主要成果
ライス大学の研究チームは、高密度ポリマー膜の内部に相互接続されたサブナノメートル（1ナノメートル未満）の細孔ネットワークが存在することを突き止めました。これにより、水、溶媒、ガスなどの物質輸送は、長年信じられてきた濃度勾配による「拡散」ではなく、これらの物理的な経路を通じて行われていると主張しています。本成果は、Frontiers in Membrane Science and Technology誌に掲載されました。
技術・詳細
研究チームは、従来の定説であった「溶液・拡散モデル」の根拠を再検証しました。このモデルでは、膜は特徴のない均質な固体であり、分子がポリマーに溶解して拡散するとされてきました。しかし、チームがNafion 117イオン交換膜を用いて実験を行ったところ、以下の事実が判明しました。
- 膜内部に見られる水分量の勾配は、拡散によるものではなく、水圧による膜の圧縮（コンパクション）という機械的な要因で生じていた。
- 圧力を解放した後も、24時間以上の透過後であれば顕著な空隙率の勾配が残り、脱イオン水に3時間浸漬しても解消されなかった。
- 30から120 barの間で透過圧力をサイクルさせたところ、水透過能に約20%の不可逆的な損失が確認され、構造的な永久変形が裏付けられた。
さらに、陽電子消滅寿命分光法や小角中性子・X線散乱、シンクロトロン放射光を用いた分光法などの多様な分析手法により、高密度とされる膜が実際には動的なサブナノ細孔に満たされていることが示されました。また、分子動力学シミュレーションによって、これらの経路が膜全体にわたって接続されていることがマッピングされています。
背景・業界の文脈
1960年代に誕生した「溶液・拡散モデル」は、当時の測定技術ではポリマーフィルム内部を分子スケールで観察できなかったため、膜を均質な非多孔質媒体と仮定して構築されました。このモデルはシンプルに「溶解度」と「拡散係数」の2つの数値で膜を比較できるため、海水淡水化プラントや化学精製、ガス分離ユニットなどの設計において、60年以上にわたり業界の標準的な理論として採用されてきました。
今後の展望
本研究は、特に液体と蒸気が共存する「浸透気化（pervaporation）」のプロセスに大きな影響を与えます。従来の理論では、液体は膜を透過した後にのみ蒸発するとされていましたが、本研究は膜内部に液体状および蒸気状のドメインが共存し、内部で相転移が起こっている可能性を示唆しています。これにより、分離選択性が膜内部の細孔ネットワーク内でどのように相変化が展開されるかによって決定されるという、新しい視点が提示されました。
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