| 研究課題/領域番号 |
18K04884
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| 研究機関 | 東京学芸大学 |
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研究代表者 |
佐藤 公法 東京学芸大学, 教育学部, 教授 (00401448)
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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 | 二次元物質 / ナノシート / 機能性ナノ空間 / ポジトロニウム |
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| 研究実績の概要 |
二次元無機ナノ凝集体は，厚さ約1ナノメートルで，数十ナノメートルからミクロンオーダーまで二次元的な広がりを持って配列するシート状の平面凝集体である。本研究では，二次元構造に起因する特異な電子状態，及び局所構造に着目し，化学的活性性，優れた物質捕獲能を有する新規機能性ナノ空間を創成する。ナノ空間はナノシートを任意幾何学的に空間配列させることによって構築する。まず，ナノシートの空間配列を精密制御するため，ナノシートに対して並進移動，回転，細分化，湾曲を4つの基本操作として導入・確立する。さらに，上記基本操作を用いて構築した多様なナノ空間について，吸着特性，分子ふるい，物質貯蔵の観点から評価する。とりわけ，二酸化炭素分子の吸着に関しては，未だ実現されていない，常温・常圧環境下で物理吸着と化学吸着の両方を発現するナノ空間の創成を目指す。初年度にあたる平成30年度は，ナノシートに対する基本操作として，シートの並進移動，回転，切断による細分化，湾曲に着目した。シートの並進移動については，シートが自己集積化により緻密化する過程で，シート面内方向に並進移動することを確認した。さらに，層間のカチオンがナトリウムからセシウムに置換することにより，並進移動が大きく変化することがわかった。ナノシートの回転に関しては，マイクロ波や超音波照射によるエネルギー付与により実現することがわかった。シート切断による細分化に関しては，メカノケミカルミリング処理によって細分化できることがわかった。ナノシートの湾曲に関しては，比較的大きい面積を持つナノシートは既に湾曲していることが，電界放出型走査電子顕微鏡観察により確認された。以上により，ナノシートを任意幾何学的に空間配列させるために不可欠な4つの基本操作は，全て実現可能であることが示された。
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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
本研究では，二次元構造に起因する特異な電子状態，及び局所構造に着目し，化学的活性性，優れた物質捕獲能を有する新規機能性ナノ空間を創成する。ナノ空間構築のために，ナノシートの並進移動，回転，細分化，湾曲に着目し，ナノシートを任意幾何学的に空間配列させる。初年度にあたる平成30年度は，4つの基本操作であるナノシートの並進移動，回転，細分化，湾曲を個別に調査し，実現可能性について調べた。ナノシートの並進移動については，凝集体が水和する際にシート表面に物理吸着する水分子が誘起する自己集積化現象を利用した。シート表面の水分子が潤滑剤的な役割をし，並進移動の駆動力となること，そのために，絶対乾燥状態からわずかな水和によって制御可能であることが確認された。加えて，層間のカチオン種など，様々な環境要因で並進移動が変化することもわかった。ナノシートの回転に関しては，自己集積化前には多数のナノシートが回転した状態になっていることが確認できた。さらに，マイクロ波や超音波照射によるエネルギー付与により実現することがわかった。シート切断による細分化に関しては，メカノケミカルミリング処理によって細分化できることをX線回折により確認した。とりわけ，湿式よりも乾式でのミリング処理が有効であることがわかった。ナノシートの湾曲に関しては，比較的大きい面積を持つナノシートは既に湾曲していることを，電界放出型走査電子顕微鏡観察により見出した。ナノシートの湾曲は，分子動力学計算によっても確認された。以上により，ナノシートを任意幾何学的に空間配列させるために不可欠な4つの基本操作が全て実現可能であることが初年度に確認できたことは，今後のナノ空間構築に向けて意義がある。現在までの達成度はおおむね順調と判断する。
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| 今後の研究の推進方策 |
当初の予定通り，ナノシートを任意幾何学的に空間配列させるために不可欠な基本操作として，並進移動，回転，細分化，湾曲が実現可能であることを初年度に確認できたことは意義がある。平成31年度は，上で述べたナノシートの基本操作を推進し，以下に示す三つのナノ空間構築を試みる。一つ目として，内部にエッジ構造を持つナノ空間の構築から着手する。このナノ空間は，ナノシートの並進移動を適用することにより推進する。ナノ空間のサイズは，シート切断で微細化することによって制御する。二つ目は，内部のエッジ構造を制御することにより，ステップ，階段，キンク構造を持つナノ空間である。このナノ空間は，ナノシートの並進移動を適用する。内部にエッジ構造を持つナノ空間と同様に，ナノ空間サイズは，シート切断微細化により制御する。三つ目は，物質捕獲サイトを持つナノ空間である。このナノ空間は，ナノシートの並進移動を適用することにより，シート表面に位置する酸素六員環などのくぼみを，上下に組み合わせる。これにより，物質捕獲サイトをナノ空間内部に構築する。例えば，サポナイトシート表面の酸素六員環は，半径約1.2オングストロームであるため，様々なサイズの物質の捕獲に適している。ナノ空間のサイズは，シート切断による微細化で，精密に制御する。上記で構築されたナノ空間を評価するために，一連のポジトロニウム分光実験を推進する。ナノ空間の検出，サイズと量の評価は，ポジトロニウム寿命測定法を用いて行う。ナノ空間内壁は陽電子寿命－運動量相関計測により調べる。一連のポジトロニウム分光実験に加えて，分子動力学計算，電界放出形走査電子顕微鏡観察を併用する。併せて，窒素ガス吸着実験を用いた空隙の調査も行う。
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