機能界面設計工学特論

粘土分散液と金属表面が作り出す不思議な現象

山形大学  大学院理工学研究科(工学系)  化学・バイオ工学科 
山形大学  情報ネットワークセンター  伊藤智博

要旨

粘土分散液をSUSやアルミニウム板に挟み、乾燥すると2つの電極間に電気を貯める性質に出会う。この性質を探索する過程で、粘土分散液に、金属表面に粘土分散液が凝集し、粘土の層のようなものが見つかる。電気エネルギーを加えることで、粘土分散液は、層が発現したり、冷却したりと不思議な現象が見られ、工業製品への可能性が広がる。

自己紹介

ESRと実験装置の開発

植物などをその場で、測定したい。フィールドワークで測定できる小型なESR装置がほしい。 1000kgを超える実験装置を60kgまで軽くした。 半導体の発達による電源などを自作して無駄な機能を排除し、小型軽量化を図った。さらに、ノートパソコンにプログラムを書いて、測定制御を自動化した。

装置の開発を並行して、インターネットのサーバに、データを収集することを試みていた。当時のネットワークで貧弱で、停止しやすい


山形大学のネットワークの設計業務

山形大学のバックボーンネットワーク

認証連携(学認)

認証フェデレーション(学認)はNIIとも連携して活動しております.

山形大学のバックボーンネットワーク

IoTデバイスとの出会い

インターネットから物を監視できないかなぁ。(Ref:IoTを用いた子育て支援 -ベッドメリーの電池がなくなる前に教えてくる-)


ビッグデータから情報を取り出すAI

105 AI実習システム
©Copyright Tomohiro Ito, Tomohiro Ito all rights reserved.

粘土分散液との出会い

クニミネ工業の黒坂さん、土屋さんが研究室を訪問。先輩でした。


あれあれ、粘土って電気ためるの?

粘土分散液をSUSやアルミニウム板に挟み、乾燥すると2つの電極間に電気を貯める。5個直列に繋いで、充電すると、LEDが0.5秒ぐらい点灯するぞ!


なぜに?ー粘土の秘密何よー



変更観察

通電すると膜ができる

  35 田邉-伊藤層50のゲル化の観察結果

3.3.1通電時の温度変化

図に測定時間ごとの温度変化を示す.⑤はウォータバス内の温度なので33℃で一定だった.①は始め30℃だったが400秒で1℃上がった.その後は実験終了時までに温度が緩やかに低下して最終的に30.8℃となった.②が一番温度低下が確認された.実験開始時は31.5℃だったが400秒で31.1℃となった.その後実験終了までに緩やかに温度が低下していって最終的に30.8℃だった.③は始め32℃だったが400秒後には32.2℃になった.その後3000秒後までに0.1度上がって32.3℃となり,その後温度は低下して実験終了時の4200秒後には31.6℃となった.④は始め32.6℃でしたが400秒後には32.9℃になった.その後は緩やかに温度が上昇していて3000秒後には32.8℃だった.最終的には32.6℃となり始めの温度と同じだった.

電極から離れた場所のsスチーブンサイト2wt%/水分散液ほど温度低下が起こりずらくなった.温度は低下し続けることはなく,ある一定の温度となったらその温度を保つような挙動だった.

  1 測定時間ごとの温度変化

図にサーモグラフィーでの温度変化の観察を示す.サーモグラフィーでも同様に温度の低下が観察された.測定開始時は31.4 度だったのが70分後は30.7 ℃になった.0.7 ケルビンの温度変化がサーモグラフィーでも観察された.

  2 サーモグラフィーでの温度変化の観察

図に実験終了時の電極の写真を示す.右がアノードで左がカソードとなっている.最終的な通電による粘土/水分散液の相変化はアノード,カソード両極とも2.5 mm生じた.アノード側はゲル化しており最初のスチーブンサイト2wt%/水分散液より粘性が増していた.カソード側では粘土/水分散液がさらさらになり水っぽくなり粘性が下がっていた.

アノード側はスチーブンサイト2wt%/水分散液が電極のエッジ付近に青くゲル状になってはり付いていた. ゲル化していない部分のスチーブンサイト2wt%/分散液は,色が無色透明で変化はしていなかった.銅電極が電解によって銅イオンが溶出し,溶出部分のみがゲル化した.

電解操作により,アノード電極近傍では粘土/水分散液がゲル化した.カソード電極近傍では,粘性が低下しサラサラになった. 電極から遠い所の粘土分散液とで三つの相が生じた.

  3 サーモグラフィーでの温度変化の観察

番温度変化が大きかった測定点②の温度変化は0分から70分の間のΔT=0.7 K, 粘土/水分散液の密度ρ=1.02 g/cm3,比熱c=3.9 J/(g・K),電極面積A=1 cm2,通電により相変化が起きた粘土/水分散液の厚みt=0.5 cm,電極面積と層の厚みから相変化が起きた粘土/水分散液の体積は0.5 cm3,密度から相変化した粘土/水分散液の質量を求めると0.51 g,求めた質量とΔTを比熱にかけて熱量を求めると1.4 Jとなる.0分と70分の平均温度を求めると304.3 Kとなる.求めた数値を使ってエントロピー変化を求めると 4.6 mJ/Kとなる

図に電界印加によって電極に配向する粘土シートのイメージ図を示す.電界の印加によってラメラ配向して分散している粘土シートが,電極に平行に配向する際に粘土シートが乱れてしまう.さらに電極近傍の配向している粘土シートが増えることでほかの粘土シートの自由度が回復しエントロピーが増加してしまう.電界印加によって熱量効果が起こることで吸熱し温度が低下すると考えられる.

  4 電界印加によって電極に配向する粘土シートのイメージ図

金属表面の変化

機器分析(XPS,SEM)~アルミはどこにいるのよ?


粘土の分子軌道計算できないかなぁ。


参考文献

QRコード