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2012 年度 実績報告書

カーボンナノチューブのナノ表面・ナノ空間における水の構造と物性

研究課題

研究課題/領域番号 24310094
研究種目

基盤研究(B)

研究機関東京理科大学

研究代表者

本間 芳和  東京理科大学, 理学部, 教授 (30385512)

研究分担者 山本 貴博  東京理科大学, 工学部, 講師 (30408695)
岡田 晋  筑波大学, 数理物質科学研究科, 准教授 (70302388)
千足 昇平  東京大学, 工学系研究科, 講師 (50434022)
研究期間 (年度) 2012-04-01 – 2015-03-31
キーワードナノチューブ / 光物性 / 水 / 相図
研究概要

単層カーボンナノチューブ(SWNT)と水分子のナノスケールにおける相互作用の解明を目的として、分光実験および理論計算による研究を推進した。
計測法の開発に関しては、レーザ励起蛍光分光法による単一SWNTへの水吸着層の検出と、結晶構造の情報を含むラマン散乱の同時測定を実現するとともに、蛍光分光法におけるイメージング・スペクトル解析により水吸着の空間分布の解析法を開発した。また、架橋SWNT試料の制御性を向上するため、孤立成長率の向上および余分なカーボンの堆積の低減を狙いとした低圧合成法を検討した。分子動力学計算を用いたアプローチでは、SWNTの表面に吸着した水分子のミクロスコピックな構造を決定し、さらに水の吸着によるSWNTの動径呼吸モード(RBM)の格子振動への影響とそのチューブ直径依存性を詳細に調べた。
以上の結果、疎水性のSWNT表面においても、SWNTの炭素原子が作る分子間力ポテンシャルの谷間に、1分子層から2分子層の厚みの水吸着層が安定に形成されることを明らかにした。さらに、この吸着層がラマン散乱のRBM振動数をSWNTの直径によらずに高波数側に7cm^-1ほどシフトさせること、真空中ではSWNT本来のRBM振動数を示すことがわかった。
今後のSWNTの内部ナノ空間に内包される分子の状態を解析するための準備として、より低温度領域での計測が可能な環境制御用真空チャンバの設計・製作を行った。また、酸化条件の最適化によるチューブの開端制御性の向上を検討した。一方、理論計算では、第一原理計算によりSWNT内包空隙における水分子、エタノール分子の安定吸着構造の探索を行った。また、多数の分子が内包された系の初期構造の検討を行った。

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

SWNT表面への疎水性水和層の形成という新しい物理現象を解明し、Physical Review Letters誌に掲載した。また、SWNT本来のRBMラマン散乱周波数と水吸着による環境化効果を実験・理論両面から解明した。一方、SWNT内部空間への内包現象については、研究の実施が計画より遅れている。

今後の研究の推進方策

・-10℃~50℃までの温度制御下でのSWNTへの水吸着・内包実験を実施する。
・制御範囲を一100℃程度の低温から高温度(数100℃)まで拡張する。
・ナノ空間での水や物質の状態図を作成する。

次年度の研究費の使用計画

環境制御用真空チャンバの設計を自ら行うことにより製造費を節約したため、助成金の余剰分が生じた。一方で、設計に時間がかかったことにより、低温領域での実験を本年度は実施できなかった。低温領域での実験を次年度に後倒しし、その遂行に関わる物件費に余剰分を当てる。

  • 研究成果

    (15件)

すべて 2013 2012 その他

すべて 雑誌論文 (2件) (うち査読あり 2件) 学会発表 (11件) 図書 (1件) 備考 (1件)

  • [雑誌論文] Photoluminescence Measurements and Molecular Dynamics Simulations of Water Adsorption on the Hydrophobic Surface of a Carbon Nanotube in Water Vapor2013

    • 著者名/発表者名
      Y. Homma, S. Chiashi, T. Yamamoto, K. Kono, D. Yatsumoto, J. Shitaba, S. Sato
    • 雑誌名

      Physical Review Letters

      巻: 110 ページ: 157402-1-4

    • DOI

      10.1103/PhysRevLett.110.157402

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Simultaneous measurement of photoluminescence and Raman scattering spectra from suspended single-walled carbon nanotubes2012

    • 著者名/発表者名
      K. Kono, D. Matsumoto, S. Chiashi, Y. Homma
    • 雑誌名

      Surface and Interface Analysis

      巻: 44 ページ: 686-689

    • DOI

      10.1002/sia.4819

    • 査読あり
  • [学会発表] 共鳴ラマン散乱における架橋単層カーボンナノチューブへの水吸着効果2013

    • 著者名/発表者名
      松本大輝, 下羽淳平, 千足昇平, 山本貴博, 本間芳和
    • 学会等名
      第60回応用物理学会春季学術講演会
    • 発表場所
      神奈川工科大学(厚木市)
    • 年月日
      2013-03-29
  • [学会発表] 近赤外蛍光分光及びイメージング分光を用いた単層カーボンナノチューブ表面における水の吸着状態の評価2013

