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2016 年度 実績報告書

ナノスケール低次元構造水の相転移と物性の解明

研究課題

研究課題/領域番号 16H02079
研究機関東京理科大学

研究代表者

本間 芳和  東京理科大学, 理学部第一部物理学科, 教授 (30385512)

研究分担者 由井 宏治  東京理科大学, 理学部第一部化学科, 教授 (20313017)
山本 貴博  東京理科大学, 理学部, 助教 (30408695)
伊藤 哲明  東京理科大学, 理学部第一部応用物理学科, 准教授 (50402748)
千足 昇平  東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 准教授 (50434022)
研究期間 (年度) 2016-04-01 – 2019-03-31
キーワード水分子 / 相図 / 相転移 / 熱力学 / 相転移ダイナミクス
研究実績の概要

【CNT内包水】単層カーボンナノチューブ内部に閉じ込められた水(内包水)の挙動を近赤外蛍光発光分光法を用いて分析した。内包水の相(固,液,および気相)が環境温度・圧力によって変化することが明らかとなった。その相の変化と、ラマン散乱分光法で得られる単層カーボンナノチューブの振動特性の変化との比較検討を行った。
【グラフェン表面・界面水】グラフェン表面に凝集した水の水素結合ネットワーク構造を分子動力学計算によって調査するとともに、グラフェン表面凝集水の赤外吸収スペクトルを第一原理電子状態計算に基づく振動解析するためのシミュレーション技術を開発した。また、グラフェンとナノグラファイトの間の摩擦に及ぼす水の影響について、分子動力学法によって調査した。実験では、シリコン熱酸化膜上のグラフェンを環境セル中でラマン散乱分光法を用いて測定することにより、界面水がグラフェンにホールドープを引き起こすことを明らかにした。
【構造水の計測法の開発】低温・低圧下で温度、水蒸気圧を制御しつつ、固体表面における水の構造を、分光学的手法を用いて計測するための環境制御セルを製作した。また、表面における水からの振動スペクトルを広域かつ表面選択的に取得可能な、マルチプレックス型和周波発生分光装置を製作し、試験試料としてGaAs基板からの和周波信号を取得し、計測の素地を整えた。また、CNTの内包水の相転移ダイナミクスを測定するため、1H-NMRシステムを構築し、CNT内包水に起因する信号を捉えることに成功した。

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

CNTでは内包水の相変化を近赤外蛍光発光分光法及びラマン散乱分光法により捉えることができた。グラフェン上の水については、シミュレーション技術を確立するとともに、実験的には界面水によるドープ効果を明らかにできた。計測法では、マルチプレックス型和周波発生分光装置の製作及び温度制御下の1H-NMR測定システムの構築など、順調に研究が進展している。また、理論と実験の連携も進みつつある。

今後の研究の推進方策

【CNT内包水】分光計測による単層カーボンナノチューブ周りの水分子の挙動を詳細に分析すると同時に、相転移理論や数値計算等を用いてその解析を進める。また、異なる直径やカイラリティの単層カーボンナノチューブ間での比較を行い、水分子へ与える影響の直径や構造依存性を明らかにしていく。
【グラフェン表面・界面水】グラフェン表面に凝集した水の水素結合ネットワーク構造を精密に解析し、この凝集水の特異な構造を明らかにする。また、グラフェン表面の凝集水の振動スペクトルを精密に解析し、バルク水との違いを明らかにする。
【シリカ表面水】製作した環境制御セルを用いて、温度・水蒸気圧を制御しながら、表面親水基数密度を変化させたシリカ、グラフェン表面における水の構造を、反射型赤外吸収分光法とマルチプレックス型和周波発生分光法を用いて計測、比較しながら表面の親水性、疎水性が表界面特有の水素結合ネットワーク構造に及ぼす影響を系統的に明らかにし、特に熱力学的物性との相関を考察する。

  • 研究成果

    (16件)

すべて 2017 2016

すべて 雑誌論文 (1件) (うち査読あり 1件) 学会発表 (15件) (うち国際学会 5件、 招待講演 4件)

  • [雑誌論文] Strain effect of cellulose-wrapped single-walled carbon nanotubes measured by photoluminescence and Raman scattering spectroscopy2016

    • 著者名/発表者名
      Ito Masahiro、Yajima Hirofumi、Homma Yoshikazu
    • 雑誌名

      Japanese Journal of Applied Physics

      巻: 55 ページ: 075101(1~5)

