Formation of quasi-one-dimensional ice in silicate materials and super proton conductivity therein

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ケイ酸塩物質は地殻を構成する鉱物の大部分を占め，地球上で最も産出量が多い．加えて毒性もない．ケイ酸塩物質は一般に絶縁体に分類される．つまりケイ酸塩物質そのものに電流は流れない．資源的に安定で，かつ環境負荷のないケイ酸塩物質が伝導特性を持つようになれば環境・エネルギー分野の観点から意義がある．本研究では，ケイ酸塩鉱物中に多量に含まれる二次元形状のナノ空間，およびナノ空間内部で強く凝集する特異な水分子ネットワークに着目する．メカノケミカル反応により二次元形状ナノ空間を一次元異方性を有するナノ空間に改質し，一次元方向に空間制約を受けた準一次元アイスを構築する．平行して高い反応断面積で水分子解離を進行させ，効率的なプロトン生成を行う．さらにナノ空間近傍に局所生成する負電荷にプロトンを弱局在させ，空間内部への閉じ込めを行う．上記を同時に発現させることにより，無加湿・常温環境下で超プロトン伝導の発現を目指す．初年度は，ベースとなる試料としてケイ酸塩鉱物である合成サポナイトナノ粒子を採用した．当該試料には，サポナイトの基本ユニットである二次元ナノシート層間のナトリウムイオンに物理吸着した吸着水が多量に存在していることが熱重量示差熱同時測定でわかった．メカノケミカル反応を推進するための水分子ネットワークが十分に得られることが示唆された．湿式条件下で遊星型ボールミル等を用いたメカノケミカル反応により，サポナイトを構成するSiO4四面体の剥離，細分化が示唆された．ポジトロニウム分光実験によるナノ空間計測からは，二次元形状ナノ空間が一次元異方性を有するナノ空間に改質されていることが示唆された．