Molecular dynamics study of linear alkanes geometrically restricted in carbon nanospaces

2023 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 22K04866
• Research Institution: Kanagawa University
• Principal Investigator: 松田 和之 神奈川大学, 工学部, 教授 (60347268)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 緒方 啓典 法政大学, 生命科学部, 教授 (10260027) ; 真庭 豊 神奈川大学, 付置研究所, 客員教授 (70173937)
• Project Period (FY): 2022-04-01 – 2025-03-31
• Keywords: カーボンナノチューブ / 吸着 / アルカン

Outline of Annual Research Achievements

単層カーボンナノチューブは１枚のグラフェンシートを丸めた筒状物質であり、その内部に原子レベルで囲まれた直径が数ナノメートルの空洞をもっている。通常、単層カーボンナノチューブは数十本から数百本が凝集して2次元3角格子を構成することで１本のバンドルとして存在している。このようなナノメートルスケールで形状が制御された空間内部の分子集団は、通常のバルク状態とは異なるが挙動や構造を示すことが知られている。本研究課題では単層カーボンナノチューブに直鎖状アルカンを吸着させ、その直鎖状アルカンが示す分子ダイナミクス、構造、および相転移挙動がアルカンの分子サイズの違いで、どのように変化するのかを、核磁気共鳴実験、x線回折実験、示差走査熱量測定、古典分子動力学シミュレーションの手法を用いて調べている。本年度は、昨年度に引き続き平均直径1.3ナノメートルの単層カーボンナノチューブ試料に、n-ヘキサン（炭素原子数6）とn-デカン（炭素原子数10）の２種類の直鎖状アルカンを吸着させた試料について実験を行った。n-ヘキサンとn-デカンのそれぞれについて、室温で吸着量を系統的に変化させた試料の核磁気共鳴実験とx線回折実験を行った結果、吸着量が少ないときには優先的にカーボンナノチューブ内部に吸着され、ナノチューブ内部の充填率がほぼ100％に到達した後、カーボンナノチューブのバンドル表面に吸着されることがわかった。また、バンドル表面にn-ヘキサンを吸着させた試料に、さらに追加でn-デカンを吸着させたところ、バンドル表面に直接吸着している第１層目のn-ヘキサンはn-デカンに置き換わることがわかった。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

単層カーボンナノチューブのバンドル表面にn-ヘキサンとn-デカンの両方を吸着させた場合に、バンドル表面の第１層目にn-デカンが吸着され、n-ヘキサンはバンドル表面から離れた状態で吸着されることなど、アルカンの吸着状態に関していくつかの新しい知見が得られた。

Strategy for Future Research Activity

本年度に引き続き、核磁気共鳴実験、x線回折実験、示差走査熱量測定、古典分子動力学シミュレーションの手法を用いて、単層カーボンナノチューブに吸着した直鎖状アルカンの構造を調べる。特にこれまで重点的に実験を行ってきたn-ヘキサンとn-デカンに加え、n-ドデカン（炭素原子数12）やn-テトラデカン（炭素原子数14）などの分子サイズのより大きなアルカンについても実験を行い、単層カーボンナノチューブバンドルへの吸着構造や挙動が分子サイズに依存してどのように変化するのかを調べる方針である。

Causes of Carryover

単層カーボンナノチューブのバンドル表面におけるn-ヘキサンとn-デカンの吸着構造と分子ダイナミクスについて予想していなかった興味深い現象が見つかったため、その機構を調べる核磁気共鳴、x線回折実験分子動力学シミュレーションを優先し集中的に行った。その結果として、本年度に計上していた核磁気共鳴実験用のn-ヘキサンとn-デカン以外の重水素化アルカン試料や低温測定用の液体窒素寒剤などの使用量が当初の計画より少額となり、次年度への繰越金が生じた。繰越金は次年度にこれらの実験用消耗品として使用する計画である。