研究課題
水は、ありふれた物質であるが、沸点が高い、4℃で密度が最大になる、比熱が大きいなどの多数の異常な性質を示す。水はまた、生体内、岩石、地殻、ツンドラ地帯の土壌中にも存在し、その性質に重要である。惑星や彗星等、宇宙空間にも水は存在する。これらの水の一部は極微小の制限空間内に存在する。本研究では、小さな空間に閉じ込められた水の性質、特に、分子2、3個程度の原子・分子スケールからバルク水につながる、水の性質の空間サイズ依存性を明らかにすることが目的である。本研究では、直径が1～3ナノメートルのカーボンナノチューブ(CNT)を用いて、その疎水的ナノ空洞内への水の吸着と相転移挙動を、X線回折、核磁気共鳴、分子動力学計算などの手法を用いて調べている。これまでの研究から、直径が1.1～1.4mmのCNTの空洞内部に水は容易に吸着され、吸着された水は低温で液体-固体様の相転移挙動を示し、低温相がアイスナノチューブ(ice NT)となること、さらにice NTの融点がCNTの直径が大きくなるほど低下すること、などが明らかになっている。一方、～1.5nm以上のCNT内部の水は、CNT直径に反比例するような、相転移様挙動を示し、原子・分子領域から、バルク領域へのクロスオーバー現象を示唆した。本年度は、(1)このクロスオーバー領域において、水の構造を分子動力学計算とX線回折実験により詳細に調べ、CNTの有限長効果を明らかにした。CNT端の存在のため、内包水分子数に依存して異なる水の構造が現れることが分かった。また、(2)太いCNTでは、低温でwet-dry転移を示すことが明らかになった。その起源としては、CNT内部での水の液体一固体相転移と関連していることが示唆された。
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J.Phys.Soc.Jpn.
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