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兵庫県立大・阪大・北里大・東大、水処理膜のナノチャネルがもつ特性を計算科学で解明

発表日:2021年07月29日

水処理膜のナノチャネルがもつ特性を計算科学で解明:

水分子の動きを活発化させる水素結合の仕組み

1. 発表者:

石井 良樹(兵庫県立大学大学院情報科学研究科 特任講師)

松林 伸幸(大阪大学大学院基礎工学研究科化学工学領域 教授)

渡辺 豪(北里大学理学部物理学科 講師)

加藤 隆史(東京大学大学院工学系研究科化学生命工学専攻 教授)

鷲津 仁志(兵庫県立大学大学院情報科学研究科 教授)

2. 発表のポイント:

◆ スーパーコンピュータによりナノサイズの穴で水をきれいにする膜のシミュレーション基盤を新たに構築し、分子の自己集合によるナノ構造の観測に成功しました

◆ 水分子を、水処理膜の中のナノチャネルという超微小空間で安定化させ、その一つ一つが次々に繋がって動きを活発化させる水素結合の仕組みを解明しました

◆ 水処理膜の高性能化や、生体親和性や接着など、水を介する機能性材料の材料研究における、スパコン・計算科学と先端実験との新しい融合研究が期待されます

3. 発表概要:

兵庫県立大学大学院情報科学研究科の石井 良樹 特任講師、鷲津 仁志 教授、東京大学大学院工学系研究科化学生命工学専攻の加藤 隆史 教授、大阪大学大学院基礎工学研究科化学工学領域の松林 伸幸 教授、北里大学理学部物理学科の渡辺 豪 講師は、最新のスーパーコンピュータ群(注1)を用いて水処理膜の材料シミュレーションを行うことで、水処理膜の中の「ナノチャネル」が、内部に含まれる水の割合に応じて水分子一つ一つの動きを活発化させる水素結合(注2)の仕組みを明らかにすることにより、その水素結合状態を認識させてイオンを選択的に透過させるメカニズムの可能性を示しました。

水を利用価値のある形へと転換して安全・安心な水を確保するため、これまでさまざまな水処理膜が開発されてきました。水処理膜は微細な穴をたくさん持っており、その穴の大きさと水に溶けたイオンのサイズを比較して、穴より小さいものが透過するという「分子ふるい」の仕組みで理解されています。しかし実際には、水分子やイオンは、分子レベルの水素結合による「水和殻」を被っており、その殻の性質も考慮して分子ふるいのメカニズムを考える必要があります。また、水に溶けたイオンは電荷を持っているため、穴の中にプラスやマイナスの電気を帯びた官能基があれば、電気的な相互作用が透過できるイオンの選択性に大きく影響することがわかってきました。

※以下は添付リリースを参照

リリース本文中の「関連資料」は、こちらのURLからご覧ください。

添付リリース

https://release.nikkei.co.jp/attach/615441/01_202107281543.pdf

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