NMRとX線回折による多孔質ガラス中の不凍水・疑似液体の研究

利用NMR和X射线衍射研究多孔玻璃中的防冻水和伪液体

基本信息

批准号：
08640425
负责人：
丸山稔
金额：
$ 0.83万
依托单位：
Osaka City University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
财政年份：
1996
资助国家：
日本
起止时间：
1996 至无数据
项目状态：
已结题

来源：
https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-08640425/
关键词：
界面融解不凍水多孔質ガラスギブス-トムソン効果

项目摘要

多孔質体や粉体中の空隙に存在する水は、十分に0℃以下の温度でも完全には凍結しないことが知られている。多孔性土粒子中の不凍水はこの典型である。我々は多孔質体中の不凍水の性質を精密に研究するために、単純でよく分かった物質として、均一な細孔径を持つ多孔質ガラスを選んだ。細孔直径は、40Å,100Å,300Å,500Åの4種類のサンプルを用い、これらの細孔中に閉じこめた円柱氷の融解量(不凍水量)を温度の関数として、パルスNMRで測定した。パルスNMRでは、水素プロトンの核磁気モーメントを外部磁場で励起させて、その減衰過程の違いから、液体と固体のH_2Oの量を区別して測定することができる。ここでは、液体からのNMRシグナル強度を測定して、液体量(液体の割合)を求めた。予め室温で細孔中に満たした水を、液体窒素温度で完全に凍結させてから昇温し、-30℃から0℃の温度範囲で測定した。得られた液体の割合は著しく細孔径(初期氷の直径)に依存した。-30℃で既に液体が存在すること、0℃以下の温度で完全に融解することが特徴である。後者のバルクの融点T_m以下での完全融解は、曲率に伴う融点降下(Gibbs-Thomson効果)で系統的に説明できた。完全融解温度以下での部分的融解は氷とガラス界面での界面融解によるものと仮定して、融解膜(不凍水膜)の厚さを求めると、細孔径によらず90×(T_m-T)^<-0.60>†にしたがって温度Tとともに増大することがわかった。現在X線回折でも同様のサンプルに対して測定を行っている。

众所周知，即使在远低于 0°C 的温度下，存在于多孔材料和粉末空隙中的水也不会完全冻结。多孔土壤颗粒中的未冻水就是一个典型的例子。为了精确研究多孔材料中防冻水的特性，我们选择了孔径均匀的多孔玻璃作为一种简单且易于理解的材料。使用孔径为 40 Å、100 Å、300 Å 和 500 Å 的四种类型的样品，并使用脉冲测量限制在这些孔中的圆柱形冰的融化量（未冻结的水量）作为温度的函数核磁共振。脉冲核磁共振是通过外部磁场激发氢质子的核磁矩，根据衰变过程的差异可以区分和测量液体和固体中H_2O的量。这里，测量来自液体的NMR信号强度以确定液体的量（液体的比率）。在室温下预先将水填充到孔中，在液氮温度下完全冷冻，然后加热，在-30℃至0℃的温度范围内进行测量。获得的液体比例很大程度上取决于孔径（初始冰直径）。它的特点是在-30°C时就以液体形式存在，并在低于0°C的温度下完全熔化。后者在整体熔点 T_m 以下完全熔化可以通过与曲率相关的熔点降低（吉布斯-汤姆逊效应）来系统地解释。假设低于完全熔化温度的部分熔化是由于冰-玻璃界面处的界面熔化造成的，则熔化膜（防冻水膜）的厚度计算为90×（T_m-，发现它随着温度T的增加而增加，根据至 T)^<-0.60>†。目前，正在对类似样品进行 X 射线衍射测量。