親水性の分布をもつメソ細孔における水の吸着輸送現象の分子シミュレーション

摘要

高い比面積に起因する効果的な吸脱着特性を有する多孔質材料は，現在環境問題から医療分野およびそれ以上の幅広い分野の課題を解決する上で大きな可能性を示している[1,2],特にデシカント空調システムの除湿[3-5]や空気からの直接的な水収集[6, 7]，二酸化炭素の捕捉[8]，薬物送達のためのタンパク質充填[9,10]といった分野への応用は，これらの多孔質材料による柔軟な物質の吸収および放出能力により近年注目を集めている.広範囲の細孔径分布からなる従来の吸収材と比較して，ナノテクノロジーの進歩は，特定の湿度範囲内で自発的な吸着および脱着といった特性を有する規則正しく構造化され，優れた貯蔵容量をもつ材料の合成を達成した[11, 12],これら材料の性能を向上させるために，多孔質材料への物質の吸脱着及び，材料内部での物質輸送の物理的メカニズムの解明が必要となってくる.本研究で対象とするような多孔質材料の細孔はとても小さいため，直接的に多孔質材料への水の輸送過程を実験的に視覚化することは困難である.そのため，分子シミュレーションは新たな観測及び，考察を得る上で重要となってくる.先行研究として Yamashita ら[13,14]は，Gand Canonical Ensemble Molecular Dynamics (GCMD)シミュレーションによりガス相の化学ポテンシャルを制御することで均一な細孔径，一様な表面を持つ理想的なナノ細孔への水の吸着及び，細孔内での水の輸送メカニズムについて研究を行った.またナノ細孔における水の吸脱着プロセスを解明するために，ELBA粗略化水モデルを用いて，空間的および時間的計算スケールを増加させた.しかし，実際の実験で用いる吸着材は必ずしも理想的なものとは限らず[12]，また，実験と計算のスケール差は依然として大きいため，直接的な比較は難しい.そのため計算では定性的に細孔内部に不均一性を持つモデルにおける水の吸脱着，移動特性を明らかにすることは非常に重要である.本研究では親水性に着目して細孔内に親水性の強弱を持つシリンダ型細孔モデル内での水分子の吸着，移動現象のメカニズムを明らかにすることを目的とする.吸着材の高性能化，高機能化に繋がる知見を得ることが目標である.