2022 Fiscal Year Research-status Report
超臨界セグメント空間を利用した有機修飾磁性ナノ粒子の連続・精密合成プロセス
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21K14454
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| Research Institution | Tokyo Institute of Technology |
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Principal Investigator |
織田 耕彦 東京工業大学, 物質理工学院, 助教 (80883149)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2024-03-31
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| Keywords | supercritical CO2 / iron oxide nanoparticles / surface modification / supercritical extraction / synthesis |
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| Outline of Annual Research Achievements |
有機修飾磁性ナノ粒子の二次元超格子に基づいた，超高密度磁気記録デバイスの産業実用化に向けては，均一粒径・高修飾率の有機修飾ナノ粒子を連続・大量合成するプロセスの確立が必要となる．本研究課題は，「二段反応場を利用した粒子の形成場と成長場の分割」と「超臨界CO2相と水相が混在するセグメント空間」の融合を念頭に置いた「均一粒径を有する有機修飾ナノ粒子の合成プロセスの構築・設計」という目的を設定し，これまで検討を進めてきた．
1点目として，有機修飾ナノ粒子の水熱バッチ合成を遂行してきた．Fe(OH)2ゾルを前駆体に用いることで，磁気を有するFe3O4ナノ粒子の合成に成功すると共に，直鎖のカルボン酸の炭素鎖長を変化させることで，表面疎水性を制御できることを明らかにした．本成果は現在，学術誌において査読中である．また，2点目として，超臨界CO2を利用した有機修飾ナノ粒子のバッチ合成を遂行してきた．超臨界CO2への溶解性に優れるデカン酸を添加することで，酸化物系では初めて超臨界CO2中での有機修飾ナノ粒子の合成に成功した．また，反応場の加水分解に着目した合成検討を行うことで，有機修飾ナノ粒子の形成メカニズムを明らかにした．これらの成果は，学術誌RSC advanceと学術誌Colloids and Surfaces Aに掲載されている．更に，3点目として，水－超臨界CO2系における有機修飾ナノ粒子のバッチ抽出検討を遂行してきた．高圧可視化セルを利用することで，水-超臨界CO2の界面に有機修飾ナノ粒子が集積しやすいことを明らかにすると共に， CO2出口でトラップしたナノ粒子を分析することで，数十％のナノ粒子を抽出可能であることを明らかにした．
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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
本研究課題の目的である「均一粒径を有する有機修飾ナノ粒子の精密合成プロセスの構築・設計」を達成するべく，昨年度は「高温高圧水中の有機修飾ナノ粒子の晶析機構の解明」，「超臨界CO2中での有機修飾ナノ粒子の晶析機構の解明」，「水相から超臨界CO2相への有機修飾ナノ粒子の抽出挙動の把握」に取り組んだ．
「高温高圧水中の有機修飾ナノ粒子の晶析機構の解明」については，既にマグネタイト（Fe3O4）ナノ粒子の合成や表面疎水性の制御に成功している．これらの成果は，国際学会7th ISHA2021で発表しており，国際誌Langmuirへも投稿中である．「超臨界CO2中での有機修飾ナノ粒子の晶析機構の解明」については，酸化物系では初めて超臨界CO2中での有機修飾ナノ粒子の合成に成功すると共に，反応場の水濃度を操作することで，ナノ粒子の表面修飾密度の制御も可能であることを実証した．既に本成果において，国内学会で2件，国際学会で3件の研究成果発表を行い，国際誌RSC advanceとColloids and Surfaces Aへも掲載されている． 「水相から超臨界CO2相への有機修飾ナノ粒子の抽出挙動の把握」についても，水-超臨界CO2の界面に有機修飾ナノ粒子が集積しやすいことや，数十％のナノ粒子を抽出可能なことが明らかになっており，国内外の学会で計2件の研究成果発表へと至っっている．
以上のように，これまでの検討を通じて，「水熱下での晶析機構」，「超臨界CO2中での晶析機構」，「水相から超臨界CO2への抽出挙動」に関する多くの知見が蓄積されている．これらの知見は，「均一粒径を有する有機修飾ナノ粒子の精密合成プロセスの構築」を遂行する上で不可欠であり，本研究課題は概ね順調に進行していると考えられる．
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| Strategy for Future Research Activity |
本研究課題は，「水相＋超臨界CO2相が混在するセグメント空間」を利用した「有機修飾ナノ粒子の精密合成プロセスの構築」を目的として，これまで研究を進めてきた．その結果，「水熱下での晶析機構」，「超臨界CO2中での晶析機構」，「水相から超臨界CO2への抽出挙動」に関する多くの知見を獲得し，学会発表と論文発表（掲載済み：2件，査読中：1件）に関する多数の成果を挙げてきた．当初研究計画では，上述したこれまでの知見を駆使して，水＋超臨界CO2系のセグメント空間の設計指針を構築する計画であった．一方で，水相から超臨界CO2相への有機修飾ナノ粒子の抽出検討において，「界面でのナノ結晶の集積」という学術的に新奇な現象を見出すとともに，「ガス溶媒（超臨界CO2）によるナノ粒子抽出」という技術的に大きな成功も収めた．また，超臨界CO2の洗浄・乾燥媒体としての可能性にも着眼し，民間財団の研究助成を受けることで，その技術的優位性も追求してきた．その結果，超臨界CO2を洗浄・乾燥媒体に利用することで，既存の「有機溶媒に依存した洗浄・乾燥技術」と比べて，「洗浄速度」や「ナノ結晶の再分散性」が飛躍的に向上することを見出してきた．以上の研究成果・知見を踏まえ，今後は水＋超臨界CO2系のセグメント空間の設計指針の構築に挑戦しつつも，「超臨界CO2抽出・洗浄・乾燥技術の構築」も進める計画である．これにより，学術・技術の双方においてより大きな価値が得られると考えている．
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| Causes of Carryover |
今年度使用予定の消耗品費が計画よりやや低くなったため，次年度用へ残余金額を繰り越した．このため，繰り越し金額は，消耗品費として使用する計画である．
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