授 (50314084)
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| Project Period (FY) |
2020-07-30 – 2022-03-31
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| Keywords | 水輸送チャネル / 分離膜 / カーボンナノチューブ / ナノ界面 / スリップフロー |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究の目的は、代表者らが発見したカーボンナノチューブ（CNT）を水輸送チャネルとする膜に見られる温度に依存した透水流束の大きな変化を利用し、外部環境（温度・圧力勾配）をトリガーとした、新規なゲート機能の創出に挑戦し、外部刺激応答性を持つ人工チャネル膜の実現を目指すことである。
本年度は、垂直配向CNTアレイ/高分子複合膜の透水実験に加えて、サイズの異なる分子を用いた溶質透過実験を行った。
CNT内の透水挙動について、圧力勾配0.1 MPaの条件下では、これまで報告されてきた36℃付近における透水流束の活性化エネルギーの転移現象を確認することができたが、より高い圧力勾配条件（～0.5 MPa）では、このような転移現象が解消することを明らかにした。さらに得られた結果について、スリップフローの影響を考慮した拡張Hagen-Poiseuille式を用いて詳細な解析を行った結果、0.1～0.5 MPaの全ての圧力勾配条件において、CNT内における水の壁面速度は、36℃付近で大きく増加することを見出した。
サイズの異なる溶質分子として無機塩である塩化カリウムとイオン性有機分子であるメチルオレンジを使用し、水の壁面速度に大きな変化が確認された温度域で透過実験を行った。カリウムおよび塩化物イオン伝導度の温度依存性はバルク電解質の温度依存性から説明できるものであった。またメチルオレンジの透過測定からは温度によらずほぼ一定の溶質排除率が得られた。
以上の結果から、CNT内の水または水溶液の輸送では、とくに壁面近傍における水の輸送の寄与が大きい可能性が示唆された。
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