    • DOI

      10.7567/JJAP.55.075101

    • 査読あり
  • [学会発表] ナノカーボン制限空間に存在する水の構造と物性の評価2017

    • 著者名/発表者名
      本間芳和
    • 学会等名
      顕微ナノ材料科学研究会・放射光表面科学研究部会 合同シンポジウム
    • 招待講演
  • [学会発表] カーボンナノチューブに内包された水の相転移の計測2017

    • 著者名/発表者名
      本間芳和
    • 学会等名
      ナノトライボロジー研究センター開設シンポジウム
    • 招待講演
  • [学会発表] ナノカーボン材料表面の水と摩擦のシミュレーション研究2017

    • 著者名/発表者名
      山本貴博
    • 学会等名
      ナノトライボロジー研究センター開設シンポジウム
    • 招待講演
  • [学会発表] 原子間力顕微鏡によるカーボンナノチューブ直径の定量評価2017

    • 著者名/発表者名
      石谷 暁拡, 小山智央, 稲葉工, 本間芳和
    • 学会等名
      ナノトライボロジー研究センター開設シンポジウム
  • [学会発表] 単層カーボンナノチューブ内包水の相転移2017

    • 著者名/発表者名
      加藤高士,吉野数基,齋藤裕太,千足昇平,本間芳和
    • 学会等名
      第78回応用物理学会春季学術講演会
  • [学会発表] Interaction of Molecules with Single-Walled Carbon Nanotube Probed By Photoluminescence and Raman Spectroscopy2016

    • 著者名/発表者名
      Yoshikazu Homma
    • 学会等名
      229th Electrochemical Society Meeting
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] 蛍光・ラマン分光法による単一架橋単層カーボンナノチューブの熱物性計測2016

    • 著者名/発表者名
      吉野数基,加藤高士,齋藤裕太,千足昇平,本間芳和
    • 学会等名
      第77回応用物理学会秋季学術講演会
  • [学会発表] 蛍光分光法により観察した単層カーボンナノチューブ内包水の相2016

    • 著者名/発表者名
      加藤高士,吉野数基,齋藤裕太,千足昇平,本間芳和
    • 学会等名
      第77回応用物理学会秋季学術講演会
  • [学会発表] 原子間力顕微鏡を用いたカーボンナノチューブの定量評価2016

    • 著者名/発表者名
      石谷 暁拡, 小山智央, 稲葉工, 本間芳和
    • 学会等名
      第36回表面科学学術講演会
  • [学会発表] SiO2/Si基板上グラフェンの環境制御ラマン測定2016

    • 著者名/発表者名
      小山智央, 稲葉工, 小松克伊, 森山悟士, 清水麻希, 本間芳和
    • 学会等名
      第36回表面科学学術講演会
  • [学会発表] 分子動力学シミュレーションを用いたSiO2表面水和構造の表面終端OH基被覆率依存性の解析2016

    • 著者名/発表者名
      津野雅幸,伴野元洋,山本貴博,由井宏治
    • 学会等名
      第67回コロイドおよび界面化学討論会
  • [学会発表] Molecular-dynamics simulation of water absorbed on nanocarbon surface: structure and its influence on tribology2016

    • 著者名/発表者名
      Atsushi Beniya, Naoaki Homma, Shohei Chiashi, Yoshikazu Homma, Takahiro Yamamoto
    • 学会等名
      13th International Conference on Atomically Controlled Surfaces, Interfaces and Nanostructures
    • 国際学会
  • [学会発表] Characterization of interfacial water layer between single-layer graphene and substrate by Raman spectroscopy2016

    • 著者名/発表者名
      Tomohiro Koyama, Takumi Inaba,Katsuyoshi Komatsu,Satoshi Moriyama, Maki Shimizu, Yoshikazu Homma
    • 学会等名
      13th International Conference on Atomically Controlled Surfaces, Interfaces and Nanostructures
    • 国際学会
  • [学会発表] Photoluminescence Imaging Spectroscopy of Water Adsorption Layer on a Suspended Single-walled Carbon Nanotube2016

    • 著者名/発表者名
      Shohei Chiashi, Kazuki Yoshino, Takashi Kato, Yoshikazu Homma
    • 学会等名
      13th International Conference on Atomically Controlled Surfaces, Interfaces and Nanostructures
    • 国際学会
  • [学会発表] Suspended CNT: Excellent Probe of Molecular Adsorption2016

    • 著者名/発表者名
      Yoshikazu Homma, shohei Chiashi
    • 学会等名
      International Symposium on Carbon Nanotube in Commemoration of its Quarter-Century Anniversary (CNT25)
    • 国際学会

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公開日: 2018-12-17  

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