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階層構造研究グループ

グループリーダー
熊田高之

研究テーマ及び業務

  1. 核偏極試料と偏極中性子を用いた多成分複合材料の構造研究
  2. 日米協力事業に基づく中性子回折研究
  3. 多孔性酸化チタン触媒において形成される構造のスケール依存性
  4. 抽出錯体溶液がつくる階層構造とダイナミクスの解明
  5. 中性子線を用いた高分子ゲル材料の機能化に関する研究
  6. 中性子非弾性散乱による機能性高分子の構造とダイナミクスの研究

研究内容

階層構造研究グループは中性子・X線小角散乱法や中性子非弾性散乱法を用いて、高分子・溶液・生体関連物質などのソフトマテリアルを中心とした物質のナノからマイクロメータースケールの階層にわたる構造とそのダイナミクスを調べることにより、それらの機能発現メカニズムの解明を目指しています。 実験は、装置管理を行っている研究用原子炉JRR-3にある2台の中性子小角散乱装置(SANS-J, PNO)の他、J-PARCを含む国内外の中性子・放射光施設を用いて行っています。 また、装置利用者のニーズに合わせた小角散乱装置の改良も進めており、特に近年ではソフトマテリアルの主成分である水素の核スピンと中性子スピン自由度を用いて構造解析を行うスピンコントラスト法の利用を積極的におこなっております。 本手法は、従来の重水素ラベルによる方法と異なり、試料を重水素化することなく多成分複合材料における構造を成分毎に決定できるものであり、中性子施設利用の”敷居“を下げる技術として注目を集めているものです。

最近の研究成果

○放射線照射試料の動的核偏極機構の解明

スピンコントラスト中性子散乱実験において、磁気モーメントが非常に小さい水素核スピンを低温・強磁場だけで偏極するのは困難です。 そこで試料中の電子スピンを低温・強磁場下で偏極した後、磁気共鳴法を用いて周囲の水素核スピンに偏極移動させる動的核スピン偏極(DNP)が用いられます。 我々は、放射線照射により固体中に発生した電子スピン(フリーラジカル)を用いたDNP機構を精査したところ、放射線照射による直接的な分子鎖切断によって生じたフリーラジカルと、それによって生じた不安定化学種による引抜反応によって生じたフリーラジカルが対となることで核スピンへの偏極移動を引き起こしていることを判明しました。


○日米協力事業に基づく中性子回折研究

オークリッジ国立研究所に機構が設置した中性子回折装置WANDのアップグレードを実施しています。 2015年には新たな二次元検出器を導入するフェーズ2が開始されました。 アップグレードされたWANDを用いることにより、機能的な除染材が開発されたり水分子の配置の秩序化条件が新たに見出されたりする等の成果が得られています。


多孔性酸化チタン触媒において形成される構造のスケール依存性

物質の構造に関して、中性子小角散乱の波数(q)領域(0.03 ≤ q [nm-1] ≤ 1)に相当するメソスケールを中心に観測範囲を拡張し、高次構造を広く捉える研究を進める中で、最近では触媒機能を有する酸化チタン(TiO2)の多孔体構造について結晶構造から製法によって異なるナノ~ミクロンオーダーまでの構造を6桁にわたり観察しました。 また機能を高めるために少量のドープ物質を添加したTiO2多孔体の散乱は、ドープ物質の添加がないTiO2多孔体からの散乱に比べて特定のq領域の散乱強度の変化(増加)に寄与する傾向を見出し、その変化からドープ物質の実空間中での分布を割り出す解析を進めています。


○抽出錯体溶液がつくる階層構造とダイナミクスの解明

溶媒抽出によって金属イオンを分離する際につくられる、抽出錯体に関する研究を進めています。 溶媒抽出は再処理においてウランやプルトニウムを分離する際に用いる重要なプロセスですが、それ以外にも希少価値の高い金属イオンや有害物質の分離にも使われる汎用性の高い方法です。 溶液中には金属イオン、有機分子、酸、水分子などが含まれていますが、これらの成分が自己組織化することによりナノスケールの複合構造をつくる場合があることがわかってきました。 これまでに、最先端の中性子線や放射光を利用した分析を進めたところ、このナノ構造には、これまで分離することが難しかったイオン種を選択的に認識したり、その分離効率を向上させたりする機能を付与できることが示唆されています。 ナノ構造の詳細な理解とその特性の解明を進めることで、その知見を核燃料再処理や分離核変換などの原子力科学技術の発展に波及させます。


