【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】物性一般(含基礎論)

【研究領域課題番号】10045025 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

非平衡 / 非線形 / ゆらぎ / 相変化 / 相制御 / 相転移ダイナミクス / 光励起 / フェムト秒ダイナミクス / 閾値特性 / 孵化時間 / 多成分系 / 流体 / 非平衡系 / 相転移 / 反応・拡散系 / 揺らぎ / 非平衡熱力学 / 光誘起相転移

【研究成果の概要】

エネルギーや物質が持続的に注入、除去されている非平衡系においては、系固有の非線形性との結合によって、様々な巨視的かつ動的な現象が発生する。これはナノ・ミクロスケールで発生したゆらぎが、マクロスケールなものへと成長した結果である。本研究は、光、熱、圧力、物質注入によって生ずる非平衡状態に焦点を絞り、その動的過程の追跡、解析を理論的、実験的に行うことを目的とした。本年度得られた成果は以下の通りである。まず理論面では、非平衡条件における化学反応系に関して、変分法が重力、さらには一般のホテンシャル場における反応拡散系に拡張することが可能であることを明らかにすることが出来た。さらに、光分解によって生じたラジカルの再結合反応において、外部磁場ならびに内部の磁場揺らぎの効果について理論的に考察することも可能となった。実験面では、誘電、光学特性、磁性、構造の変化を伴った可逆相転移が、温度、磁場、電場、光刺激等で発生することを確認することに成功した。例えば、中性状態とイオン性状態のエネルギーレベルがほとんど縮退しているCT錯体結晶では、温度降下や加圧によって両状態間の転移(中性-イオン性相転移)が発生する。本研究では、電荷の移動量を制御することによって、長距離クーロン相互作用と電子-格子相互作用が協調する環境を創り出すと、強誘電的な変化を伴った相転移が発現することを明らかにした。さらに、100フェムト秒パルス幅を持ったレーザー光励起によってこの中性-イオン性相転移が引き起こせることや、発生機構が電荷移動励起子状態の凝縮として解釈できることも理論的解析によって明らかとなった。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】1998 - 2000

【配分額】2,800千円 (直接経費: 2,800千円)