| 研究課題/領域番号 |
18K03571
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| 研究機関 | 同志社大学 |
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研究代表者 |
貞包 浩一朗 同志社大学, 生命医科学部, 准教授 (50585148)
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| 研究期間 (年度) |
2018-04-01 – 2021-03-31
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| キーワード | 臨界現象 / 相分離 / 自己組織化 / ソフトマター / 溶媒和 / 液体 / 中性子散乱 |
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| 研究実績の概要 |
水と低分子の有機溶媒からなる混合溶液は、臨界点近傍で3次元Ising臨界普遍性を示す。これに対し、研究代表者らはこれまでに、下部臨界点を持つ3-メチルピリジン水溶液に拮抗的な塩（親水性と疎水性のイオンを併せ持つ塩）を加えることで、相分離挙動が3次元Isingから2次元Isingに変化することを発見している。また、予備実験により、下部臨界点を持つ2,6-ジメチルピリジン水溶液や、上部臨界点を持つアセトニトリル水溶液でも同様に、拮抗的な塩を加えることで2次元Ising臨界普遍性が現れる、という結果も得ている。さらに1,4-ジオキサンにイオン液体を加えた場合は、臨界組成の条件において3次元Ising、臨界組成から外れた領域で平均場的な臨界普遍性を示す、といった予備的な結果も得ている。
以上の知見を踏まえ、2019年度は(i)小角中性子散乱実験、(ii)動的光散乱実験を行い、溶液のナノ構造を調べることで3次元Ising臨界普遍性や平均場的な挙動が現れるメカニズムについて調べた。(i)の結果から、2,6-ジメチルピリジン水溶液においても2次元Ising臨界普遍性が現れることの再現性を確認した。さらに、重水素化溶媒を用いた中性子コントラストマッチングを行ったところ、溶液中で親水性イオンと疎水性イオンが凝集し、2次元状の膜を形成することが分かった。この膜の形成が、臨界普遍性における次元の変化に関係していることが示唆される。(ii)の実験では、アセトニトリル水溶液、及びイオン液体を含む溶液について測定したが、光散乱では解析のために十分な信号強度は得られないことを確認した。
以上の結果に加え、有機溶媒水溶液における相分離現象の研究の発展として、水中でのニトロベンゼンのダイナミクスについて解析を行ったところ、複数の液滴間での振動パターンが同期していることを発見した。本研究成果は国際誌にて発表した。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
3: やや遅れている
理由
上記(i)の中性子散乱実験で、アセトニトリル水溶液、及びイオン液体を含む水溶液のナノ構造を調べることで、相分離温度近傍における臨界普遍性を明らかにする予定であったが、2019年度のマシンタイム内に測定を終わらせることができなかった。そこで、同じく溶液のナノ観測できる手法として(ii)の動的光散乱実験を試みたが、解析できるだけの光散乱強度を得ることができないことが分かった。この要因として、光散乱の起源となる溶媒間（水、アセトニトリル、イオン液体間）の屈折率差が十分に大きくなかったためだと考えている。
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| 今後の研究の推進方策 |
上記(ii)の動的光散乱実験から、アセトニトリル水溶液とイオン液体の水溶液は、光散乱実験に適さないことが分かった。この結果を受けて、2020年度はまず、実験方法を変えて再度臨界挙動について明らかにする。具体的には小角散乱実験により、これらの混合溶液での、温度変化に対する「濃度揺らぎ」と「前方散乱」を詳しく調べ、臨界普遍性の特徴を明らかにする。さらに、アセトニトリル水溶液やイオン液体以外の相分離挙動を示す溶媒についても同様に実験を行い、2次元Isingや平均場的な振る舞いが現れるメカニズムを明らかにする。2020年度は、既に大強度陽子加速器施設（J-PARC、茨城県東海村）にて3日間のマシンタイムを確保しているため、実験を完了することができると考えている。
加えて、得られた実験結果をもとに、臨界普遍性が変化することのメカニズムを統計力学の観点から明らかにするための自由エネルギーモデルを構築する。ここでは、小貫明教授（京都大学）らのアドバイスを受ける予定である。
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