中性子線を用いた高分子ゲル材料の機能化に関する研究

中性子線やX線を利用した、高分子ゲル材料の機能化を目的とした研究を行っています。 高分子ゲル中では高分子鎖や水が絡まり合い、ナノオーダーの特異的な微細構造を形成しています。 それらはゲルの性質に大きく関与しますが、構造を形成する各成分のナノ構造を評価することは困難でした。 最近、コントラスト変調中性子小角散乱を用いることにより、多成分系から成る高分子ゲル微粒子において、成分毎のナノ構造を明らかにしました。 高分子ゲル材料における微細構造を明らかにすると共に、得られた知見を基にした材料の機能化を進めています。


中性子非弾性散乱による機能性高分子の構造とダイナミクスの研究

機能性高分子の立体構造情報に基づいて、ターゲット分子との相互作用や分子間相互作用を予測するためには、構造変化や揺らぎを調べる必要があります。 中性子非弾性散乱や分子シミュレーションを用いて、構造揺らぎを調べます。 また、中性子非弾性散乱を活用した食品物性解析を行います。 特に、ガラス転移や水和状態の解析を通じて、食品のミクロ構造とマクロの物性の関係を調べ、食品の機能特性を決める分子機構を解明します。


FY2017

Papers

1)Development of Dynamic Nuclear Polarization System for Spin-Contrast-Variation Neutron Reflectometry, T. Kumada, K. Akutsu, K. Ohishi, T. Morikawa, Y. Kawamura, M. Sahara, J. Suzuki and N. Torikai, J. Phys. Soc. Jpn. Conf. Series, accepted.
2)A Novel Micro-Emulsion Phase Transition: Towards the elucidation of Third Phase Formation in Spent Nuclear Fuel Reprocessing , J. Mu , R. Motokawa, K. Akutsu, S. Nishitsuji and A. J. Masters, J. Phys. Chem. B, 122, 1439−1452 (2018).
3)Super-absorbent polymer valves and colorimetric chemistries for time-sequenced discrete sampling and chloride analysis of sweat via skin-mounted soft microfluidics, S. B. Kim, Y. Zhang, S. M. Won, A. J. Bandodkar, Y. Sekine, Y. Xue, J. Koo, S. W. Harshman, J. A. Martin, J. M. Park, T. R. Ray, K. E. Crawford, K. T. Lee, J. Choi, R. L. Pitsch, C. C. Grigsby, A. J. Strang, Y. Y. Chen, S. Xu, J. Kim, A. Koh, J. S. Ha, Y. Huang, S. W. Kim and J. A. Rogers, Small, 14, 1703334 (2018).
4)Isotope-selective ionization utilizing field-free alignment of isotopologues using a switched nanosecond laser pulse, H. Akagi, T. Kumada, T. Otobe, R. Itakura, H. Hasegawa and Y. Oshima, Appl. Phys. B, 124, 14 (2017).
5)Comparison of Extraction Properties between Tetrachloro- and Tetrabromo-Palladate(II) Ions with a Thiodiglycolamide Compound, H. Narita, M. Maeda, C. Tokoro, T. Suzuki, M. Tanaka, R. Motokawa, H. Shiwaku and T. Yaita, Anal. Sci., 33, 1305-1309 (2017).
6)Ca-deficient hydroxyapatite as a potential sorbent for strontium, Y. Sekine, R. Motokawa, N. Kozai, T. Ohnuki, D. Matsumura, T. Tsuji, R. Kawasaki and K. Akiyoshi, Sci. Rep., 7, 2064 (2017).
7)Selective extraction of Pt(IV) over Fe(III) from HCl with an amide-containing tertiary amine compound, M. Maeda, H. Narita, C. Tokoro, M. Tanaka, R. Motokawa, H. Shiwaku and T. Yaita, Separ. Purif. Tech., 177, 176-181 (2017).
8)Magnetic Bragg dip and Bragg edge in neutron transmission spectra of typical spin superstructures, H. Mamiya, Y. Oba, N. Terada, N. Watanabe, K. Hiroi, T. Shinohara and K. Oikawa, Sci. Rep., 7, 15516 (2017).
9)Hierarchically Self-Organized Dissipative Structures of Filler Particles in Poly(styrene-ran-butadiene) Rubbers, D. Yamaguchi, T. Yuasa, T. Sone, T. Tominaga, Y. Noda, S. Koizumi and T. Hashimoto, Macromolecules, 50, 7739–7759 (2017).
10)Structural study using polarized protons and polarized neutrons, T. Kumada, Electron Spin Science, 15, 86-91 (2017) (in Japanese).
11)Recent Research in Solvent Extraction of Platinum Group Metals, H. Narita, T. Suzuki and R. Motokawa, J. Japan Inst. Met. Mater. 81, 157-167 (2017) (in Japanese).
12)Neutron Biology for Next Generation, M. Sugiyama, H. Nakagawa, R. Inoue and Y. Kawakita, JAEA-Review, 2017-024, 1-46 (2017).
13)A Chemiluminescence Sensor with Signal Amplification Based on a Self-immolative Reaction for the Detection of Fluoride Ion at Low Concentrations, S. Hisamatsu, S. Suzuki, S. Kohmoto, K. Kishikawa, Y. Yamamoto, R. Motokawa and T. Yaita, Tetrahedron, 73, 3993-3998 (2017).

