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ナノサイエンスが作る多孔性材料

(2004年『新時代の多孔性材料とその応用―ナノサイエンスが作る新材料―』普及版)

商品コード: B0915

  • 監修: 北川進
  • 発行日: 2010年3月
  • 価格(税込): 3,672 円
  • 体裁: A5判,249ページ
  • ISBNコード: 978-4-7813-0189-1

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刊行にあたって

 私たちが意識するかどうかにかかわりなく,古代から多孔性物質が私たちの生活に用いられてきたことは多くの文献から伺える。現代では多孔性物質なくしては私たちの生活が成り立たないところまできている。活性炭に代表される炭素材料,無機物に代表されるゼオライトなどはその好例である。その機能は,分離,除去,貯蔵,触媒など多岐にわたる。人類が長年にわたり発見,生産,改良してきた多孔性材料は,現代の科学のテイストを獲得して益々発展してきた。その特徴は,1)グラファイトからナノチューブに見受けられる炭素単体の形態の広がり,そして新しい機能の発展,2)無機物,有機物,などの素材の単一性から,それらの複合化における多様な材料の発展,3)限りない規則性を持つ細孔を生み出せる多孔性金属錯体物質の出現,4)低エネルギーで大量生産できるボトムアップ合成法,すなわち,自己集合,自己組織化による合成手法の発展,一方,5)微細加工技術の進歩による精密なトップダウン手法の発展,など,多孔性材料にかかわる新展開には目覚しいものがある。
 多孔性材料の範囲は広く,無機化学,有機化学,物理化学,高分子化学,触媒化学はもとより物性物理学にまでおよぶが,各分野の先導的な研究者に執筆をお願いしたため,非常に豊かで斬新な科学,技術に触れることができる。そして今後,未来の多孔性材料について多くのヒントが得られるものと期待される。
 前世紀が原子,分子骨格およびそれからつくられる集合構造の骨格に焦点をあてた時代とすれば,21世紀はまさにそれら構成素子からつくられる空間,「スペースの化学」に注目する時代であるといえる。すなわち21世紀の材料は“空間”がキーワードと考えている。その意味でもここで紹介する物質群は,夢と感動と希望を与える材料として多くの研究者をひきつけるものと考えられ,まさに本書が重要な役割をすることを願っている。
 最後に,本書をまとめるにあたり,尽力いただいた(株)シーエムシー出版の西出寿士氏に御礼申し上げる。
(「はじめに」より抜粋)
2004年11月  北川進

<普及版の刊行にあたって>
 本書は2004年に『新時代の多孔性材料とその応用―ナノサイエンスが作る新材料―』として刊行されました。普及版の刊行にあたり,内容は当時のままであり加筆・訂正などの手は加えておりませんので,ご了承ください。

2010年3月  シーエムシー出版 編集部

著者一覧

中嶋英雄   大阪大学 産業科学研究所 金属材料プロセス研究分野 教授
大久保達也  (現)東京大学 大学院工学系研究科 化学システム工学専攻 教授
小倉 賢   東京大学 生産技術研究所 助教授
         (現)東京大学 生産技術研究所 准教授
野呂真一郎  (現)北海道大学 電子科学研究所 助教
金山公三   (独)産業技術総合研究所 サステナブルマテリアル研究部門 木質材料組織制御研究グループ 研究グループ長
武藤明徳   (現)岡山大学 大学院自然科学研究科 機能材料化学専攻 准教授
金子克美   (現)千葉大学 大学院理学研究科 教授
宮原 稔   京都大学 大学院工学研究科 化学工学専攻 教授
北浦 良   (現)名古屋大学 大学院理学研究科 物質理学専攻 准教授
北川 進   (現)京都大学 物質細胞統合システム拠点 副拠点長・教授
間渕 博   大阪府立大学 大学院工学研究科 教授
芝﨑祐二   (現)岩手大学 工学部 応用化学・生命工学科 准教授
上田 充   (現)東京工業大学 大学院理工学研究科 有機・高分子物質専攻 教授
岩本正和   (現)東京工業大学 フロンティア研究センター 教授
藤原正浩   (現)(独)産業技術総合研究所 ナノテクノロジー研究部門 ナノ機能合成グループ 主任研究員
丸山茂夫   (現)東京大学 大学院工学系研究科 機械工学専攻 教授
水野哲孝   (現)東京大学 大学院工学系研究科 教授
内田さやか  (現)東京大学 大学院工学系研究科 助教
河本亮介   東京大学 大学院工学系研究科 応用化学専攻 
金森主祥   京都大学 大学院工学研究科 材料化学専攻 無機構造化学研究室
         (現)京都大学 大学院理学研究科 化学専攻 助教
中西和樹   (現)京都大学 大学院理学研究科 化学専攻 准教授
平尾一之   (現)京都大学 大学院工学研究科 材料化学専攻 無機構造化学研究室 教授
周 豪慎   (現)(独)産業技術総合研究所 エネルギー技術研究部門 エネルギー界面技術グループ グループ長
内藤牧男   大阪大学 接合科学研究所 教授
阿部浩也   (現)大阪大学 接合科学研究所 准教授
京谷 隆   (現)東北大学 多元物質科学研究所 教授
松方正彦   (現)早稲田大学 理工学術院 先進理工学研究科 応用化学専攻 教授
野村淳子   (現)東京工業大学 資源化学研究所 准教授
堂免一成   (現)東京大学 大学院工学系研究科 化学システム工学専攻 教授
鈴木義和   京都大学 エネルギー理工学研究所 助手

