| 研究課題/領域番号 |
16H06367
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| 研究機関 | 東北大学 |
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研究代表者 |
阿尻 雅文 東北大学, 材料科学高等研究所, 教授 (60182995)
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| 研究分担者 |
北條 大介 東北大学, 未来科学技術共同研究センター, 助教 (30511919)
成 基明 東北大学, 未来科学技術共同研究センター, 助教 (30747259)
高見 誠一 東北大学, 多元物質科学研究所, 准教授 (40311550)
相田 努 東北大学, 未来科学技術共同研究センター, 助教 (60645612)
青木 宣明 東北大学, 材料科学高等研究所, 助教 (90437244)
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| 研究期間 (年度) |
2016-05-31 – 2021-03-31
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| キーワード | 薄膜・微粒子形成操作 / 粉粒体操作 / 高分子成形加工操作 |
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| 研究実績の概要 |
本年度は、修飾有機分子の介在する系におけるナノ粒子合成反応の速度論を評価すると共に、ナノ粒子分散系における、ナノ粒子の構造と流動性を評価し、フルイディックセラミクスの設計基盤基礎を構築することを目的とした。
１）超臨界水中での有機修飾ナノ粒子合成反応の速度論評価 Ｌ－グルタミン酸を修飾分子とて，セリウム酸化物合成反応の速度，ひいては，活性化エネルギーの変化を評価した。その結果、修飾分子濃度の上昇に伴いセリウム酸化物の合成反応の速度が低下することが明らかとなった。これは有機修飾分子と金属原料が中間前駆体を形成し、その反応媒質親和性が、反応速度に影響を及ぼすためである。
２）ナノ粒子分散系における、ナノ粒子の構造と流動性の評価 種々のカルボン酸修飾CeO2ナノ粒子を用いたナノ流体の粘性測定を行い、その粘性挙動がナノ流体中のナノ粒子の分散挙動によって体系づけられることを系統的に初めて示すことに成功した。分散状態が良好な場合、すなわち、ナノ粒子が溶媒中でほとんど凝集せず、単一あるいは数個の安定なクラスターを形成している場合、ナノ流体の粘度は低く、溶媒に対する相対粘度は、ナノ粒子の種類や修飾剤、溶媒の種類によらず、ナノ粒子の体積分率でほぼ決まること、そして、凝集して分散状態が不安定になると、ナノ粒子の体積分率に関わらず、ナノ流体の粘度は急上昇することを見いだした。
さらに、ナノ流体の分散状態と粘性挙動との関係において、分散状態が不安定な場合に焦点を当て、せん断によりシニングし、分散状態の良好なナノ流体のものと同程度まで粘度が低下したナノ流体では、分散状態も同様に回復することを示唆した。また、高濃度のナノ流体で生じるシックニングを起こしたナノ流体の構造評価を行った。最終的に、ナノ流体におけるシニング及びシックニング現象は2つの井戸を持つポテンシャルモデルで記述可能であることを指摘した。
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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
平成28年度中にナノ粒子評価システムを導入し、ナノ粒子の溶媒中における物性評価を行う予定であったが、当初計画していたシステムでは高速評価ができないことが判明したため、システムの再検討を行う必要が生じたため計画に遅れが生じた。現在ナノ粒子評価システムは納入済みであり、ナノ粒子の溶媒中における拡散物性の評価を行っている。
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| 今後の研究の推進方策 |
次年度以降は、有機修飾金属酸化物ナノ粒子の物性推算基盤の確立に取り組む。
具体的には、有機修飾金属酸化物ナノ粒子のTGAによる修飾量評価結果、DLS、TEMによる粒子径分布評価結果と、溶媒中における拡散係数、溶解度を相関させ、さらに計算科学（SNAP-DEM）による予測結果と比較することで、有機修飾ナノ粒子の分散、凝集挙動を包括的に記述する化学工学熱力学を構築する。
また、我々の開発したコンビナトリアル超臨界水熱合成装置により、有機修飾ナノ粒子の合成レシピを効率的に探索・最適化する手法を確立すると共に、有機修飾分子がナノ粒子の形成反応に与える影響を速度論的に評価することで、推算基盤により予測される、分散に最適な修飾密度、修飾基長さ、親和性を実現する有機修飾ナノ粒子を効率的に量産するための化学工学基盤を確立する。
フルイディックセラミックスのフィラーの配置について、AIMR数学グループと連携した解析を行う。PVT測定によって得られたデータについて状態方程式を用いた解析から、粒子間ポテンシャルを推定する。得られたポテンシャルを用いて、MD計算を行い、せん断下における粒子の凝集構造を得る。得られた凝集構造に対して、Persistent Homologyを用いた解析を行い、無秩序構造の分類および構造情報の抽出を行う。
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