| 研究課題/領域番号 |
26400437
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| 研究機関 | 神奈川大学 |
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研究代表者 |
松田 和之 神奈川大学, 工学部, 准教授 (60347268)
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| 研究期間 (年度) |
2014-04-01 – 2017-03-31
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| キーワード | 分子内包 / ナノカーボン / 核磁気共鳴 / 分子動力学シミュレーション |
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| 研究実績の概要 |
ナノカーボン物質であるカーボンナノチューブとゼオライト鋳型カーボンは、分子や原子を吸蔵できるナノメートルサイズの細孔をもつ。このような細孔に閉じ込められた分子や原子の集団は、バルク状態とは異なる挙動を示すことが期待される。本研究では、単層カーボンナノチューブとゼオライト鋳型カーボンの細孔内部での水の挙動と構造を、主に、核磁気共鳴実験、古典分子動力学シミュレーション、x線回折実験により調べている。本研究で用いたこれら2種類のナノカーボンは、単層カーボンナノチューブが平均直径約1.1～2.5nmの1次元的な細孔をもつのに対し、ゼオライト鋳型カーボンは直径約1.2 nmの細孔が3次元的に繋がった構造をしているのが特徴である。ゼオライト鋳型カーボンでは、100 MPa以下の圧力下核磁気共鳴で得られた、細孔に吸蔵された重水の2H核の縦緩和時間は210 K以上の温度では加圧により短くなる。この結果は加圧によりこの温度領域では水分子の回転運動の相間時間が長くなっていることを示している。平均直径1.5～2.5 nmの比較的太い単層カーボンナノチューブについて、x線回折実験と核磁気共鳴実験により細孔内部の水が転移温度以下で外部に放出されるwet-dry転移を確認しているが、この転移に関し古典分子動力学シミュレーションを行い自由エネルギーを求めた結果、低温では水は細孔内部より外部のほうがエネルギー的に安定であることがわかった。また、単層カーボンナノチューブ内包水と同じく1次元細孔に内包された水をもつ金属錯体[CoIII(H2bim)3](TMA)・nH2Oの水の挙動に関し、核磁気共鳴実験結果から、細孔内壁側から2、3層目の水分子は高温では並進、回転運動しているが、220 K以下では核磁気共鳴の時間スケール10-6 sで運動が凍結していることがわかった。
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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
当初計画していたように、核磁気共鳴実験、x線回折実験、古典分子動力学シミュレーションにより、ナノカーボン物質の細孔に閉じ込められた水の挙動と構造の細孔直径と細孔形状依存性に関するいくつかの新しい知見が得られた。単層カーボンナノチューブに閉じ込められた水については、平均直径1.5nm以上のナノチューブで起こる内包水のwet-dry転移に関する知見をまとめた論文を現在投稿中である。また、関連物質である金属錯体の1次元的細孔に閉じ込められた水分子の挙動についても核磁気共鳴により新たな知見が得られ、これらをまとめた論文を執筆中である。
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| 今後の研究の推進方策 |
昨年度に引き続き、核磁気共鳴実験、x線回折実験、古典分子力学シミュレーションにより、単層カーボンナノチューブとゼオライト鋳型カーボンの細孔に吸着した水の挙動と構造を調べる。また、単層カーボンナノチューブに関しては、水を吸着させることでナノチューブフィルム試料の直流電気抵抗が著しく低下することが観測されたため、この起源を調べるため水を吸着した単層カーボンナノチューブ試料の直流および交流電気抵抗測定も行う計画である。
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| 次年度使用額が生じた理由 |
核磁気共鳴実験とx線回折実験で観測されたwet-dry転移などの相転移の発現機構を解明する目的で、古典分子動力学シミュレーションを集中的に行ったため、予算に計上していた高純度試料、試料調整用薬品、試料石英管、液体窒素等寒剤など実験に必要な消耗品の使用量が当初の予定より少量となり、次年度繰越金が生じた。
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| 次年度使用額の使用計画 |
水吸着ナノカーボンのx線回折実験と核磁気共鳴実験に必要な試料石英管や薬品類などの消耗品に加え、電気伝導度測定用の単層カーボンナノチューブのフィルム試料や電極材料などの消耗品の購入費として使用する。また、分子動力学シミュレーションの高速化をはかる目的で、計算機メモリと分子動力学シミュレーションソフトウェアを追加購入するための費用の一部としても使用する。学外研究機関で核磁気共鳴実験やx線回折実験を行う際の国内旅費としても使用する計画である。
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