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。

这项申请研究的重点是到目前为止尚未吸引的纳米通道内壁的化学结构，旨在构建产生的新流体的“流动”理论，从而导致高效的材料运输和选择性分离。申请人以前通过一维大环化合物和氟化的流明产生了易流的纳米通道，并揭示了这是渗透水的最快纳米渠道。这是一个简单的例子，说明纳米通道的内壁如何对内部流动的流体产生重大影响。这项申请研究旨在利用从这项研究中获得的知识来通过纳米通道内壁的化学修饰来实现高效的水运输。这项研究旨在从化学的角度来实现新的“流”，即流体力学的经典学科，同时为其应用于超高效率膜分离的基础。在2021年的第一年，我们与不同的内壁结构合成了新的荧光大环，并检查了一系列易流性纳米通道的水渗透实验和脱盐能力。结果，我们成功地合成了一种新型的荧光大型氟密度，总共分配了四种具有不同内径和氟密度不同的易流量纳米通道。当我们研究水的渗透率和脱盐能力时，我们观察到所有纳米通道的水渗透性都比任何先前报道的纳米通道都更高。令人惊讶的是，尽管孔径大于构成盐的钠和氯离子的水合尺寸（均直径为0.66 nm），但它显示出几乎100％的脱盐能力，其内径为0.9 nm和1.5 nm，荧光量含量近100％。具有无与伦比的高速水渗透性但也具有脱盐能力的纳米通道被认为是下一代水处理膜的候选物质。

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