微粒子合成化学・講義

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のぶみつみやのじょう
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1 Colloids, advanced nanoparticles, 2017 生活の中のコロイドと最先端ナノ粒子最先端ナノ粒子 2017/4/11 多元物質科学研究所村松淳司 1

2 1m 10cm 1cm 1mm 100μm 10μm 1μm 100nm 10nm 1nm 1A 光学顕微鏡電子顕微鏡ソフトボール硬貨パチンコ玉小麦粉花粉タバコの煙ウィルスセロハン孔径 100μm 10μm 1μm 1nm 100nm 10nm 微粒子超微粒子クラスターナノ粒子サブミクロン粒子コロイド分散系粒子径による粒子の分類 2017/4/11 最先端ナノ粒子 2

3 従来は, 硫酸第一鉄の青色とされてきた ( 公式には今も ) ところが, 成分分析すると, 鉄イオンはほとんどない. なぜ, 青色なのか. 海地獄のそばにある神和苑のお湯は, もっと青白い. 3

4 1. 温泉水 20 ml を遠心分離機にかける遠心分離 10,000 r.p.m. 30 min この条件でコロイドはすべて沈んだ ( この条件でシリカなら 20 nm 程度のものまで沈む ) 2. 上澄み液 ( 固相のない ) を保存 3. 沈んだ固体 ( 白色 ) に 2 段蒸留水 20 ml を入れる 4. 超音波分散 4

5 このシリカコロイドは小さいためにまるで溶液のように見えたわけ光の波長よりも小さいでは光の散乱現象はどうか 5

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7 形は球形でアモルファス ( 非晶質 ) であることが X 線などの解析によってわかったなお FT-IR で分析したところ SiO 2 ( シリカ ) 組成であることがわかった球形シリカ粒子は高いアルカリ領域で加水分解により合成されるので地下深部で高アルカリ高温で生成したものと推測される 7

8 Rayleigh 散乱の概念で説明可能粒径が小さくなると短い波長つまり青色は散乱しやすい数十 nm 程度以下のシリカによって青色を散乱懸濁液は青くなる 8

9 サイズパラメータ α は αα = ππdd λλ レイリー散乱の散乱係数 k s は αα 1 レイリー散乱 αα 1 ミー散乱 αα 1 幾何光学近似 kk ss = 2ππ5 3 nn mm2 1 mm dd 6 λλ 4 n: 粒子数, d: 粒子径, m: 反射係数, λ: 波長 9

10 牛乳 10

11 人乳と牛乳の主要栄養価 (100g 97ml) 栄養素名工ネルギ人乳牛乳 65kcal 67kcal たルばく質 1.1g 3.3g 脂質 3.5g 3.8g 炭水化物 ( 糖質 ) 7.2g 4.8g 灰分 ( ミネラル等 ) 0.2g 0.7g 力リウム力ルシウム 48mg 150mg 27mg 110mg リン 14mg 93mg マグネシウム 3mg 10mg ビタミン A( レチノール当量 ) 47μg 39μg ビタミン K 1μg 2μg ビタミン B 1 ビタミン B 2 ビタミン B 12 パントテン酸 0.O1mg 0.04mg 0.03mg 0.15mg Tr 0.3μg 0.50mg 0.55mg 五訂日本食品標準成分表より :100g 当たり 11

12 水乳脂肪タンパク質 12

13 牛乳は蛋白質であるカゼインや乳脂肪の細かい粒子が 1ml 当たり 10 数兆個ほど乳濁している液体ですこの粒子に光が当たり乱反射されるので白色にみえます蛋白質カゼイン粒子の大きさは直径数ミリミクロンから 300 ミリミクロン (1 ミリミクロンは 100 万分の 1 ミリメートル ) といわれコロイド状に牛乳中に分散しています比較的大粒のものによる反射光は白色が強く小さい粒子になるほど青味をおびますまた牛乳中のエマルジョン状態で分散している脂肪球の大きさは直径 0.1 ~10 ミクロン (1 ミクロンは 1000 分の 1 ミリメートル ) であり平均 2.5 ミクロン ( ホルスタイン種 ) 程度でありますすなわち小粒子になるほど光線を乱反射して白色に大きな粒子になると黄色を帯びてきます従って牛乳の白色は蛋白カゼイン粒子と脂肪球の大きさにより影響されます 13

14 水界面活性剤油界面活性剤油水 O/W エマルション W/O エマルション 14

15 ゼータ電位はそれぞれの物質の固有の物理量であるゼータ電位は水溶液の ph で変化するゼータ電位は分散凝集のヒントになるゼータ電位が低いと通常凝集するホモ凝集という 15

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21 なぜシリカ粒子は波長よりも小さかったのか SiO 2 TiO 2 Fe 2 O 3 ZrO 2 Al 2 O 3 MgO 2~3 6~8 6~8 7~9 7~9 9~11 等電点とはゼータ電位が 0 ( ゼロ ) になる ph ゼータ電位 ph ph いちのいで会館や海地獄の温泉水の ph: 8~9 最先端ナノ粒子 2017/4/11 21

