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ナノ多孔質材料は、多孔質構造が存在する通常の有機または無機バルク相で構成されています。ナノ多孔質材料の細孔径は、ナノメートル単位を使用して最も適切に定量化されます。したがって、ナノ多孔質材料の細孔径は通常 100ナノメートル以下です。細孔は開いている場合と閉じている場合があり、細孔の連結性と空隙率は他の多孔質材料と同様に大幅に異なります。開いた細孔は材料の表面に接続する細孔ですが、閉じた細孔はバルク材料内の空隙のポケットです。開いた細孔は、分子分離技術、吸着、および触媒研究に役立ちます。閉じた細孔は、主に断熱材や構造用途に使用されます。[1]
ナノ多孔性材料のほとんどは、バルク材料または膜として分類できます。活性炭とゼオライトはバルクナノ多孔性材料の 2 つの例であり、細胞膜はナノ多孔性膜と考えることができます。[2] 多孔質媒体または多孔質材料は、細孔 (空隙) を含む材料です。材料の骨格部分は、多くの場合「マトリックス」または「フレーム」と呼ばれます。細孔は通常、流体 (液体または気体) で満たされています。
- 天然のナノ多孔質材料は数多く存在しますが、人工材料も製造可能です。その方法の1つは、異なる融点を持つポリマーを組み合わせ、加熱すると1つのポリマーが分解するようにすることです。一定の大きさの孔を持つナノ多孔質材料は、特定の物質のみを通過させ、他の物質を遮断する性質を持っています。[2]
分類
サイズによる分類
ナノマテリアルという用語は、様々な用途を持つ多様な形態の材料を網羅しています。IUPACによれば、多孔質材料は3つのカテゴリーに分類されます。[3]
これらのカテゴリは、孔径が1～100nmであるため、ナノ多孔質材料の従来の定義と矛盾しています。[1]この範囲には、上記のすべての分類が含まれます。ただし、簡潔にするために、科学者はナノ材料という用語を使用し、代わりにそれに関連する直径をリストすることを選択しています。[1]
マイクロポーラス材料とメソポーラス材料は、これらの材料の細孔サイズによって異なる用途が可能になるため、別の材料クラスとして区別されています。紛らわしいことに、マイクロポーラスという用語は、一般的に単にナノポーラスと呼ばれる材料よりも小さな細孔サイズを持つ材料を説明するために使用されます。より正確には、マイクロポーラス材料は、ナノポーラス材料のサブセット、つまり2 nm未満の細孔径を示す材料として理解するのが適切です。[6]分子の長さスケールの細孔径を持つこのような材料は、ろ過膜や分離膜などの分子選択性を必要とする用途を可能にします。メソポーラス材料は、一般に平均細孔径が2〜50 nmの範囲にある材料を指し、表面積と体積の比が高いため、 触媒担持材料や吸着剤として興味深いものです。
多孔質材料には様々な直径のものがあるため、サイズによる分類が困難な場合があります。たとえば、微多孔質材料には、粒子がランダムに詰まっているため、直径2～50 nmの細孔がいくつかある場合があります。[3]細孔サイズで分類する場合は、これらの詳細を考慮する必要があります。
ネットワーク材質による分類
ナノ多孔質材料は、サイズによる分類に加えて、有機ネットワーク材料と無機ネットワーク材料にさらに分類できます。[3]ネットワーク材料は、細孔を「ホスト」する構造であり、媒体（ガスまたは液体）が基板と相互作用する場所です。[3]無機ナノ多孔質膜は多数ありますが、安定性の問題により有機ナノ多孔質膜はほとんどありません。[7]
オーガニック
