【研究分野】ナノ構造物理

【研究領域課題番号】16H02079 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

水分子 / 相図 / 相転移 / カーボンナノチューブ / グラフェン / 熱力学 / 相転移ダイナミクス / 統計力学

【研究成果の概要】

単層ナノチューブ（CNT）の内部や外表面、グラフェンやシリカ表面に形成されるナノスケールの低次元構造の水分子の集合体に着目し、これらの特異な水素結合構造、相転移現象および相図（圧力－温度）を実験と理論によりに研究した。CNTの内外で水分子が特異な吸着構造をとり、相図や融点、水分子の運動の自由度がバルク水とは大いに異なることを明らかにした。グラフェンの表面では2層構造の吸着水が形成され、第1層目は、主として4員環構造からなる水素結合ネットワークを有するのに対し、2層目は無秩序構造であることが分かった。

【研究の社会的意義】

物質表面やナノスケール空間における水分子の役割・機能は重要であるが、その構造や物性理解に必要不可欠な相図（圧力－温度）が明らかになっていなかった。本研究では、単層ナノチューブの内部や外表面、グラフェン表面等に形成されるナノスケールの低次元（1～2次元）構造の水分子の集合体に対して、分子レベルの構造を明らかにするとともに、特異な相転移現象および相図を解明した。これは、物質表面の水の新しい学理を先導する成果である。

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】2016-04-01 - 2019-03-31

【配分額】42,380千円 (直接経費: 32,600千円、間接経費: 9,780千円)

【研究分野】ナノ材料・ナノバイオサイエンス

【研究領域課題番号】24310094 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

カーボンナノチューブ / 水 / 相図 / ナノ空間 / ナノチューブ / 光物性 / 相転移

【研究成果の概要】

構造が制御されたナノ空間として1本の単層カーボンナノチューブ（SWNT）を用い，SWNTと水分子のナノスケールにおける相互作用を解明することを目的として研究を行った。分光実験および理論計算から，SWNTの外表面には2分子層の厚さの水の吸着層が形成されることを明らかにした。この吸着水は，2層で水素結合が閉じるため「疎水的」に振る舞うこと，ラマン分光における動径呼吸モードの周波数を増加させることが分かった。SWNT内部のナノ空間に内包された水に対しては，温度と水蒸気圧により液相・固相を制御することができた。また，内包過程において，SWNT内部で凝縮相と空の空間に相分離することを明らかにした。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2012-04-01 - 2015-03-31

【配分額】20,540千円 (直接経費: 15,800千円、間接経費: 4,740千円)

【研究分野】熱工学

【研究領域課題番号】24360084 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

分子シミュレーション / スリット型細孔 / チューブ型細孔 / 相転移 / 相図 / 分子動力学 / スリット型 / チューブ型 / 細孔 / スリット / チューブ / シミュレーション

【研究成果の概要】

近年の微細加工技術の向上により，高活性炭素繊維や粘土層間架橋体などのナノスケールの細孔をもつ物質がつくりだされており，その細孔内に分子を閉じ込めて得られる性質を利用した様々な応用が考えられている．本研究は，分子レベルでのシミュレーションを用いて，平板間に挟まれたよう系に代表されるスリット型の細孔およびカーボンナノチューブの系に代表されるチューブ型の細孔内に閉じ込められた物質の性質を調べた．

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2012-04-01 - 2015-03-31

【配分額】18,200千円 (直接経費: 14,000千円、間接経費: 4,200千円)

【研究分野】固体物性

【研究領域課題番号】03640301 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

セリウム・プニクタイド / 低温・超圧力 / ヘビーフェルミオン / 結晶場 / 近藤効果 / 極少数キャリアー / 相図 / 相転移 / セリウム・プニクタイト / 低温・超高圧 / 高密度近藤 / ヘビ-フェルミオン / 高圧効果

【研究成果の概要】

本研究の目的はNaCl型結晶構造をもつセリウム・プニクタイトCex(X=P,As,Sb,Bi)について超高圧下の物性を系統的に明らかにすることである。この二年間の研究成果は下記のとおりである。
1.上記のすべての試料について電気抵抗の温度依存性を4.2K-300Kの温度範囲、一気圧-8万気圧の圧力範囲にわたって明らかにした。
2.CePの高圧下の磁化率の挙動を1万気圧まで明らかにした。
3.CePの高圧下の比熱測定を5千気圧まで測定し、磁気相転移の挙動を明らかにした。
4.電気抵抗の解析を行うことによってCeSb,CeBiについては磁気相転移に関して、CePについては磁気相転移、高密度近藤状態-通常金属状態、の相の間の関係を圧力-温度相図として提出した。CeAsはCePと非常に類似した相図が得られた。
5.CeAs,CeSbの磁気抵抗の挙動を1万9千気圧の圧力下で、15テスラまで明らかにした。
6.CeAsのシュビニコフ・ド・ハースの測定からフェルミ面の高圧下での挙動を観測した。
7.CeSbでは30K付近に抵抗の異常増加が見いだされた。
8.CeP,CeAsの中性子回析実験によって磁気構造と結晶場の圧力依存性を研究中である。
これらの成果は日本物理学会、日本高圧力学会、仙台で行われた"強相関電子系に関する国際会議"、京都で行われた"第五回高圧半導体国際会議"で報告した。この二つの国際会議では本研究代表者が招待講演をおこなった。また1993年6月にコロラドで行われる高圧科学と技術に関するAIRAPT国際会議にも本研究代表者が招待講演としてセリウム・プニクタイトの成果を報告することになっている。

【研究種目】一般研究(C)

【研究期間】1991 - 1992

【配分額】2,100千円 (直接経費: 2,100千円)