Research Abstract
無機層状物質の短時間で起こる非常に安定した約100倍に及ぶ可逆的な膨潤
細胞は特定の溶液中で膨潤、収縮することが知られているが、同じ性質を持つ無機物質はこれまで発見されていない。本稿で著者らは、結晶性の薄膜状物質が可逆的に100回膨潤することを実証する。これは、層間水分子の長距離にわたる方向性構造化によるものと考えられる。
Unusually stable ~100-fold reversible and instantaneous swelling of inorganic layered materials
2013年3月27日 Nature Communications 4 : 1632 doi: 10.1038/ncomms2641
細胞は、特定の溶液中で膨らんだり縮んだりできる。しかし、無機物ではこれに相当する働きは見つかっていない。層状物質は層間隔が拡大して体積が増大するが、その場合層間隔の拡大が数ナノメートル達すると、通常剥離が起きて個々の原子層に分割されていく。今回我々は、層状結晶が剥離を起こすことなく一体として大きく膨潤、収縮する特異な現象を見いだした。あるアミン水溶液を作用させると層間隔は、数秒で最大100倍、すなわち約90 nmに拡大した。この際、隣接する層の間には大量の水が入り込むが、大きく隔てられた層はお互いに剥がれることなくしっかりと保たれており、3,000層以上からなる層状構造が安定に保たれる。第一原理計算によって層間に取り込まれたアミンの周りの水分子が方向性を持つ長距離秩序構造を形成し、これが大きく膨潤した構造の安定化に役立っている可能性があることが示された。今回の発見は、層状物質の剥離現象を解明する重要な知見を与えるものである。
Fengxia Geng1, Renzhi Ma1,中村 聖1, 赤塚 公章1, 海老名 保男1, 山内 悠輔1,2, 宮元 展義3, 館山 佳尚1,2 & 佐々木 高義1,2
- 独立行政法人 物質・材料研究機構（NIMS）国際ナノアーキテクトニクス研究拠点
- 独立行政法人 科学技術振興機構（JST）CREST & PRESTO
- 福岡工業大学 工学部 生命環境科学科
Cells can swell or shrink in certain solutions; however, no equivalent activity has been observed in inorganic materials. Although lamellar materials exhibit increased volume with increase in the lamellar period, the interlamellar expansion is usually limited to a few nanometres, with a simultaneous partial or complete exfoliation into individual atomic layers. Here we demonstrate a large monolithic crystalline swelling of layered materials. The gallery spacing can be instantly increased ~100-fold in one direction to ~90 nm, with the neighbouring layers separated primarily by H2O. The layers remain strongly held without peeling or translational shifts, maintaining a nearly perfect three-dimensional lattice structure of >3,000 layers. First-principle calculations yield a long-range directional structuring of the H2O molecules that may help to stabilize the highly swollen structure. The crystals can also instantaneously shrink back to their original sizes. These findings provide a benchmark for understanding the exfoliating layered materials.
