信州大ら,吸着過程を放射光X線回折で直接観測

信州大学,高輝度光科学研究センター,広島大学,島根大学,タイVidyasirimedhi Institute of Science and Technologyは,層状の粘土鉱物が水に溶解する有機物を効率良く吸着する現象について,カフェインをモデル物質として調査し,その機構を明らかにした(ニュースリリース)。

粘土鉱物の一つであるスメクタイトの層間は,様々な分子が取り込む(吸着)ことのできる小さな空間がある。表面積が大きい(700m2/g:小さじ1杯でテニスコート4面弱ほどの面積)ために,例えば水中の有害物質を除去できる吸着剤応用に適する。この現象の実用例として,緑茶からカフェインを除去する技術がある。

水中の様々な物質を吸着することで知られる粘土鉱物だが,多量な水が共存している状況での吸着機構は複雑であるために,基礎的な理解が進んでいない。研究では,スメクタイトが水中のカフェインを効率良く吸着するという現象に着目し,層間を精密に直接計測することで,水中でのカフェインの吸着過程を追跡した。層間に分子が多量に取り込まれると膨張するので,分子の吸着による膨張挙動の直接観察は,分子との相互作用の強さを計る重要な指標の一つとなる。

研究グループは,カフェイン吸着に及ぼす水分子の効果を知るためには,まず始状態における粘土鉱物の構造を知ることが重要であると考え,蒸気吸着測定装置と放射光X線回折分析を用い,粘土鉱物の構造変化を調査した。続いて,粘土鉱物を水に分散した状態でカフェイン水溶液を加え,その後の構造変化を秒オーダーの放射光X線回折実験で調べた。

その結果,ある種のイオンが層間に存在した場合には,水中でも水分子が二層で層間に安定に存在することがわかり,さらにカフェインを添加するとこの水の二分子層のような小さなかたまりが徐々に解けて,カフェイン分子が水分子と入れ替わるように吸着される,という様子を捉えることができた。この水分子がカフェイン分子の吸着を促進しているようにも考えることができるという。

このように吸着過程での活性物質(今回は水分子の小さなかたまり)を理解することで,カフェイン以外の様々な両親媒性物質を効率的かつ多量に吸着し回収できる技術の開発指針が得られると期待できるとしている。

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