 執筆者の所属表記は、注記以外は2004年当時のものを使用しております。

目次

【基礎編】
第1章 製造方法
1. 金属系多孔性材料
1.1 はじめに
1.2 融点におけるガスの溶解度差を利用したポーラス金属の製法
1.3 水素化物の発泡を利用したポーラスアルミニウムの製法
1.4 粉体固化材のセミソリッドでの水素の発泡を利用したポーラスアルミニウムの製法
1.5 燃焼合成法を利用したポーラス金属間化合物の作製
1.6 水素化物を重ね接合板に分散させて発泡させたポーラスアルミニウム合金作製法
1.7 メッキ法によるポーラスニッケルの作製
1.8 金属系多孔性材料の応用展開

2. 無機多孔性材料
2.1 はじめに
2.2 シリカゲル
2.3 ゼオライト
2.3.1 ゼオライトの構造
2.3.2 ゼオライト合成の概要
2.3.3 生成メカニズム
2.3.4 SDAの役割
2.3.5 その他のゼオライトにおける核生成と結晶成長
2.4 メソ多孔体
2.4.1 メソ多孔体とは
2.4.2 シリカ系メソ多孔体の合成
(1) 層状ケイ酸塩からの規則性メソ多孔体の合成
(2) 界面活性剤会合体を鋳型とする規則性メソ多孔体の合成
(3) 界面活性剤-ケイ酸塩の協奏作用によるメソ構造の形成
2.4.3 シリカ系メソ多孔体合成の特徴と構造決定因子
2.4.4 非シリカ系メソ多孔体の合成

3. 有機および金属錯体多孔性材料
3.1 分子性物質から構築される新規多孔性材料
3.2 有機多孔性材料
3.3 金属錯体多孔性材料
3.3.1 ディスクリートな金属錯体から構築される多孔性物質
3.3.2 第2世代型多孔性配位高分子材料
3.3.3 第3世代型多孔性配位高分子材料
3.3.4 相互貫通構造の制御
3.3.5 金属イオンの機能性サイトとしての利用
3.4 おわりに

4. 木質系多孔性材料
4.1 木質材料の重要性
4.2 木質材料の概要
4.3 従来の加工方法
4.4 最近の研究動向
4.5 圧密加工
4.6 湿度調整機能
4.7 難燃化技術
4.8 粉体成形技術

5. 炭素多孔性材料
5.1 炭素多孔材料の製造方法
5.2 炭素多孔材料の原料と細孔構造
5.3 炭素材料の製造条件の探索方法
5.4 最近の研究報告例

第2章 吸着理論
1. 吸着の基本論
1.1 はじめに
1.2 2種類の気体:蒸気と超臨界気体
1.3 気体と固体の相互作用
1.3.1 物理吸着と化学吸着
1.4 蒸気に対する物理吸着の理論
1.4.1 ミクロ細孔への蒸気吸着
(1) ミクロポアフィリングの記述
(2) ミクロポアフィリングした吸着分子の状態
1.4.2 水蒸気の疎水性ミクロ細孔への吸着
1.4.3 メソ細孔への蒸気吸着
1.4.4 マクロ細孔あるいは平坦表面への蒸気吸着
1.5 超臨界気体の物理吸着
1.5.1 超臨界気体の吸着等温線
1.5.2 絶対吸着量等温線の決定
1.5.3 超臨界DR解析とAD格子理論
1.6 おわりに

2. 計算機科学
2.1 はじめに
2.2 吸着における計算機科学の意義
2.3 相互作用とポテンシャル関数
2.3.1 流体分子(吸着分子)間ポテンシャル関数
2.3.2 固体壁-分子間ポテンシャル
(1) 無構造固体表面
(2) 構造化固体表面
2.4 分子シミュレーション手法
2.4.1 アンサンブル
2.4.2 ユニットセル、境界条件、再近接鏡像
2.4.3 分子動力学(MD)法
(1) 温度の制御
(2) 圧力の制御
(3) 化学ポテンシャルの決定
(4) 動力学と数値積分
2.4.4 Monte Carlo(MC)法
(1) 出現確率と統計平均量
(2) メトロポリスの方法
(3) 多様なアンサンブル
2.4.5 データ処理:何を見るのか
(1) スナップショット
(2) 各種統計量
2.4.6 ソフトウェア
2.4.7 ハードウェア
2.5 密度汎関数(DFT)法
2.6 毛管凝縮現象に関する最近の研究例
2.6.1 単純毛管凝縮理論の限界と改良モデル
2.6.2 毛管凝縮のヒステリシスに関する研究例
2.7 細孔径分布推定の基礎としての各手法の応用
2.8 おわりに