Patent

14)14) R. Taniguchi, R. Motokawa and H. Narita, “Collection of precious metals and its recovery method using copolymers”, R. Taniguchi, R. Motokawa and H. Narita, Japanese Patent Application 2017-247106 (2017.12.24).

FY2016

1)Neutron polarization analysis for biphasic solvent extraction systems, R. Motokawa, H. Endo, M. Nagao and W. T. Heller, Solvent Extr. Ion Exch., 34, 399-406 (2016).
2)Comparative molecular dynamic study on tri-n-butyl phosphate in organic and aqueous environments and its relevance to nuclear extraction processes, J. Mu, R. Motokawa, C. D. Williams, K. Akutsu, S. Nishitsuji and A. J. Masters, J. Phys. Chem. B, 120, 5183-5193 (2016).
3)Small-angle neutron scattering study of specific interaction and coordination structure formed by mono-acetyl substituted dibenzo-20-crown-6-ether and cesium ions, R. Motokawa, T. Kobayashi, H. Endo, T. Ikeda, T. Yaita, S. Suzuki, H. Narita, K. Akutsu and W. T. Heller, J. Nucl. Sci. Technol., 53, 1205-1211 (2016).
4)Nanoscopic structural investigation of physically cross-linked nanogels formed from self-associating polymers, Y. Sekine, H. Endo, H. Iwase, S. Takeda, S. Mukai, H. Fukazawa, K. C. Littrell, Y. Sasaki and K. Akiyoshi, J. Phys. Chem. B, 120, 11996-12002 (2016).
5)Plasma-mirror frequency-resolved optical gating for simultaneous retrieval of a chirped vacuum-ultraviolet waveform and time-dependent reflectivity, R. Itakura, T. Kumada, M. Nakano and H. Akagi, High-Power Laser Science and Engineering, 4, e18 (2016).
6)Contrast variation by dynamic nuclear polarization and time-of-flight small-angle neutron scattering. I. Application to industrial multi-component nanocomposites, Y. Noda, S. Koizumi, T. Masui, R. Mashita, H. Kishimoto, D. Yamaguchi, T. Kumada, S. Takata, K. Ohishi and J. Suzuki, J. Appl. Cryst., 49, 2036-2045 (2016).
7)Photonic crystals fabricated by block copolymerization-induced microphase separation, R. Motokawa, T. Taniguchi, T. Kumada, Y. Iida, S. Aoyagi, Y. Sasaki, M. Kohri and K. Kishikawa, Macromolecules, 49, 6041-6049 (2016).
8)Recent research in solvent extraction of platinum group metals, H. Narita, T. Suzuki and R. Motokawa, J. Jpn. I. Met., 81, 157-167 (2017) (Review) (in Japanese).
9)Basic and applied life science extended by neutron, H. Nakagawa and M. Kataoka, J. Particle Accelerator Society of Japan, 13, 214-219 (2017) (Review) (in Japanese).
10)Inelastic and quasi-elastic neutron scattering spectrometers in J-PARC, H. Seto, S. Itoh, T. Yokoo, H. Endo, K. Nakajima, K. Shibata, R. Kajimoto, S. Ohira-Kawamura, M. Nakamura, Y. Kawakita, H. Nakagawa and T. Yamada, Biochim. Biophys. Acta, 1861, 3651-3660 (2017).

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