    • 著者名/発表者名
      下羽淳平, 千足昇平, 松本大輝, 小竿明彦, 本間芳和
    • 学会等名
      第60回応用物理学会春季学術講演会
    • 発表場所
      神奈川工科大学(厚木市)
    • 年月日
      2013-03-29
  • [学会発表] 水蒸気雰囲気下での単層カーボンナノチューブのRBMに関する分子動力学計算2013

    • 著者名/発表者名
      本間直樹, 佐藤慎太郎, 千足昇平, 本間芳和, 山本貴博
    • 学会等名
      日本物理学会 第68回年次大会
    • 発表場所
      広島大学(広島市)
    • 年月日
      2013-03-26
  • [学会発表] 水蒸気雰囲気下でのSWNTのRBMに関する分子動力学計算2013

    • 著者名/発表者名
      本間直樹, 佐藤慎太郎, 千足昇平, 本間芳和, 山本貴博
    • 学会等名
      第44回フラーレン・ナノチューブ・グラフェン総合シンポジウム
    • 発表場所
      東京大学(東京都)
    • 年月日
      2013-03-12
  • [学会発表] Study on Photophysics of Single-Walled Carbon Nanotubes2013

    • 著者名/発表者名
      S. Chiashi, T. Yamamoto, Y. Homma
    • 学会等名
      Symposium on Surface and Nano Science 2013
    • 発表場所
      ホテル樹林(山形市)(招待講演)
    • 年月日
      2013-01-16
  • [学会発表] 近赤外蛍光分光による単層カーボンナノチューブへの水の吸着状態2012

    • 著者名/発表者名
      下羽淳平, 千足昇平, 松本大輝, 小竿明彦, 本間芳和
    • 学会等名
      第32回表面科学学術講演会
    • 発表場所
      東北大学(仙台市)
    • 年月日
      2012-11-21
  • [学会発表] 単層カーボンナノチューブのRBMへの水蒸気の影響に関する分子動力学計算2012

    • 著者名/発表者名
      本間直樹, 佐藤慎太郎, 千足昇平, 本間芳和, 山本貴博
    • 学会等名
      第43回フラーレン・ナノチューブ・グラフェン総合シンポジウム
    • 発表場所
      東北大学(仙台市)
    • 年月日
      2012-09-06
  • [学会発表] グラファイト複合構造体の物性2012

    • 著者名/発表者名
      岡田晋
    • 学会等名
      ニューダイヤモンドフォーラム平成24年度第1回研究会
    • 発表場所
      東京大学(東京都)(招待講演)
    • 年月日
      2012-06-15
  • [学会発表] Study on Photophysics of Single-Walled Carbon Nanotubes2012

    • 著者名/発表者名
      Y Homma, J. Xie, S. Chiashi
    • 学会等名
      International Symposium on Carbon Nanotube Nanoelectronics CNTNE 2012
    • 発表場所
      ルブラ王山(名古屋市)(招待講演)
    • 年月日
      2012-06-13
  • [学会発表] Photoluminescence and Raman Scattering Study of Water Molecules on Single-Walled Carbon Nanotube2012

    • 著者名/発表者名
      D. Matsumoto, J. Shitaba, K. Kono, S. Chiashi, Y. Homma
    • 学会等名
      International Symposium on Carbon Nanotube Nanoelectronics CNTNE 2012
    • 発表場所
      ルブラ王山(名古屋市)
    • 年月日
      2012-06-12
  • [学会発表] Water Adsorption and Desorption on the Surface of Single-Walled Carbon Nanotube Observed by Photoluminescence Imaging Spectroscopy2012

    • 著者名/発表者名
      J. Shitaba, D. Matsumoto, A. Ozao, S. Chiashi, Y. Homma
    • 学会等名
      International Symposium on Carbon Nanotube Nanoelectronics CNTNE 2012
    • 発表場所
      ルブラ王山(名古屋市)
    • 年月日
      2012-06-12
  • [図書] ナノカーボン 炭素材料の基礎と応用2012

    • 著者名/発表者名
      尾上順、大澤映二、松尾豊、高井和之、榎敏明、石橋幸治、本間芳和
    • 総ページ数
      240
    • 出版者
      近代科学社
  • [備考]

    • URL

      http://www.tus.ac.jp/news/news.php?20130410104853

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公開日: 2014-07-16  

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