2013 Fiscal Year Annual Research Report
非対称およびキラルな単結晶一次元ナノチャンネルによるプロトンポンプ
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25288001
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Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
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| Research Institution | Hokkaido University |
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Principal Investigator |
武田 定 北海道大学, 理学(系)研究科(研究院), 教授 (00155011)
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| Project Period (FY) |
2013-04-01 – 2016-03-31
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| Keywords | プロトン伝導 / 人工プロトンポンプ / ナノチャンネル / キラル結晶 / 発光特性 / 分子吸蔵 |
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| Research Abstract |
(1) ● 単結晶{(M)2[FeIII2(ox)2(μO)(H2O) m]n (M=(NH4), Li) の交流伝導度測定の結果、M=(NH4)塩ではナノチャンネル方向のプロトン伝道度が垂直方向に比べ二桁程度大きいことを見出した。M=Li塩では、M=(NH4)塩ほどの違いはないことを明らかにした。
● 「プロトンポンプ効果」により、ナノチャンネル内にプロトンの濃度勾配が発生すると、このナノチャンネルの両端に直流電位差が発生する。M=(NH4)塩の単結晶について、2Vppの交流電圧を印加した後、直流電位差を測定した結果、最大で約100mVの電位差が発生し、この電位差が時間とともに緩和することを見出した。様々な条件で系統的に検証した結果、「プロトンポンプ効果」が発現していることを確信した。この点については計画以上に進んでいる。
● ナノチャンネル中の陽イオンを、M=(CH3NH3)に変えた試料の粉末ペレットを用いたプロトン伝導度測定を行った結果、次のプロトンポンプ材料となりうることが判明した。
(2) ● 結晶表面近傍のナノチャンネル開口部の水分子の状態を知るための顕微赤外分光は始めたばかりで継続中である。
● キラルな単結晶Y(BTC)(H2O)nの一次元ナノチャンネル中の水分子配列を用いて、上述と同様にプロトン伝導および「プロトンポンプ効果」の研究を推進した。単結晶におけるプロトン伝道度の異方性は大きいことを見出したが、伝導度そのものは小さい。上述と同様なプロトンポンプ効果の測定を継続中である。
(3) ● 発光の結晶軸異方性を測定する装置を、新たに購入した「蛍光・発光測定システムFP-8300ST」をベースに構築して、EuとTbをドープしたキラルな単結晶Y(BTC)(H2O)nの測定を行った結果、予想とは異なり大きな異方性は見出せなかった。
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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
本研究の目的は「非対称な一次元ナノチャンネルによるプロトンポンプ」を実現することである。この点については、単結晶{(M)2[FeIII2(ox)2(μO)(H2O) m]n (M=(NH4))で実現できたと確信している。この点だけに注目すれば、当初の計画より早く進んでいる。しかし実現できたことのベースとなる条件については明確になっていない部分もある。たとえば、
(1)交流電圧を印加しない場合のランダムな熱運動によるプロトン伝導（サイト間ジャンプの相関時間）と印加した交流周波数との関係
(2)一次元ナノチャンネルの陽イオンであるM=(NH4)をM=(CH3NH3)などに変えたときの疎水基導入による水素結合の変化の影響。
(3) 非対称な一次元ナノチャンネルを持ちさえすればどんな物質でも可能か？それとも条件が狭く限られるか
などである。キラルな単結晶Y(BTC)(H2O)nも「非対称な一次元ナノチャンネルを持つ結晶」であるとともに物質の性質も前者とはまったく異なる、プロトン伝導度も大きく異なる。この点でも、両者を比較することは一つの重要な点と考えている。
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| Strategy for Future Research Activity |
単結晶{(M)2[FeIII2(ox)2(μO)(H2O) m]}n (M=(NH4))で実現できたと確信している。しかし、更なる一般化が重要と考えている。そのため、
● {(M)2[FeIII2(ox)2(μO)(H2O) m]}nの一次元ナノチャンネルの陽イオンであるM=(NH4)をM=(CH3NH3)などに変えたときの疎水基導入による水素結合の変化の影響を調べていく。アンモニウムイオンのアルキル鎖をさらに変えることも可能であるので、この類似物質{(M)2[FeIII2(ox)2(μO)(H2O) m]}nの範疇で、「プロトンポンプ効果」を発現する条件の違いを探っていき、可能な限り体系化することを目指す。
● キラルな単結晶Y(BTC)(H2O)nの一次元ナノチャンネル中の水分子配列を用いて、プロトン伝導および「プロトンポンプ効果」の研究をさらに推進する。単結晶を用いて、さまざまな測定条件化でプロトンポンプ効果の測定を継続する。
EuとTbをドープしたキラルな単結晶Y(BTC)(H2O)nからの発光特性については、H25年度の定量的な詳細な測定により、発光の結晶軸依存性（異方性）はほとんどないことが判明した。しかし、発光強度が酸素の吸蔵量および温度に依存して大きく変化することを見出している。このため
● H26年度（今年度）に購入する「ガスフロー型（真空対応）温調器付蛍光ユニットを用いて、酸素吸蔵量（酸素圧と温度を調節）と発光特性の関係を調べていく。酸素分子の磁性との関係も考慮して、NOガスなどにも展開し、またCO2などへも展開する。
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| Expenditure Plans for the Next FY Research Funding |
昨年度末に基金助成金のうち4万円足らずの残額があったが、小額のためH26年度に合算して使用したほうが、効率のよい物品購入ができるため。
4万円足らずであるため、薬品などの物品購入に当てて、効率よく使用する。
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