Public Release: 

Shape separates substance

Japanese researchers show the phase separation of two substances depends on the topology of the pore

Institute of Industrial Science, The University of Tokyo

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IMAGE: Two demixed phases [the green and blue phases] are shown together with the porous structure surface (black). view more 

Credit: Hajime Tanaka and Ryotaro Shimizu, Tanaka Laboratory, Institute of Industrial Science, The University of Tokyo

東京大学 生産技術研究所の田中 肇 教授、清水 涼太郎 特任研究員(研究当時)の研究グループは、多孔質物質のネットワーク状に繋がりあった複雑な孔の中で相分離が進行する際、どのように相分離構造が形成されるかについて研究を行った(図1)。これまで、複雑なトポロジーを持つ三次元多孔質構造と、複数の液体などが混在する混合系との相互作用を扱う適当なモデルが存在しなかったため、この分野の研究は、単純な空間構造をもつ境界の中での相分離の研究に限られてきた。研究グループは、複雑な多孔質構造と、相分離を表すために2つの秩序変数を導入し、壁と混合系の成分の相互作用をそれら2つの秩序変数の結合としてあらわすことで、この現象を記述しうる物理モデルを導入した。従来、多孔質中の相分離は、ネットワーク状の孔構造を円柱状のパイプの組み合わせと考えることで理解できると信じられてきたが、この常識は全く通用せず、孔の交叉の仕方に代表されるトポロジー的な特徴が、相分離構造に決定的な影響を与えることが明らかとなった。このようなトポロジーの影響は、実空間での構造解析により初めて明らかにできるもので、従来の光や中性子を用いた散乱実験による研究の限界も示された。多孔質の壁と、混合系の各成分との相互作用を制御することで、さまざまな相分離の最終構造を形成することが可能なことも示された。加えて、孔の連結性が確保された三次元多孔質と連結性のない二次元多孔質中の相分離には、決定的な相違が存在することも明らかにされた。多孔質構造は、表面積が極めて大きいという特徴を持つため、触媒、診断用ゲル、イオン交換などさまざまな分野で応用されているが、本研究成果は、多孔質状の土壌から、水と共存した石油を抽出する際にも重要な知見を与えるものと期待さ

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5.発表雑誌: 

雑誌名 :「Science Advances」(オンライン版:日本時間12月23日(土)午前4時掲載予定)

論文タイトル : Impact of complex topology of porous media on phase separation of binary mixtures

著者 : Ryotaro Shimizu and Hajime Tanaka

6.注意事項: 

日本時間12月23日(土)午前4時(米国東部時間12月22日(金)午後2時)以前の公表は禁じられています。

7.問い合わせ先: 

東京大学 生産技術研究所
教授 田中 肇(たなか はじめ)
Tel:03-5452-6125
Fax:03-5452-6126
tanaka@iis.u-tokyo.ac.jp

8.用語解説:

(注1)秩序変数
相が持つ秩序の度合いを表す変数のこと。たとえば、相分離の場合は、混合系の成分の組成。

(注2)トポロジー
何らかの形をもつ構造を、切ったり繋いだりせずに連続的に変形しても保たれる幾何学的な性質。

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