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

• 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
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-21H01903/
• 关键词: ナノチャネル; フッ素; 流体力学; フルオラスナノチューブ; 超分子ポリマー; 水透過; 脱塩; 水処理膜; 水輸送

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 study で は, こ れ ま で attention さ れ て こ な か っ た ナ ノ チ ャ ネ ル の wall の に attention し chemical structure, そ れ に よ っ て raw み out さ れ る new し い fluid の れ "flow" を の academic building し, high rate of unseen material conveying, sentaku separation へ と 繋 げ る こ と を purpose と し て い る. Applicants は こ れ ま で フ ッ element change さ れ た lumen を も つ の large ring compounds 1 yuan set the に よ る フ ル オ ラ ス ナ ノ チ ャ ネ ル の open 発 を し, こ れ が も most early く water を through す る ナ ノ チ ャ ネ ル で あ る こ と を Ming ら か と し て き た. こ れ は ナ ノ チ ャ ネ ル の wall が を internal flow れ る fluid に big き な influence を and え る こ と を shown し た side な example で あ る. This application study で は, こ の study で ら れ た knowledge を raw か し, ナ ノ チ ャ ネ ル wall の chemically modified に よ る high working rate な water を be presently す る こ と を refers す. は this study, the classical learning で な あ る fluid mechanics に し seaborne て chemical の viewpoints か ら new し い "flow れ" の be presently を refers す も の で あ り membrane separation, at the same time に ultra-high working rate へ の 応 with の を and え る research で あ る. At the beginning of the annual で あ る 2021 は が different structures, internal の な る new rules フ ル オ ラ ス を synthetic し, large ring compounds シ リ ー ズ change し た フ ル オ ラ ス ナ ノ チ ャ ネ ル の water through be 験 and び can take off the salt を beg し 検 た. そ の results, フ ッ element density low が い new rules フ ル オ ラ ス の large ring compounds synthesis に し success, inner diameter and び フ ッ element density の different な る total 4 kinds の フ ル オ ラ ス ナ ノ チ ャ ネ ル が out Jian っ た. こ れ ら の through water and び can take off the salt の 検 line for を っ た と こ ろ, す べ て の ナ ノ チ ャ ネ ル に お い て こ れ ま で report さ れ て き た ど の ナ ノ チ ャ ネ ル よ り も high い water can through が 観 measuring さ れ た. Jing く べ き こ と に, salt を constitute す る ナ ト リ ウ ム イ オ ン や salt compound イ オ ン の water and サ イ ズ (い ず れ も 0.66 nm in diameter) よ り も big き な ポ ア サ イ ズ を hold っ て い る に も masato わ ら ず inside diameter of 0.9 nm 1.5 nm や の フ ル オ ラ ス ナ ノ チ ャ ネ ル に お い て は ほ ぼ 100% の can take off the salt を shown し た. The past than class な い high-speed water can through を し て い な が ら can take off the salt を and せ つ ナ ノ チ ャ ネ ル は nextgen 処 principle of membrane water の alternate material と し て very useful に で あ る と exam え ら れ る.

项目成果

Fluorous Synthetic Channels Enabling Both Ultrafast Water Permeation and High Salt Reflection

氟合成通道可实现超快水渗透和高盐反射

• 发表时间: 2022
• 作者: Shuo CHEN;Yoshimitsu ITOH;Ryota HIRAHARA;Takeshi KONDA;Tsubasa AOKI;Kohei SATO;Takuzo AIDA
• 通讯作者: Takuzo AIDA