22 コーラ ph 2.2 カロリーオフコーラ ph 2.9 栄養ドリンク ph 2.9 缶チューハイ ph 2.9 梅酒 ph 2.9 黒酢 ph 3.1 乳酸菌飲料 ( カルピスなどのような飲料 ) ph 3.4 スポーツドリンク ( ポカリのような飲料 ) ph 3.5 りんごジュース ph 3.6 ヴィタミンウォーター ph 3.7 赤ワイン ph % オレンジジュース ph 4.0 アクアライト ph 4.2 ビール ph 4.3 日本酒 ph 4.9 ウイスキー ph 5.0 アクアライトORS ph 5.5 水 ph 5.7 お茶 ph 6.3 牛乳 ph 6.8 イオン交換水 ph 7.0 血液 ph

23 温泉牛乳ビールなど粒子の世界は分散と凝集分散コロイドナノ粒子を合成するには分散状態でなければならない凝集すると粒子は大きくなるナノ粒子の合成条件 : 分散状態にあることが必須 23

24 ビールの泡の均一性ビールの泡は均一核生成一度にどっと核ができることが必要一度核ができたらあとは成長するだけ核生成と粒子成長この 2 つのステップを個々に行わせること核生成と成長の分離が必須 24

25 ゼータ電位と等電点等電点はゼータ電位測定で判明する等電点付近では凝集する等電点から遠い ph での合成が必要ナノ粒子合成系を等電点から遠い ph にする 25

26 ナノ粒子合成のための一般的指針 1. 核生成と粒子成長の分離 2. 粒子間凝集の防止 3. 粒子前駆体の確保 (T. Sugimoto, Adv. Colloid Interface Sci. 28, 65 (1987).) 2017/4/11 最先端ナノ粒子 26

液晶ディスプレイと透明導電膜 1) 偏光フィルター出入りする光をコントロールする 2) ガラス基盤電極部からの電気がほかの部分に漏れないようにする 3) 透明電極透明導電膜液晶ディスプレイを駆動するための電極表示の妨げにならないよう透明度の高い材料を使う 4) 配向膜液晶の分子を一定方向に並べるための膜 6) スペーサー液晶物質をはさむ

27 液晶ディスプレイと透明導電膜 1) 偏光フィルター出入りする光をコントロールする 2) ガラス基盤電極部からの電気がほかの部分に漏れないようにする 3) 透明電極透明導電膜液晶ディスプレイを駆動するための電極表示の妨げにならないよう透明度の高い材料を使う 4) 配向膜液晶の分子を一定方向に並べるための膜 6) スペーサー液晶物質をはさむ 2 枚のガラス基板に均一なスペースを確保する 7) カラーフィルター RGB のそれぞれのフィルターをかけ色を表示する 8) バックライトディスプレイの背後から光を当て画面を明るくするモノクロ表示の液晶ディスプレイではこれの代わりに反射板を使い自然光で見えるようにしてあるものもある 2017/4/11 最先端ナノ粒子 27

28 ITO ナノインク ITO ナノ粒子 (<100nm) を溶媒中に安定分散したもの ITO ナノ粒子の単分散性単分散とはサイズ形態組成構造が均一なことで粒子の単分散性とはそれらが揃うことを指す溶媒と分散剤の選択が鍵粒子同士が凝集すると見かけの粒径が大きくなる他形態もまちまちになり単分散粒子を作成しても意味がなくなる 2017/4/11 最先端ナノ粒子 28

29 ITO ナノインク塗布膜の作成 ITO ナノ粒子溶媒 ITO ナノインク基板塗布粒子膜 2017/4/11 最先端ナノ粒子 29

30 ITO 粒子を単粒子層に並べる a ( 400 ) ( 200 ) b ( 020 ) - ( 020 ) ( 040 ) - ( 200 ) - ( 400 ) - ( 040 ) 2017/4/11 最先端ナノ粒子 30

31 合成時の変化 31 合成条件 : TMAH( 塩基試薬 ) 2.0 M, 250 o C 初期溶液黄色のゲル形成 ITO ナノ粒子 250 o C 1 h 250 o C, 95 h ゲル生成条件 TMAH conc. 2.0, 2.5 M TMAH conc. 1.5 M NaOH system 2017/4/11 最先端ナノ粒子

32 高分解能透過電顕 32 HR-TEM image FT image HR-TEM image 粒界が観察されない FT image ストリーク 2017/4/11 最先端ナノ粒子

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Microsoft PowerPoint ppt [互換モード] 微粒子合成化学講義 http://res.tagen.tohoku.ac.jp/mura/kogi/ E-mail: mura@tagen.tohoku.ac.jp 村松淳司この講義目的微粒子の合成に関する物理化学的知識を身につけること身の回りの表面科学界面化学に関する現象を物理化学で考えることコロイドの分散凝集等の界面化学や吸着表面反応等触媒反応の知識を取得することを目的とする講義概要