【研究分野】物性一般(含基礎論)

【研究領域課題番号】07454090 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

高分子ゲル / 体積相転移 / 結合水 / 不凍水 / ブリルアン散乱 / 動的光散乱 / FTIR / NMR / ゲル

【研究成果の概要】

本研究では、ブリルアン散乱、動的光散乱(DLS)、赤外分光(FTIR)、および核磁気共鳴(NMR)の各測定により、N-isopropylacrylamide(NIPA)ゲルの体積相転移の、特に収縮相における結合水の状態を中心に研究を行った。
体積相転移点近傍でのブリルアン散乱の測定は、これまでに前例が無く、本研究で初めて行われた。とくに、転移点近傍での試料の変形と濁りが消えるのに、非常な長時間を要し、測定だけで半年を要した。転移点観測された音波吸収係の極大について、転移における水の役割との関連で、興味深い議論が行われた。DLSにより、ゲル収縮相のダイナミクスが膨潤相のそれとは非常に異なるものであることが明らかとなった。膨潤相は液体的であるのに対して収縮相は固体的であり、網目の集団拡散モードは低周波側に移動し、高周波側には新たなモードが現れる。後者の起源は、側鎖の局所的運動と考えられる。次にFTIRでは、アミドと水との水素結合によって誘起される、アミドIおよびII各モードの振動数変化が観測できた。収縮ゲル中には、NIPAモノマー1に対して4分子のH_2Oが存在するが、アミドに水素結合するのはその内の2分子と考えられる。残る2分子は直接水素結合しないでその周囲に存在するか、または結合する水分子は、一定の時間間隔で入れ替わっていると思われる。網目に結合しているプロトンのNMRを、15-45℃の範囲で、温度の関数として測定した。収縮相ではそれらのプロトンのスペクトルは観測できなかったが、これは膨潤相に比べて収縮相では網目の熱運動が、極めて強く制限されるためであると解釈できる。この結果は、収縮相が固体的であると言うDLSの結果を裏付けている。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】1995 - 1996

【配分額】4,300千円 (直接経費: 4,300千円)

【研究分野】自然災害科学

【研究領域課題番号】05680353 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

凍上現象 / 不凍水 / 氷晶析出 / アイスレンズ / NMR / 分子動力学

【研究成果の概要】

凍上現象のメカニズムを明らかにする目的で、本研究では、凍上性の強い土試料と多孔質体試料を用いた凍上実験、電場の下での凍土中の不凍水の移動に関する実験、NMR法を用いた凍土中の不凍水膜厚さの温度依存性に関する実験、解析、分子動力学(MD)を用い不凍水の挙動に関する数値実験などを行った。本研究で得られた成果を要約すると以下の通りである。
1)粒子間の結合力の強い多孔質体(大谷石)を用いて、氷晶析出面の温度と氷晶析出速度との関係を求めた。氷晶析出面の温度の低下と共に氷晶析出速度は単調に減少した。この結果は、温度が低下すると共に不凍水膜厚さが薄くなることや不凍水の粘性係数は増加することによって説明されることがわかった。
2)凍上性の強い土試料(藤の森粘土、苫小牧シルトなど)を色々な温度勾配、凍結速度の下で凍結し、実験終了後、凍土中の氷晶析出状況の光学顕微鏡写真を撮り、凍土中の氷晶析出量を画像解析により求め、氷晶析出量と凍結速度、試料中の中の温度勾配との関係を求めた。
3)電場をかけた状態で凍上実験を行い、電場の下での不凍水移動量を測定した。この電気浸透による水分移動量は凍上による水分移動量と同程度になり得ることがわかった。
4)土試料、多孔質体の不凍水量の温度依存性をNMR法を用いて測定した。実験結果と表面力がファンデルワールス力や電気拡散2重層によるとした場合に計算される不凍水膜厚さとの関係を比較した。
5)不凍水のミクロな挙動を明らかにするために、分子動力学法を用いて計算機実験を行った。ここでは壁面が流体の運動に及ぼす影響について検討した。壁面の存在により流体系の構造はバルクに比べ秩序化し、拡散係数はバルクな状態に比べ1オーダー小さくなることがわかった。

【研究種目】一般研究(C)

【研究期間】1993 - 1994

【配分額】2,000千円 (直接経費: 2,000千円)