| 研究課題/領域番号 |
19H02086
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| 研究機関 | 早稲田大学 |
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研究代表者 |
松田 佑 早稲田大学, 理工学術院, 准教授 (20402513)
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| 研究分担者 |
中垣 隆雄 早稲田大学, 理工学術院, 教授 (30454127)
江上 泰広 愛知工業大学, 工学部, 教授 (80292283)
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| 研究期間 (年度) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| キーワード | 単一分子計測 / 多孔質材料 / 物質輸送 |
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| 研究実績の概要 |
マクロ・メソ・ミクロ孔といった空間階層性を有した多孔質物質は，触媒をはじめとして吸着材料，イオン交換，太陽光発電，ガス検知など非常に広範な機器において中心的な役割を果たしている．一般に触媒作用においては，触媒表面に目的分子が拡散し吸着することで反応が進むことから，固体触媒での目的分子の移動現象を正確にモデル化することが強く求められる．本研究では，単一分子計測法（SMT: Single Molecule Tracking）により，階層性を有した微細孔内での分子の吸着・拡散現象を適切にモデル化することを目標とし，個々の分子運動を直接計測・解析する．これにより将来的に，微細孔径分布をコントロールすることで，所望する性能を有した材料をボトムアップにより設計開発するための方法論の基盤構築を行うことを目的とする．
上述の目的を達成するために，本年度では，多孔質体内での物質拡散の計測に適したSMT計測システムを開発した．具体的には，計測に適した光学系および機器の選定と設置・調整を行うとともに，計測に適した色素分子の選定を行うことで，高SN比での計測を実現した．また計測対象とする多孔質材料に関してもマクロ孔，メソ孔，ミクロ孔が適切な体積割合で存在する典型的な試料を選定し準備した．
またSMT計測データの解析手法として，データ同化をはじめとする情報科学分野で用いられる手法を適用したアルゴリズムの開発を目指して研究を推進した．SMT粒子の運動は，ランジュバン方程式に従うとして数値シミュレーションを行い，この結果と実験データを逐次対応させることでランジュバン方程式中の拡散係数を推定するアルゴリズムを構築した．またSMT計測データから得られる粒子軌跡データに対して，カルマンフィルタを用いて拡散係数を同定する手法に関しても構築し，それぞれの手法の利点・欠点を明らかにした．
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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
本年度では，SMT計測システムの構築，SMT計測データの解析手法の開発を行った．
まず計測システムの構築に関して記載する．SMT計測では共焦点顕微鏡を用いるためにこの調整と，計測のフレームレートとSN比の関係から適切な撮影条件を決定した．また計測に適した色素分子の選定を行った．色素分子の選定にあたっては，実在の機器において目的分子となる分子と近い構造を持つ分子において，その量子収率や発光寿命などの分光特性に着目して選定を行った．これらによって高いSN比での計測が可能な実験条件を決定した．多孔質材料には，各空間スケールの孔における分子運動をよく計測・解析できるようにマクロ孔，メソ孔，ミクロ孔が適切な体積割合で存在する典型的な試料を選定した．これらに関しては，水銀圧入法によってその特性評価を詳細に実施した．
次にSMT計測データの解析手法について述べる．SMT計測データとして得られる時系列粒子軌跡データの解析手法として，データ同化をはじめとする情報科学分野で用いられる手法を援用したアルゴリズムの開発を目指して研究を推進した．SMT粒子の運動は，ランジュバン方程式に従うとして数値シミュレーションを行い，この結果と実験データを逐次対応させることでランジュバン方程式中の拡散係数を推定するアルゴリズムを構築した．またSMT計測データから得られる粒子軌跡データに対して，カルマンフィルタを用いて拡散係数を同定する手法に関しても構築した．本年度は，実際の実験データではなく，推定するパラメータが既知である粒子軌跡を数値シミュレーションによって生成し，これらのデータに対して開発したアルゴリズムが正しく適用できるか評価を行い，それぞれの手法の利点，欠点ならびに拡散係数の予測精度，適用できる条件や検出限界に関して明らかとした．
以上のように予定していた研究を順調に推進できている．
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| 今後の研究の推進方策 |
次年度では，本年度に開発した多孔質体内での物質拡散の計測に適したSMT計測システムを利用し，実際に種々の条件下での計測を実施する．なお本年度において選定した蛍光色素分子を実験計測条件に対して適切化した色素濃度条件においてSMT計測を行う．また多孔質体に関しても本年度に選定した，マクロ孔，メソ孔，ミクロ孔が適切な体積割合で存在する典型的な試料を用いて実験を実施する．
具体的な計測にあたっては，微粒子とプローブ分子の組合せによるプローブ分子の吸着量の変化，プローブ分子の拡散モード（自由拡散，表面拡散，拘束を受けた拡散など）やその拡散係数の変化を，その温度依存性も含めて調査する．またあわせて，これらの量の微細孔サイズ（マクロ・メソ・ミクロ孔）による拡散モードの相違を詳細に調査することで孔径の違いによる挙動変化を明らかとする．
またSMT計測データの解析に関しては，本年度から継続して開発を実施しているデータ同化手法を有効に利用する．これにより従来手法である平均二乗変位平均二乗変位（MSD）によるデータ解析よりも多くの情報を抽出することを目指す．本年度に引き続き本データ解析手法の確立を目指した研究を実施する．本年度ではノイズなどを含まない理想化されたデータに対して本手法の有効性を調査したが，次年度においてはノイズを含むような実際の実験データに近い軌跡データに対して解析とアルゴリズムの有効性の評価を行う．同時に実際のSMT実験計測データに本手法を適用していき，問題点の洗い出しを行う．
また，SMTを用いたミクロ計測に対し，粒子全体を総括する巨視的に観測される吸着量・見かけの拡散係数の計測を行う．あわせて電子顕微鏡により，多孔質材料内の微細孔形状や各スケールの微細孔の連結状態などを詳細に計測することで，マクロスケールとSMT計測データの比較の際にこれらのデータを活用する．
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