ナノ細孔内部における吸着および移動現象の解析と制御

メソサイズ(2-10 nm)の均一且つ高度に配列した細孔構造を得ることができる親水性ナノ細孔(メソポーラスシリカなど)への水蒸気吸脱着は特定の狭い相対圧力範囲で毛管凝縮・毛管蒸発による大きな吸着量の増減を示すことから次世代の高性能な水蒸気吸着材への応用が期待されている。本研究では、親水性ナノ細孔内部における水の吸着および移動現象について分子レベルで詳細に解析し、吸脱着速度が何によって決まっているかを明らかにすることを目的としている。昨年度は、分子動力学(MD)の時間スケールに対して比較的長時間である凝縮・蒸発現象を取り扱うため、疎略化水分子モデルを用いた非平衡MDにより、親水性の異なる細孔に凝縮した水が真空へと脱着する過程について解析を行った。しかしながら、この計算系は境界条件が最も簡単である真空への脱着過程のみを対象としたため、気相の圧力(化学ポテンシャル)の変化幅と吸脱着速度との関係を定量的に明らかにすることができなかった。そこで本年度は、非平衡MDに気相部分の化学ポテンシャルを制御するGCMC計算を組み合わせたGCMDシミュレーションを導入することで、気相の化学ポテンシャル変化による吸脱着の動特性への影響を定量的に調べることを可能とした。はじめに、GCMDにより平衡状態を計算し、吸着等温線の評価を行った結果、GCMCの結果と良い一致を示し、GCMDが平衡状態をよく再現できることが確認できた。続いて、毛管凝縮・蒸発の開始する直前の化学ポテンシャルにおける平衡吸着状態から、気相の化学ポテンシャルをステップ状に増加・減少させ、毛管凝縮・蒸発過程のシミュレーションを行った。様々な化学ポテンシャル差を与えたときの、毛管凝縮・過程における吸着量の時間変化から、吸脱着流速は化学ポテンシャル差に応じて変化し、また細孔内の吸着状態(多層吸着状態、液架橋の形成、液柱の成長・収縮、ポアフィリング状態)により変化することが得られた。

メソサイズ(2-10 nm)の均一且つ高度に配列した細孔構造を得ることができる親水性ナノ細孔(メソポーラスシリカなど)への水蒸気吸脱着は特定の狭い相対圧力範囲で毛管凝縮・毛管蒸発による大きな吸着量の増減を示すことから次世代の高性能な水蒸気吸着材への応用が期待されている。本研究では、親水性ナノ細孔内部における水の吸着および移動現象について分子レベルで詳細に解析し、吸脱着速度が何によって決まっているかを明らかにすることを目的としている。昨年度は、分子動力学(MD)の時間スケールに対して比較的長時間である凝縮・蒸発現象を取り扱うため、疎略化水分子モデルを用いた非平衡MDにより、親水性の異なる細孔に凝縮した水が真空へと脱着する過程について解析を行った。しかしながら、この計算系は境界条件が最も簡単である真空への脱着過程のみを対象としたため、気相の圧力(化学ポテンシャル)の変化幅と吸脱着速度との関係を定量的に明らかにすることができなかった。そこで本年度は、非平衡MDに気相部分の化学ポテンシャルを制御するGCMC計算を組み合わせたGCMDシミュレーションを導入することで、気相の化学ポテンシャル変化による吸脱着の動特性への影響を定量的に調べることを可能とした。はじめに、GCMDにより平衡状態を計算し、吸着等温線の評価を行った結果、GCMCの結果と良い一致を示し、GCMDが平衡状態をよく再現できることが確認できた。続いて、毛管凝縮・蒸発の開始する直前の化学ポテンシャルにおける平衡吸着状態から、気相の化学ポテンシャルをステップ状に増加・減少させ、毛管凝縮・蒸発過程のシミュレーションを行った。様々な化学ポテンシャル差を与えたときの、毛管凝縮・過程における吸着量の時間変化から、吸脱着流速は化学ポテンシャル差に応じて変化し、また細孔内の吸着状態(多層吸着状態、液架橋の形成、液柱の成長・収縮、ポアフィリング状態)により変化することが得られた。