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Jul 25, 2023

氷河下温度での結晶水和物の脱水

Nature volume 616、pages 288–292 (2023)この記事を引用 13k アクセス数 4 引用数 57 Altmetric Metrics の詳細 水は地球上で最も重要な物質の 1 つです1。 それは遍在しています

Nature volume 616、pages 288–292 (2023)この記事を引用

13,000 アクセス

4 引用

57 オルトメトリック

メトリクスの詳細

水は地球上で最も重要な物質の 1 つです1。 それは固体、液体、蒸気の状態で遍在しており、既知のすべての生物学的システムはその独特の化学的および物理的特性に依存しています。 さらに、多くの物質は水付加物として存在し、その主なものは結晶水和物 (特定の種類の包接化合物) であり、通常、周囲温度以下で水を無期限に保持します 2。 我々は、相対湿度 55% 以上で幅 1 nm のチャネルに水を容易かつ可逆的に吸収する多孔質有機結晶について説明します。 水の取り込み/放出は発色性であるため、広い温度範囲にわたって結晶の水和状態を視覚的に簡単に示すことができます。 X 線回折、光学顕微鏡、示差走査熱量測定、分子シミュレーションの補完的な技術を使用して、ナノ閉じ込められた水は -70 °C 以上で流動状態にあり、低温脱水が起こることを確認しました。 私たちは、大気中の湿気の存在により通常は達成が困難な 0 °C をはるかに下回る温度を含む、広い温度範囲にわたって脱水の反応速度を決定することができました。 この発見により、バルク水の凝固点をはるかに下回る温度範囲で水を捕捉/放出する材料を設計する機会が開かれました。

多くの結晶水和物は、温度、圧力、相対湿度 (RH) の明確に定義された条件下で水を大気と交換できます。 それらは、イオン結合水和物、孤立水和物、チャネル水和物という 3 つの異なるクラスに分類されています 3,4。 チャネル水和物では、ゲスト水分子はホストに対して化学量論的または非化学量論的であり、通常は水素結合した鎖やクラスターを形成し、ナノスケールの細孔と緩やかに結合しているため、周囲とより容易に交換する傾向があります5。

水和と脱水を制御する条件を確立することは、材料科学の重要な側面です。 たとえば、多くの医薬品有効成分は水和物を形成し、周囲との水の自発的交換がその有効性と長期安定性に影響を与えることが知られています6。 さらに、乾燥 7 および大気中の水分回収 8、9、10 のための汎用性の高い新しい材料の継続的な探求には、いくつかの用途固有のパラメーターの微調整が必​​要です。そのうちの重要なパラメーターは、水の放出速度と熱再生のエネルギーコストとのバランスです。 。 したがって、水放出の開始温度Ton、つまり、それを下回ると水の損失速度が実質的にゼロになる閾値温度は、あらゆるハイドレートの重要な重要な特性です11。 Ton を超えると、脱水速度は環境要因、サンプルのコンディショニング、さらには活性化エネルギー Ea、周波数要因、反応順序などの強力なパラメーターによって影響されます 12。 Ton は通常、相対湿度 0%、圧力 1 atm5 の窒素パージガスからなる雰囲気中で、熱重量分析 (TGA) または示差走査熱量分析 (DSC) によって測定されます。 チャネルハイドレートの脱水に関する Ton の値は、20 ～ 200 °C の広い温度範囲にわたって報告されており (補足表 1)、ほとんどの場合、Ton は 60 °C を超えます。 室温で湿度によって水交換が起こる材料では、Ton が室温よりも低いと考えるのが合理的ですが、Ton の準周囲値は一般に報告されていません。 実際、それらの正確な値を確実に決定するのは困難です。 トンは通常、サンプルを加熱することによって記録されますが、大気中に水分が遍在するため、周囲温度以下でサンプルを取り扱う際に水和の程度を制御することが困難になります (「方法」の「熱分析」セクションを参照)。