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特異な性質を示す。水はまた、生体内、岩石、地殻、ツンドラ地帯の土壌中など様々な環境下にも存在し、その性質に直接的間接的に関わっている。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、この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1.1～2.4ナノメートルの単層カーボンナノチューブ(SWCNT)を用いて、その疎水的ナノ空洞内の水の吸着と相転移挙動をX線回折、分子動力学計算、核磁気共鳴などの手法を用いて調べてきた。H22年度までの研究によって、直径が1.1～2.4nmのSWCNTの空洞内部の水について温度-SWCNT直径に関するグローバル相図を提案した。(その成果はH23年度に論文として発表された。)そこでH23年度は特に新規ナノ構造炭素であるゼオライト鋳型炭素(ZTC)のナノ細孔内の水の研究に集中した。ZTCはゼオライトを鋳型として作製された炭素を主成分とする3次元的ナノ細孔物質である。本研究の結果、ZTCのナノ細孔中に140w%もの大量の水が吸着可能であることが分かった。さらに200K以下まで液体的であり、低温ではアモルファス的な新規水素結合ネットワークを形成することが明らかになった。この結果は、ZTC内の水は結晶化することなく低温まで液体的あるいはアモルファス的な構造を有していることを意味し、バルク水におけるアモルファス氷や液体-液体相転移、第二臨界点仮説の検証などの研究の新しい舞台を提供するものと期待される。
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