超臨界流体の静的・動的な構造とゆらぎの研究

1999 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 10440167
• 研究機関: 千葉大学
• 研究代表者: 西川 恵子 千葉大学, 大学院・自然科学研究科, 教授 (60080470)
• 研究分担者: 斎藤 健一 千葉大学, 大学院・自然科学研究科, 助手 (80302579)
• キーワード: 超臨界流体 / 超臨界水 / ゆらぎ / 小角X線散乱 / 熱伝導度 / 動的光散乱 / ラマン散乱 / 遠赤外線吸収スペクトル

研究概要

本研究者は、超臨界流体中のクラスター生成に伴う分子分布の不均一度に着目し、「密度ゆらぎ」(空間的分子分布の不均一度の定量的表現)と相関距離(分子分布の距離的表現)をX線回折法にて求めてきた。その桔果、超臨界流体の構造表現においては「密度ゆらぎ」という物理量が最も基本的であり、密度ゆらぎの等高線を相図上に描いた場合「尾根線」が存在し、この尾根線上で溶解度の変化率が最大になり、反応の特異点もこの尾根上にあることを明かにしてきた。これまでの結果をふまえ、超臨界流体の静的な構造とゆらぎ、および動的構造を解明することを目的とし、以下に示すようなテーマ設定のもと実験を行い結果を得た。
1)超臨界流体の分子分布の不均一性を表す「ゆらぎ」の普遍性について。
CO_2とCF_3Hを試料として、密度ゆらぎ、その尾根線、および相関距離は(密度)vs.(温度)表示の相図上で一致し、これらの物理量は、普通的な量であることを示した。
2)超臨界水のゆらぎ構造。
あまりの活性さゆえ、精密な物性測定は困難とされてきた超臨界水について、試料ホルダーを製作し、小角X線散乱を世界に先駆け成功させ、ゆらぎ構造を明らかにした。
3)熱電効果を用いた熱伝導測定法の開発と超臨界流体CO_2とCF_3Hの熱伝導度の測定。
4)光散乱法による超臨界C_2H_4の熱拡散係数および緩和時間の決定。
5)超臨界CO_2の分子内振動および低波数ラマンスペクトルの測定。
密度ゆらぎの尾根線は、超臨界状態にある分子一個一個のダイナミックスの様相の境界線でもあり、「より液体的領域」と「より気体的領域」に分ける境界線であることを明らかにした。
6)THz光を光源とした超臨界CF_3Hの遠赤外線吸収スペクトルの測定。

研究成果

• [文献書誌] K. Nishikawa & T. Morita: "Fluid Behavior at Supercritical States Stuclied by Small-Angle X-ray Scattering"Journal of Supercritieal Fluids. 13. 143-148 (1998)
• [文献書誌] T. Morita, H. Miyagi, Y. Shimokawa, H. Matsuo, K. Nishikawa: "Construction of the Sample Holder and Small-Angle X-ray Scattering Measurement for Supercritial Water"Japanese Journal of Applied Physics. 37. 768-770 (1998)
• [文献書誌] Z. Chen, K. Tozaki & K. Nishikawa: "Devetopment of Thermal Conductivity Measurement for fluids Which is Convinient and Effective for Samples near Criticap Point"Japanese Journal of Applied Physics. 38. 91-94 (1999)
• [文献書誌] Z. Chen, K. Tozaki & K. Nishikawa: "Evaluation and Countermesures of Convective Heat Transfer on Thermal Conductivity"Japanese Journal of Applied Physics. 38. 6840-6845 (1999)
• [文献書誌] 陳再章,東崎健一,西川恵子: "臨界点近傍および超臨界流体に対し簡便で有効な熱伝導率測定法の開発"高温高圧流体技術研究会レター. 5. 1-6 (1999)
• [文献書誌] 森田剛,西川恵子: "小角X線散乱法による超臨界流体のゆらぎ構造の研究"日本結晶学会誌. 41. 66-74 (1999)
• [文献書誌] Y. Kasahara & K. Nishikawa: "Construction of Small-Angle X-ray Scattering Diffractometer by Use of Asymmetric-Cut Monochromator"Japanese Journal of Applid Physics. 39. 343-344 (2000)
• [文献書誌] K. Nishikawa & T. Morita: "Inhomogeneity of Molecular Distribution in Supercritical Fluids"Chemical Physics Letters. 316. 238-242 (2000)
• [文献書誌] T. Morita, K. Kusano, H. Ochiai, K. Saitoh & K. Nishikawa: "Study of Inhomogeneity of Supercritical Water by Small-angle X-ray Scattering"The Journal of Chemical Physics. 112. 4203-4211 (2000)
• [文献書誌] H. Nakayama, K. Saitoh, M. Sakashita, K .Ishii & K. Nishikawa: "Raman Spectral Changes of Neat CO_2 across the Ridge of Density Fluctnation in Supercritical Region"Chemical Physics Letters. (in press). (2000)
• [文献書誌] 西川 恵子: "化学総説 No.38「マイクロクラスター科学の新展開」部分執筆"日本化学会編 学会出版センター. 12 (1998)