有機ナノ多孔質材料は、ホウ素、炭素、窒素、酸素などの元素から作られたポリマーです。[8]これらの材料は通常はマイクロポーラスですが、メソポーラス/マイクロポーラス構造も存在します。[8]これらには、共有結合有機フレームワーク (COF)、共有結合トリアジンフレームワーク、固有マイクロポーラスポリマー (PIM)、ハイパー架橋ポリマー (HCP)、共役マイクロポーラスポリマー (CMP) が含まれます。[8]これらはそれぞれ構造と製造手順が異なります。一般に、有機ナノポーラス材料を作成するには、2つ以上の分岐 (つまり共有結合) を持つモノマーを溶媒に溶解します。追加のモノマーが追加され、重合が起こった後、溶媒が除去され、残った構造がナノポーラス材料と見なされます。[8]
有機ナノ多孔質材料は、さらに結晶性ネットワークと非晶質ネットワークに分類できます。 [8]結晶性ネットワークは、明確に定義された細孔サイズを持つ材料です。細孔サイズは非常に明確に定義されているため、モノマーを変更するだけで、異なる細孔サイズを得ることができます。[8] COF は、このような結晶構造の例です。対照的に、非晶質ナノ多孔質材料は、細孔サイズの分布を持ち、通常は無秩序です。例として PIM があります。両方のカテゴリは、ガス吸着や触媒反応でさまざまな用途に使用されています。[8]
無機
無機ナノ多孔質材料は、酸化物型、炭素、二元系、純金属材料を使用した多孔質材料です。例としては、ゼオライト、ナノ多孔質アルミナ、チタニアナノチューブなどがあります。[3]ゼオライトは結晶性水和テクトアルミノケイ酸塩です。この材料は、アルカリ/アルカリ土類金属、アルミナ、シリカ水和物の組み合わせです。これらはイオン交換床[9]や浄水に使用されます。[10]ナノ多孔質アルミナは、さまざまな歯科用および整形外科用インプラントで広く使用されている生体適合性材料です。[11]チタニアナノチューブも整形外科で使用されていますが、酸素にさらされると酸化チタン層を形成できるという点で特殊です。[12]材料の表面は酸化物で保護されているため、この材料は優れた生体適合性と驚異的な機械的強度を備えています。[12]
アプリケーション
ガス貯蔵/センシング
ガス貯蔵は、エネルギー、医療、環境用途にとって極めて重要です。ナノ多孔質材料は、吸着によるユニークなガス貯蔵方法を可能にします。[13]基質とガスが相互作用すると、ガス分子はナノ多孔質材料に物理吸着するか共有結合することができ、これはそれぞれ物理的貯蔵と化学的貯蔵として知られています。[14]ガスはボトルなどのバルク相で貯蔵できますが、ナノ多孔質材料はより高い貯蔵密度を可能にし、エネルギー用途に魅力的です。[13]
この応用の一例は水素貯蔵である。気候変動の始まりとともに、ゼロエミッション車、特に燃料電池電気自動車への関心が高まっている。[15]多孔質材料を使用して高密度で水素を貯蔵することにより、電気自動車の走行距離を延ばすことができる。[13]
ナノ多孔質材料のもう一つの用途は、ガスセンサーの基板としての使用です。例えば、多孔質金属の電気抵抗率を測定すると、ガス状の分析対象種の正確な濃度が得られます。[1]基板の抵抗率は多孔質媒体の表面積に比例するため、ナノ多孔質材料を使用すると、バルクの材料よりも微量ガス種の検出感度が高くなります。これは、ナノ多孔質材料が上面から見た表面積に対して正規化された有効表面積が大きいため、特に有用です。
生物学的応用
ナノポーラス材料は生物学的用途にも使用されています。生物学的用途における酵素触媒反応は、代謝や巨大分子の処理に広く利用されています。ナノポーラス材料は、酵素を多孔質基板に埋め込む機会を提供し、長期インプラントの反応寿命を延ばします。[1]もう1つの用途は、DNAシーケンシングです。絶縁材料に無機ナノポーラス膜をコーティングすることで、ナノポアを単一分子分析に利用できます。これらのナノポアにDNAを通すことで、4つのヌクレオチドの1つと相関関係にあるポアを通るイオン電流を読み取ることができます。[16]
参考文献
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