【応用編】
第3章 化学機能材料への展開
1. 金属錯体ナノ細孔材料の新しい機能
1.1 はじめに
1.2 超高比表面積物質としての多孔性配位高分子と吸蔵材への展開
1.3 柔らかい構造を持つ多孔性配位高分子とその機能
1.3.1 弱い配位結合の切断・生成による構造変換
1.3.2 非結合性相互作用由来の柔軟性
1.4 特異的分子凝集場としての多孔性配位高分子とナノサイエンスへの展開

2. 炭化シリコン合成法
2.1 はじめに
2.2 SiCの性質と合成方法
2.3 シリコン炭化反応によるSiC合成
2.4 多孔質SiCの形成
2.5 SiCナノファイバーの形成
2.6 SiC多孔体の作製
2.7 SiC多孔体の応用

3. ポリマー合成への応用
3.1 はじめに
3.2 連鎖系モノマーの重合
3.3 逐次重合系モノマーの重合
3.4 おわりに

4. 規則性ナノ空間物質の特性を活かした新機能の開拓
4.1 はじめに
4.1.1 規則性ナノ空間物質とは
4.1.2 規則性ナノ空間物質は何が新しいか
4.2 「全てが表面原子」「均一な表面」「規則性ナノ細孔」を利用する
4.2.1 水を浄化する新しいアニオン交換材料
4.2.2 Ti-M41によるスルフィドの不斉酸化
4.2.3 機能性物質調製の鋳型、基板
4.3 ナノ空間でのみ生じる新しい機能
4.3.1 純シリカナノ多孔体の固体酸機能の発見
4.3.2 シリカM41固体酸性の有機合成への拡張
4.4 エチレンをプロピレンに変えるNi-MCM-41触媒
4.4.1 エチレンとプロピレン
4.4.2 Ni-M41触媒のエチレン→プロピレン転換能の発見
4.4.3 エチレンがプロピレンに転換する機構
4.5 ナノ空間は不思議空間

5. 光応答性メソポーラスシリカ
5.1 多孔性シリカ材料
5.2 メソポーラスシリカとフォトクロミズム
5.3 ドラッグデリバリーシステム(DDS)材料としてのシリカ
5.4 メソポーラスシリカによる応答性DDS

6. ゼオライトを用いた単層カーボンナノチューブの合成
6.1 はじめに
6.2 触媒担持とCVD合成方法
6.3 電子顕微鏡観察とラマン散乱
6.4 ACCVD法によるSWNTの収率
6.5 カイラリティ分布と生成機構

7. 多孔性ポリオキソメタレートと吸着・触媒作用
7.1 はじめに
7.2 結晶子・結晶粒子の間隙に空孔を有する化合物
7.3 結晶格子内に空孔を有する化合物
7.4 ポリオキソメタレート内に空孔を有する化合物
 
第4章 物性材料への展開
1. ゾル-ゲル法によるメチルシロキサンゲルの多孔構造制御とHPLC特性
1.1 はじめに
1.2 メチルシロキサンゲル多孔体の合成
1.3 微小鋳型内におけるメチルシロキサンゲルのマクロ多孔構造
1.4 キャピラリーにおける構造設計とHPLC特性評価
1.5 おわりに

2. 結晶性金属酸化物ナノ多孔質材料の合成と応用
2.1 はじめに
2.2 合成方法
2.3 評価と議論
2.4 リチウム電池への応用
2.5 今後の予定

3. ドライプロセスによるナノ多孔質体の開発
3.1 はじめに
3.2 多孔質体の製法
3.3 多孔質体の製造例
3.4 今後の展開

第5章 環境・エネルギー関連への展開
1. ポーラス炭素の合成とエネルギー貯蔵材としての利用
1.1 はじめに
1.2 鋳型法によるポーラス炭素の合成
1.2.1 炭素の細孔構造
1.2.2 ガス賦活と薬品賦活
1.2.3 鋳型法によるミクロ孔の制御
1.2.4 鋳型法によるメソ孔の制御
1.3 ポーラス炭素のエネルギー貯蔵材としての応用
1.3.1 水素貯蔵
1.3.2 メタン吸蔵材としての利用
1.3.3 電気二重層キャパシタの電極材としての利用
1.4 おわりに

2. ゼオライト膜の応用
2.1 はじめに
2.2 製膜方法
2.3 アルコールの脱水プロセスへの応用
2.4 石油、天然ガス分離への利用
2.5 メンブレンリアクターとしての利用
2.6 おわりに

3. エネルギー変換型光触媒
3.1 はじめに
3.2 種々のメソポーラス酸化タンタル上での水の光分解
3.3 メソポーラスマグネシウムタンタル複合酸化物上での水の光分解
3.4 おわりに

4. 多孔性セラミックスの応用
4.1 はじめに
4.2 多孔性セラミックス関連の特許出願動向
4.3 2004年公開特許から見る多孔性セラミックスの応用
4.3.1 環境関連分野
4.3.2 エネルギー関連分野
4.3.3 その他(バイオ、製造技術等)
4.4 おわりに
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