2016 Fiscal Year Annual Research Report
NMR and molecular simulation study of structure and phase transition of water under pressure inside nanocarbon materials
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26400437
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| Research Institution | Kanagawa University |
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Principal Investigator |
松田 和之 神奈川大学, 工学部, 准教授 (60347268)
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| Project Period (FY) |
2014-04-01 – 2017-03-31
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| Keywords | 分子内包 / ナノカーボン / 核磁気共鳴 / 分子動力学シミュレーション |
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| Outline of Annual Research Achievements |
単層カーボンナノチューブ（SWCNT）とゼオライト鋳型カーボン（ZTC）はナノメートルスケールの細孔をもち、分子を内包することができる。これらの細孔はSWCNTでは1次元的円筒であるのに対し、ZTCでは直径約1.2 nmの細孔が3次元的に連結した構造をしている。このようなナノ細孔に閉じ込められた分子の集団はバルク状態とは異なる挙動が期待される。本研究はこれら2種類のナノカーボンの細孔内に内包された水の挙動を、常圧および高圧下の核磁気共鳴（内包重水の2H NMR）、古典分子動力学シミュレーション、x線回折などにより明らかにすることを目的とする。本研究では平均直径が異なる5種類（平均直径1.4～4.0 nm）のSWCNT試料およびZTC（直径約1.2 nm）試料を用いた。これら細孔内に内包された水の挙動について以下のような知見を得た。（1）200～250 Kの温度領域で得られたSWCNT内包水分子の回転相関時間はZTC内包水よりも短い。これは両者のナノ細孔の形状の違いに由来していると考えられる。（2）加圧（～100 MPa）によりZTC内包水分子の回転相関時間は長くなり、水分子ダイナミクスが抑制されていることが室温から210Kの温度領域で確認された。（3）240 K以下では直径1.6 nm以上のSWCNTの内包水分子はチューブ直径が大きいほど回転相関時間は長くなる。さらに200 K以下では内包水分子はNMRの時間スケール（～10 -6 s）で運動が凍結し、これらの内包水は固体状態であることが示された。（4）直径1.6nm以上のSWCNTでは内包水の一部が転移温度（約220 K）以下でチューブ外部に放出されるwet-dry転移を起こすが、このとき放出された水はチューブ外部で通常のバルク氷Ihを形成することを明らかにした。
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