2021 Fiscal Year Research-status Report
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21K03490
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| Research Institution | Kokushikan University |
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Principal Investigator |
名越 篤史 国士舘大学, 理工学部, 准教授 (70750579)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
上田 康平 阿南工業高等専門学校, 創造技術工学科, 准教授 (60612166)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2024-03-31
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| Keywords | １次相転移 / 固液臨界点 / 多孔性物質 / 水 / 圧力印可 / 氷 / 超臨界状態 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究の1年目に実施した内容は以下の２つに大別できる。1)細孔径2.1 nmのメソポーラスシリカMCM-41細孔中の水の２次転移のような融解挙動に関する物性測定に関する研究と、2)上述の細孔水同じような可逆な融解を示しやすい物質の探索である。
1)については、１年目は高圧下温度変調示差走査熱量計の開発を行った。計測プログラムを作成し、圧媒体のない状態でリン酸二水素カリウムの1次相転移について試験測定を行い検出できた。しかしながら、圧媒体が存在する場合、試料から圧媒体への熱拡散が大きくなるため、測定感度が減少する可能性が高い。そのため、より高い感度を実現するための高圧容器内の試料のセッティングに関して改良を計画している。改良後、細孔水について高圧下で温度変調測定を実施する予定である。
2)については、対象となる物質は水のように液体中と結晶中で凝集構造が似ていて結晶化しやすい物質が望ましい。代表的な脂質であるトリグリセリドの一種トリステアリンのような棒状分子は、比較的分子量が大きいが、α相として知られる単純な構造の六方晶は急冷しても結晶化することが知られており、シリカゲル細孔中でもより小さな分子と同じように容易に結晶化する。室温で固体の物質であるが、多孔性物質と融点以上で共存することで細孔内に侵入することが示差走査熱量測定(DSC)と熱重量分析によりわかった。DSC測定では、バルク状態で329 Kのα相の融解が、細孔径6.2nmのシリカゲル細孔内での318 Kで観察された。ガラス転移点は一般に融点の2/3から3/4であるため、細孔内の融点はそれよりも十分に高い温度である。今後は、扱いやすい球状のシリカで、結晶化・ガラス化の境界領域のサイズにおける結晶化挙動について、ガラス転移温度も含めて断熱型熱量計を用いて調査する予定である。
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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
本課題で開発を予定している高圧下温度変調示差走査熱量計の開発はおおむね順調に進んでいる。令和３年度は，高圧セルと計測機器群の整備を行い，計測プログラムを作成した。開発した装置の性能を確認するために，既知の１次相転移を対象に試験測定を進めているところである。圧媒体を用いず，真空下で行った試験測定では，リン酸二水素カリウム結晶の１次相転移を検出することが出来た。今後は、圧力下で感度の増大を意図した装置の改良を実施する予定である。このため、温度調整用のLakeshore335の購入を止め、装置改良の進展により必要があればナノボルトメーターの購入を検討している。
その他の物性測定に関しては、細孔水の融解現象について国外での中性子回折による構造解析の実施を予定していたが、現在国外への渡航に関しては未定である。しかしながら、国内に関しては移動の制約がなくなり放射光実験などの準備を進めている。来年度以降で国外での実験も可能となれば実施する。
また、細孔水の可逆な融解現象と類似の現象を示す物質に関して、その候補物質として棒状の分子形状を持つトリグリセリドの一種であるトリステアリンについて熱分析をを中心に検討した。高い融点を持つため、ガラス転移温度以上で平衡状態のまま融解現象を広いサイズ範囲において追跡可能である。また、トリステアリンについて細孔への導入方法やメソ細孔中での融解現象についても知見を得た。
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| Strategy for Future Research Activity |
高圧下温度変調示差走査熱量計の開発に関しては，装置性能の確認のための試験測定を進めていく。圧媒体を用いた高圧条件下の測定では，熱の拡散による測定感度の低下が予想される。現装置では感度が不足するようであれば，温度センサーの感度向上や信号処理方法の改善を行う。また，MCMは試料形状がパウダー状であり試料内での熱伝導が悪いことが予想される。試料の固定方法の工夫や熱伝導が悪い場合の温度信号解析方法の開発に取り組む。必要があれば、ナノボルトメーターなどの測定用の電子機器を購入して使用する。
構造解析に関しては国内の放射光施設を中心に実験を行う。国外の施設の使用に関しては、渡航が可能となるまで延期する。
断熱型熱量計を用いた相転移挙動の調査については、細孔に封じた水溶液試料およびトリステアリンについて実験を行う。どちらも試料の調製方法について、熱分析を中心に調査し明らかにしている。
また、断熱型熱量計は、測定にかかる時間が長く多くの試料について調査することができないため、高精度の示差走査型熱量計を自作し、スクリーニング調査を行うことを予定している。対象物質が非晶質であり、明瞭な１次転移ではないため、試料量を大きくすること、温度の安定性を高めるために真空チャンバー内に試料ホルダーを設置すること、簡便な試料交換を実現するためにトップローディング式の試料ホルダーを設置する。装置について、すでに設計が終わり作製を開始している。
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| Causes of Carryover |
高圧下温度変調示差走査熱量計の開発にあたって、温度制御のためにLakeshore335を新たに購入して実施する方針であったが、変更した。理由は、温度制御の安定性よりも、測定感度を増大させる必要があると考えたからである。したがって、高圧測定のための改良を実施するとともに、ナノボルトメーターなどの測定用電子機器の購入を必要と判断した場合は、実際に購入して使用することを検討している。
装置の性能を評価しながら、必要な電子機器の性能を検討する予定であるため、すぐには購入しない。
また、使用金額には大きく影響しないが多数の試料に関して、その融解挙動を調査するために精密示差走査型熱量計の製作を実施している。金属部品などを研究協力者を雇用して作製するため、人件費を使用する。
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