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Unusual mass transport through nanochannels enabled by inner wall chemical modification

内壁化学修饰实现了通过纳米通道的异常质量传输

基本信息

批准号：
21H01903
负责人：
伊藤喜光
金额：
$ 11.32万
依托单位：
The University of Tokyo
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
财政年份：
2021
资助国家：
日本
起止时间：
2021-04-01 至 2024-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

本申請研究では、これまで注目されてこなかったナノチャネルの内壁の化学構造に注目し、それによって生み出される新しい流体の「流れ」の学理を構築し、高効率物質輸送、選択的分離へと繋げることを目的としている。申請者はこれまでフッ素化された内腔をもつ大環状化合物の1次元集合化によるフルオラスナノチャネルの開発をし、これが最も早く水を透過するナノチャネルであることを明らかとしてきた。これはナノチャネルの内壁が内部を流れる流体に大きな影響を与えることを示した端的な例である。本申請研究では、この研究で得られた知見を生かし、ナノチャネル内壁の化学修飾による高効率な水輸送を実現することを目指す。本研究は、古典的な学問である流体力学に対して化学の視点から新しい「流れ」の実現を目指すものであり、同時に超高効率膜分離への応用の基礎を与える研究である。初年度である2021年度は、内壁の構造が異なる新規フルオラス大環状化合物を合成し、シリーズ化したフルオラスナノチャネルの水透過実験及び脱塩能を検討した。その結果、フッ素密度が低い新規フルオラス大環状化合物の合成に成功し、内径及びフッ素密度の異なる合計4種類のフルオラスナノチャネルが出揃った。これらの水透過能及び脱塩能の検討を行ったところ、すべてのナノチャネルにおいてこれまで報告されてきたどのナノチャネルよりも高い水透過能が観測された。驚くべきことに、塩を構成するナトリウムイオンや塩化物イオンの水和サイズ（いずれも直径0.66 nm）よりも大きなポアサイズを持っているにも関わらず内径0.9 nmや1.5 nmのフルオラスナノチャネルにおいてはほぼ100%の脱塩能を示した。過去比類ない高速水透過能を有していながら脱塩能を併せ持つナノチャネルは次世代水処理膜の候補物質として非常に有用であると考えられる。

This application studies the chemical structure of the inner wall of the reactor, the theoretical construction of the new fluid flow, the high efficiency material transport, and the separation of the reactor. The applicant is the first to open the first dimensional aggregation of macrocyclic compounds, which is the first to transmit water. The inner wall of the tank is filled with fluid. The present study provides insights into the chemical modification of the inner wall of the reactor and the realization of high efficiency water transport. This study is based on the classical knowledge of hydrodynamics and the new viewpoint of chemistry. It also aims to study the basis of ultra-high efficiency membrane separation. In the first year of 2021, the structure of the inner wall is different, and the synthesis, purification and desorption of macrocyclic compounds are discussed. As a result, the synthesis of macrocyclic compounds with low molecular density, low molecular density and high molecular density was successfully carried out. The water transmission energy and desorption energy are discussed in this paper. In the case of the water and sand (with a diameter of 0.66 nm), the inner diameter of the water and sand (with an inner diameter of 0.9 nm and 1.5 nm) are reduced to 100%. In the past, high-speed water transmission energy was very useful for the next generation of water treatment film candidates.