東京理科大学 | グラフェン表面上の水の挙動が3Dプリントに役立つ

出典：中関村オンライン

東京理科大学の新たな研究により、グラフェンの表面で水分子がどのように振る舞うかが明らかになった。山本隆弘教授が率いるこの研究では、統計データ分析ツールと分子動力学シミュレーションを組み合わせて、炭素系材料と接触した際の水の構造変化を調査しました。これにより、水とグラフェンの相互作用が明らかになり、3Dプリント材料の可能性をさらに調査しました。山本隆弘教授は3D Printing Industry誌に次のように語った。「3Dプリンターでは、層を積み重ねるプロセスにおいて、材料表面の濡れ性を理解し、制御することが極めて重要です。濡れ性は、表面に吸着した水の微細構造によって決まります。しかし、この方法は未だ解明されていません。本研究では、データサイエンスのアプローチに基づく潜在的な方法を提案しています。開発された方法は、グラファイト表面だけでなく、さまざまな材料表面にも応用されることが期待されます。」

この研究結果は応用物理学会誌に掲載され、海洋・航空機工学に大きな影響を与え、インプラント手術にも役立つことが期待されています。流体力学の重要性水は、地球上のほぼすべての環境に自然に存在する非常に一般的な物質です。表面水と呼ばれる水の最初の数層の特性は、接触する材料の表面に対する水の流れ方を決定するため、材料科学において特に重要です。この水がどのように、そしてなぜ挙動するかを理解することで、材料科学者は疎水性または親水性の材料を開発し、さらには既存の材料の特性を変えることさえできるようになります。

船の表面の水の摩擦を減らすことで燃料効率が向上し、航空機用の耐氷材料を開発することで氷点下の環境で飛行する際の新たな安全対策を導入できる可能性があります。水分子とグラフェンこの研究は、原子レベルで平坦な材料であるグラフェンと水の相互作用に焦点を当てています。このため、グラフェンは、水の相互作用特性の基礎を研究する際に理想的な接触材料となります。山本隆弘教授は次のように説明しています。「グラフェンなどの炭素ナノ材料上の表面水は、これらの材料の特性が表面水の微細構造の研究に最適であるため、大きな注目を集めています。」

グラフェンの構造これまでの研究により、グラフェンと接触した水は、表面水と接触している材料の表面から離れる自由水からなる安定した 2D 形状を形成することが立証されています。しかし、これまで地表水と自由水の違いは特定されていませんでした。これら2つのグループ間の移行領域は特に記述が難しく、日本の研究はそれを明らかにするのが目的だった。研究の複雑さのため、複数の特性評価方法を相互に組み合わせて使用する必要があります。パーシステントホモロジー (PH) は、データサイエンスと分子動力学シミュレーションを組み合わせた手法です。 PH は材料科学において、混沌とした流体内の安定した 3D 構造を見つけるために使用できます。「私たちの研究は、pH を水分子の構造解析に使用した初めての研究です」と山本教授は言う。グラフェンの表面に水分子の単層を置くと、水分子は水素結合でつながった二次元構造に並び、グラフェンの表面と平行になる。 2 番目の層は構造を 3D 一方向にし、グラフェンの表面に向かって「下向き」を向く四面体のネットワークを形成します。 3 番目のレイヤーは、四面体の 3D 構造を維持しながら、四面体がすべての方向を向くように全方向性を実現します。 3 番目の層以降の層は、3 番目の層と同じ位置に配置され、表面水が終了し、自由水が始まる場所であることを示します。

グラフェンと水山本教授は「これらの結果は、表面水と自由水の間の交換が3層の水内でのみ起こることを裏付けている」と述べた。この研究は「データサイエンスを用いたグラフェン上の表面水の新しい微細構造の発見」と題され、2020年1月14日に日本応用物理学会誌に掲載された。この研究は、加藤浩一郎、前川由紀、渡辺直樹、岡健司、山本隆弘によって実施されました。 3D プリントとはどういう意味ですか?グラフェンは比較的単純な表面であり、他のより現実的な表面では必然的に水との相互作用がより複雑になりますが、この研究は特性評価のための新しい方法の有効性を検証しています。

3D プリントされた表面の特性に関する研究は、技術がまだ初期段階にあるため、この深さではまだ行われていませんが、山本教授は、この方法が今後、水と接触する 3D プリントされた表面の特性を明らかにするのに役立つことを期待しています。おそらくこの方法は、カリフォルニアで開発された 3D プリントされたグラフェン構造に適用され、まったく異なる技術を使用して製造されたグラフェンの違いを識別できるでしょう。スウェーデンの他の地域では、3D プリント可能なグラフェンフィラメントが開発されており、付加製造における炭素ベースのメタマテリアルの明るい未来を示唆しています。

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