| 研究課題/領域番号 |
21K14583
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| 研究種目 |
若手研究
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| 配分区分 | 基金 |
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| 審査区分 |
小区分32010:基礎物理化学関連
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| 研究機関 | 東京大学 |
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研究代表者 |
永田 利明 東京大学, 大学院総合文化研究科, 助教 (80783373)
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| 研究期間 (年度) |
2021-04-01 – 2024-03-31
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| 研究課題ステータス |
交付 (2022年度)
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| 配分額 *注記 |
4,420千円 (直接経費: 3,400千円、間接経費: 1,020千円)
2023年度: 1,430千円 (直接経費: 1,100千円、間接経費: 330千円)
2022年度: 1,430千円 (直接経費: 1,100千円、間接経費: 330千円)
2021年度: 1,560千円 (直接経費: 1,200千円、間接経費: 360千円)
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| キーワード | 物理化学 / クラスター / 気相反応 / 質量分析 / 熱分析 |
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| 研究開始時の研究の概要 |
気相クラスター反応の実験条件は、反応場の分子密度が薄く反応系が真空中にほぼ孤立している反応条件(孤立条件)と、希ガスなど不活性な気体が多数回衝突し熱平衡と見做せる反応条件(熱的条件)がある。孤立条件ではイオントラップ等で反応時間を制御できるが、熱的条件の反応時間は反応場の物理的な長さといった装置構造で決まり、従来の研究では固定値とされていた。本研究では反応場を複数の区画に分割した装置を開発することで、熱的条件における反応時間の制御を行う。これにより、時間に依存した反応系の変化という化学反応における基本的な情報を得られるようになり、気相クラスター反応の実験科学的な理解を深めることが期待される。
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| 研究実績の概要 |
気相クラスターの熱反応を解析する手法として以前から気相昇温脱離法という手法で研究を進めてきたが、この際の反応時間を制御することでクラスターの気相反応について熱力学的・速度論的に従来より詳細な解析を行うことを目指して研究を進めている。熱反応の時間制御を行うことで反応過程を詳しく追跡できるようになることが期待されるが、そのような解析が必要となる反応系として、多段階かつ正反応と逆反応が同時に進行するような反応過程に着目し、そのようなクラスター反応の候補となる反応系について気相昇温脱離法を用いた反応解析を行った。
ケイ素酸化物クラスターに水分子を反応させることでクラスター水和物を生成し、加熱することで起こる変化を調べた。Si, O, Hの原子から構成されるクラスターは、各元素が+4価、-2価、+1価を取るような化学量論的な組成が主に生成し、加熱によりH2O分子の脱離反応が見られた。H2O濃度条件を変化させた気相昇温脱離実験の結果を比較することで、加熱によって単にH2Oが脱離しているのではなく、同時にH2Oの吸着(逆反応)が起きていることが分かった。クラスターを1000 Kまで加熱してもH2Oは完全に放出されず、Si3O7H3+のような化学式の上ではまだH2Oの脱離が可能である組成で反応が止まることが分かった。量子化学計算と実験の結果を合わせて検討したところ、H2O分子はSi酸化物クラスターと反応することでOH基の形で存在していること、Si原子が四面体型4配位構造を取る構造が安定でそのような構造が取れない組成は著しく不安定であることが示唆された。
アルミニウム酸化物クラスターについても同様に水分子を反応させ熱変化を調べた。Siと同様に式の上ではH2Oの脱離がまだ可能であるような組成で脱離反応が止まったが、量子化学計算からはAlではSiとは異なる安定化則が示唆された。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
当年度は前年度に引き続き、時間可変な加熱反応実験の対象となるべき反応系を策定するための実験研究を主に進めたため、当初の目的である時間可変な加熱実験装置の開発よりもその前提となる反応実験を進めた形となった。装置開発が後回しになっている点では計画に遅れが生じているが、装置開発にあたっては現状の実験装置を改造する必要があるため当面の間当該装置を用いた実験研究を止める必要があり、現在進行中の反応実験研究を現時点では続けた方が良いという判断で計画とは異なる形で研究を遂行している。実験の方では十分に成果が得られていると考えており、本研究全体の評価としては順調に進んでいると思われる。
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| 今後の研究の推進方策 |
研究期間の最終年度にあたり、引き続き気相クラスター反応の研究を進めつつ、現在進行中の研究をある程度まとめられる時点で当初目標である時間可変の昇温脱離実験装置の製作を行い、年度内に動作の実証を行う予定である。それと合わせて、現在研究室で所持している気相クラスターの赤外解離分光の装置について、クラスター生成部を改良することで加熱条件下での振動スペクトル取得実験を行い、本研究の主目標である反応の熱力学的・速度論的解析に加え、クラスターの構造に基づく議論を行うことでクラスター反応についてより具体的な像を見出すことを目指している。
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