制限空間内相転移現象の特異性を活用したナノ細孔径・幾何特性同定手法の開発

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本研究では,細孔径評価に一般に用いられる細孔内凝縮現象に加えて,これまでに全く解明の手の及んでいなかった細孔内凝固現象を組み合わせることで,幾何情報を含めたナノ細孔特性を評価可能な手法の開発を目指している.昨年度の検討では,細孔単独要素を表現する理想実験系として分子シミュレーションを主に用い,細孔内での固液・気液相転移挙動を分子レベルで解析した上で,その相転移機構を推定した.これに引き続き,本年度は,シミュレーション検討の深化と凝固現象のモデル化に取り組み,実在系での実験的検討も加え,以下の結論を得た.(1) 気液相転移現象:ナノ細孔内での凝縮圧力と臨界細孔径の関係についてモデル化およびその検証に成功した.この成果はフランスで開かれた国際会議(Fundarnentals of Adsorption)にて発表し,大きな反響を得た.(2) 固液相転移現象:モンテカルロ法及び分子動力学法によるシミュレーション検討の知見を基礎に,細孔内で分子集団が感じるポテンシャルをバルク流体に仮想的に適用して得られる凝固点を解析の起点とし,実際の凝固点の,この起点からの偏倚を幾何学的阻害効果として抽出した上で,細孔形状とサイズを含めた定量的因果関係を検討した.その結果,幾何学的阻害効果の顕著なシリンダ状細孔内では細孔内三重点はスリット状細孔内の値と顕著な差を示し,こうした情報から幾何学的特性を抽出する可能性を明らかにした.また,超均質メソポーラスシリカ中の単純流体について,示差熱量計により凝固点測定を行い,細孔内凝固点は,平衡相気相圧のわずかな変動でも非常に顕著な変動を示すという,シミュレーション結果と符合する実験的知見を得た.以上のように,凝固点変動から幾何学的特性を特定し,凝縮現象を用いてそのサイズを特定するという一連の「細孔径・幾何特性同定手法」について,その定量的基礎の確立に成功した.