存在が否定されていた固液臨界点を世界で初めて発見 ナノ空間における水の分子シミュレーション - 国立大学法人 岡山大学
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カーボンナノチューブの中にできる様々な氷
図1はカーボンナノチューブ内で形成される6種類の氷の構造を示しています。図1(a)-(c)は直径1.11nmのナノチューブにある三種類の氷、図2(d)-(f)は直径1.25nmのナノチューブにある三種類の氷です。

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水の相図とカーボンナノチューブ中の水の相図
図2(a)は通常の水の相図です。常温付近で気体（水蒸気）と液体（水）は明確に異なる相であり、二相の境界線が存在します。しかし高温・高圧（374℃、218気圧）になると、気体と液体の区別が消え、境界線はその先にありません。この境界線が消える点が気液臨界点です。一方、固体（氷）と液体との境界線が途切れることはありません。これまで、通常の水では（そして他の物質でも）固液臨界点が発見されていないのです。

図2(b)左は、直径1.11 nmのナノチューブ中の水の相図です。低温領域に三種類の氷の相があります。異なる氷の間の相境界は温度の上昇とともにやがて氷と水の相境界（固液相境界）になり、ある温度・圧力に達すると相境界が消えます。共存していた氷と水の区別がなくなり、1相になる点でが水の固液臨界点です。
図2(b)右は、直径1.25nmのナノチューブ中の水の相図です。


（前略）


＜背　景＞
　甲賀教授らの研究グループは、カーボンナノチューブ内部の超微小空間で水がアイスナノチューブと呼ばれる準一次元氷に相変化することを世界に先駆けて示し、その相変化が連続的に起こりえることを見つけ、固液臨界点の可能性を示唆しました（2001年Nature）。今回、本研究グループは、広い温度圧力領域で超微小空間内の水の大規模分子シミュレーションを実施し、固液臨界点を探索しました。
　しかしこれまで、固液臨界点はいかなる物質に対する実験でも見つかっておらず、理論的にも存在が否定されてきました。

＜見込まれる成果＞
　氷と水の区別がなくなる臨界点では、密度やエネルギーゆらぎが大きくなったり、水を内包したカーボンナノチューブの熱伝導性が急激に変化することが予想されます。
　今後、ナノ空間内部の物質について理論計算とナノテクノロジーを駆使した実験が展開され、様々な物質で固液臨界現象が発見される可能性があります。
さらに、①密度やエネルギーゆらぎを利用した新たな化学反応の開拓や②ナノチューブの熱伝導率を内包物質の相転移により制御する新技術開発などが大いに期待されます。

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太陽光：カーボンナノチューブで変換効率6％の有機薄膜太陽電池を開発、インジウムが不要に - スマートジャパン
http://www.itmedia.co.jp/smartjapan/articles/1506/19/news019.html

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図1：開発に成功したカーボンナノチューブ透明電極とアルミニウム裏面電極による“曲がる”有機薄膜太陽電池　出典：東京大学
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図2：カーボンナノチューブ透明電極を用いた有機薄膜太陽電池の発電メカニズム。有機発電層内で光照射下、電子ドナーから電子アクセプターに電子が移り、プラスの電荷（ホール）とマイナスの電荷（電子）が生ずる。プラスの電荷はカーボンナノチューブ透明電極に、電子は裏面電極側に流れることで太陽電池となる。　出典：東京大学
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図3：酸化モリブデンで修飾した単層カーボンナノチューブ薄膜の走査型電子顕微鏡写真（斜め上方からの撮影）。単層カーボンナノチューブ（SWCNT）から酸化モリブデン（MoO3）へ電子が移動し、カーボンナノチューブはプラスの電荷を注入される。この状態で、カーボンナノチューブ薄膜はプラスの電荷を選択的に捕集し、輸送する透明電極となる。　出典：東京大学


東大の研究グループは、レアメタルの「インジウム」を含まないカーボンナノチューブ有機薄膜太陽電池の開発に成功した。将来的に太陽電池の低コスト化や太陽エネルギーの利用拡大に役立つことが期待される。


　東京大学大学院理学系研究科の松尾豊特任教授、工学系研究科の丸山茂夫教授らの研究グループは、カーボンナノチューブを有機薄膜太陽電池の透明電極として用いるための方法論を確立。レアメタルである「インジウム」を用いない有機薄膜太陽電池のエネルギー変換効率を向上させた他、カーボンナノチューブ薄膜の柔軟性を生かしたフレキシブルな太陽電池の開発に成功した（図1）。

