ニオブ酸化物ナノシート溶液の構造解析

Observation and analysis of the niobate nanosheet solution

山口 大輔; 宮元 展義; 小泉 智; 中戸 晃之*; 橋本 竹治

Yamaguchi, Daisuke; Miyamoto, Nobuyoshi; Koizumi, Satoshi; Nakato, Teruyuki*; Hashimoto, Takeji

層状ニオブ酸化物結晶KNbOを水中に剥離して分散させた状態(このとき剥離した1枚1枚の結晶をナノシートと呼ぶ)を中性子及びX線小角散乱により幅広い波数(q)空間にわたって観察した。KNbOナノシートはシート1枚の厚み(約1.9nm)に対して、辺の長さ(以下平均粒径と記述する)が数100から数1000倍にも達し、その異方的な形状を反映して液晶性を示すことが知られている。このように極端に大きなアスペクト比(シートの平均粒径と厚みの比)は他の粘土鉱物のナノシート等には見られない特徴であり、本研究では、ナノシートのアスペクト比、及び濃度をパラメータとして水分散溶液の凝集構造を系統的に調べた。その結果、これまで液晶相と考えられていた濃度領域でも、溶媒である水はナノシートを均一には膨潤しておらず、水リッチな領域とナノシートリッチな領域が共存し、それらが不均一な構造を形成していることがわかった。この不均一な構造はフラクタル構造となっており、-2.5のべき指数を示した。ナノシートのアスペクト比は液晶を形成しているナノシートの近距離における秩序度には強い影響を及ぼすが、ナノシート液晶相と水リッチ相によって形成されるフラクタル構造にまではその影響が及んでいないことが明らかとなった。

The exfoliated KNbO nanosheets in the aqueous solutions were observed by (ultra-) small-angle neutron and X-ray scattering (SANS, USANS and USAXS). A comprehensive measurement revealed the assembled structure of nanosheets in wide range of q, from 310 nm to 1 nm, where q is the magnitude of scattering vector. The details of liquid crystalline structure formed by [NbO] nanosheets, which was reflected on the scattering at higher q region (310 (nm)), largely depend on the nanosheet lateral dimension or its volume fraction. On the other hand, at lower q region (110 (nm)), the scattering profile shows a power law scattering of which index is -2.5 regardless of the nanosheet lateral dimension or its volume fraction, suggesting that at large scale nanosheets take similar mass fractal distribution.