2012 Fiscal Year Annual Research Report
カーボンナノチューブのナノ表面・ナノ空間における水の構造と物性
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24310094
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Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
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| Research Institution | Tokyo University of Science |
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Principal Investigator |
本間 芳和 東京理科大学, 理学部, 教授 (30385512)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
山本 貴博 東京理科大学, 工学部, 講師 (30408695)
岡田 晋 筑波大学, 数理物質科学研究科, 准教授 (70302388)
千足 昇平 東京大学, 工学系研究科, 講師 (50434022)
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| Project Period (FY) |
2012-04-01 – 2015-03-31
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| Keywords | ナノチューブ / 光物性 / 水 / 相図 |
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| Research Abstract |
単層カーボンナノチューブ(SWNT)と水分子のナノスケールにおける相互作用の解明を目的として、分光実験および理論計算による研究を推進した。
計測法の開発に関しては、レーザ励起蛍光分光法による単一SWNTへの水吸着層の検出と、結晶構造の情報を含むラマン散乱の同時測定を実現するとともに、蛍光分光法におけるイメージング・スペクトル解析により水吸着の空間分布の解析法を開発した。また、架橋SWNT試料の制御性を向上するため、孤立成長率の向上および余分なカーボンの堆積の低減を狙いとした低圧合成法を検討した。分子動力学計算を用いたアプローチでは、SWNTの表面に吸着した水分子のミクロスコピックな構造を決定し、さらに水の吸着によるSWNTの動径呼吸モード(RBM)の格子振動への影響とそのチューブ直径依存性を詳細に調べた。
以上の結果、疎水性のSWNT表面においても、SWNTの炭素原子が作る分子間力ポテンシャルの谷間に、1分子層から2分子層の厚みの水吸着層が安定に形成されることを明らかにした。さらに、この吸着層がラマン散乱のRBM振動数をSWNTの直径によらずに高波数側に7cm^-1ほどシフトさせること、真空中ではSWNT本来のRBM振動数を示すことがわかった。
今後のSWNTの内部ナノ空間に内包される分子の状態を解析するための準備として、より低温度領域での計測が可能な環境制御用真空チャンバの設計・製作を行った。また、酸化条件の最適化によるチューブの開端制御性の向上を検討した。一方、理論計算では、第一原理計算によりSWNT内包空隙における水分子、エタノール分子の安定吸着構造の探索を行った。また、多数の分子が内包された系の初期構造の検討を行った。
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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
SWNT表面への疎水性水和層の形成という新しい物理現象を解明し、Physical Review Letters誌に掲載した。また、SWNT本来のRBMラマン散乱周波数と水吸着による環境化効果を実験・理論両面から解明した。一方、SWNT内部空間への内包現象については、研究の実施が計画より遅れている。
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| Strategy for Future Research Activity |
・-10℃～50℃までの温度制御下でのSWNTへの水吸着・内包実験を実施する。
・制御範囲を一100℃程度の低温から高温度(数100℃)まで拡張する。
・ナノ空間での水や物質の状態図を作成する。
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| Expenditure Plans for the Next FY Research Funding |
環境制御用真空チャンバの設計を自ら行うことにより製造費を節約したため、助成金の余剰分が生じた。一方で、設計に時間がかかったことにより、低温領域での実験を本年度は実施できなかった。低温領域での実験を次年度に後倒しし、その遂行に関わる物件費に余剰分を当てる。
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