　有機系太陽電池は低エネルギー製造プロセスにより将来的に安価に製造されることが見込まれる新しい太陽電池で、世界中で活発に研究開発が行われている（関連記事）。

　エネルギー変換効率や耐久性など解決すべき問題がまだあるものの、近年有機系太陽電池の一種である有機薄膜太陽電池ではエネルギー変換効率が10％を突破。同様に有機金属ペロブスカイト太陽電池では、エネルギー変換効率が20％を超えており、無機系の太陽電池であるアモルファスシリコン太陽電池や多結晶シリコン太陽電池と同等の性能が得られるようになってきている（関連記事）。

　有機薄膜太陽電池の透明電極には酸化インジウムスズが用いられるケースが多い。しかし、将来的に有機系太陽電池を大量生産する場合、レアメタルであるインジウムは需要に対して供給量が逼迫（ひっぱく）するリスクがある。

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◆カーボンナノチューブ入りの水を吹きかけられたクモが地球上最高強度のクモの糸を生成



「クモの糸」は鋼鉄より高い引っ張り強度・靱性(じんせい)・ヤング率をもち、天然物質で最高の強度を持つと言われています。
一方で、人工物質で最高レベルの強度を誇るのが高機能材料として近年、注目を集めるカーボンナノチューブやグラフェンです。

これらの天然最強物質と人工最強物質を混ぜ合わせたら一体どうなるのかという素朴な疑問を試すべく、イタリアの科学者がグラフェンやカーボンナノチューブを混ぜた水をクモに拭きかけたところ、史上最高強度のクモの糸が誕生しました。

イタリアのトレント大学のニコラ・マリア・プーニョ教授らの研究チームは、天然物質では最高レベルの強度を誇るクモの糸の強度をさらに向上させるために、グラフェンやカーボンナノチューブを混ぜ合わせればよいのではないかと考えました。
そこで、プーニョ博士らはイタリアに生息するユウレイグモに、グラフェンやカーボンナノチューブを混ぜた水を吹き付けてみるというストレートな手法を採りました。

グラフェンとカーボンナノチューブのいずれが強度アップに有効なのかを調べるために、ユウレイグモを5匹ずつ採取して実験したところ、いずれの物質を混ぜた場合でも強度が大幅に向上しました。
より強度が増したのはカーボンナノチューブ添加水吹きつけ時で、その強度は天然物質最強のオーブスパイダーのクモの糸の約3.5倍、ヤング率は47.8GPに到達したとのこと。
この数値はこれまで生まれたあらゆる天然物質の中で最高の強さであり、現在、最強の合成繊維の一つである「ケブラー49」を上回る靱性を持つことから、地球上最強の繊維が誕生したということになります。

写真：http://i.gzn.jp/img/2015/05/09/graphene-carbon-nanotube-spider-silk/a01.png

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GIGAZINE（ギガジン）　2015年5月9日18時0分
http://news.livedoor.com/article/detail/10093483/

掲載日：2015年3月3日
http://news.mynavi.jp/news/2015/03/03/358/



　ナノマシンの将来性を広げる成果が出た。「ナノのこま」と呼ばれる世界最小のカーボンナノチューブ分子ベアリングの動きを、東北大学大学院理学研究科の磯部寛之(いそべ ひろゆき)教授と河野裕彦(こうの ひろひこ)教授らが最先端の理論計算で解明した。2種類の異なる回転が存在し、低温では歳差運動が主体、高温ではそこに自転運動が加わることを突き止めた。新知見を分子設計に活用すれば、ナノサイズの運動を自在に制御できそうだ。2月18日付の英王立化学会誌ケミカルサイエンスに発表した。その様子を動画でも公開した。

　研究グループは2013年、多数の炭素原子だけからなる「カーボンナノチューブ分子ベアリング」を大量合成した。カーボンナノチューブ分子を外枠に、サッカーボールのようなフラーレンを回転子とした直径1.4ナノメートル(ナノは10億分の1)のベアリングである。分光分析で、この分子ベアリングでは回転子がこまのように盛んに回っていることがわかっていた。
温度を変えると、回転運動が何か変化するが、その実体は謎だった。

　この謎解きに理論で取り組み、実験化学者と理論化学者が共同してカーボンナノチューブ分子ベアリングの回転の詳細を明確にした。まず、この分子ベアリングの理論分析に適した手法を探索した。10種を超える手法から、平尾公彦(ひらお きみひこ)理化学研究所計算科学研究機構長らが開発した密度汎関数 LC-BLYP法が最適で、実験的な熱力学エネルギーを精度よく捉えることを見いだした。この計算法でカーボンナノチューブ分子ベアリングの回転を再現した。

　その結果、分子ベアリングの回転には歳差運動と自転運動という2種類の異なる動きがあることを見つけた。さらに、温度が低い低エネルギー状態のときには、歳差運動が主に起こっており、温度を上がって高エネルギー状態になるにつれて、自転運動が加わっていくことを確かめた。この2種類の運動の存在と、温度による変化が、分光による解析を困難にしていた原因だった。

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