Research Abstract


Thermodynamics on Soluble Carbon Nanotubes: How Do DNA Molecules Replace Surfactants on Carbon Nanotubes?

2012年10月12日 Scientific Reports 2 : 733 doi: 10.1038/srep00733

単層カーボンナノチューブ(SWNT)と分子の相互作用の理解のために、古典的に確立された学問大系である「熱力学」が利用できることを報告する。ここでは、SWNT可溶化によく利用されるコール酸ナトリウムを選び、これで孤立溶解させたSWNTと、長さの異なる一本鎖シトシンオリゴDNA[dCn (n = 4, 5, 6, 7, 8, 10, 15, 20)]との交換反応に対して、熱力学解析が適用できるかどうかを調べた。その結果、カイラリティーの異なる4種類のSWNT[(n,m) = (6,5), (7,5), (10,2), (8,6)]表面上での交換反応の熱力学パラメーター(ΔG、ΔH、ΔS値)を決定することができた。得られた代表的な結果として次の2点が挙げられる。i) dC5の場合は発熱反応であったのに対し、dC6、8、10、15、20の場合は吸熱反応であった。ii) dC4およびdC7の交換反応の熱力学パラメーターはSWNTのカイラル指数に依存し、反応は発熱もしくは吸熱であった。今回提示した方法は、一般的なものであり、ナノチューブと相互作用するあらゆる分子に適用できる。本研究は、可溶化カーボンナノチューブの熱力学解析に道を開いた基礎/基盤的成果である。

加藤 雄一1, 井上 彩花1, 新留 康朗1,2 & 中嶋 直敏1, 2, 3

  1. 九州大学 大学院工学研究院 応用化学部門
  2. 九州大学 カーボンニュートラル・エネルギー国際研究所
  3. 科学技術振興機構 戦略的創造研究推進事業(JST-CREST)
Here we represent thermodynamics on soluble carbon nanotubes that enables deep understanding the interactions between single-walled carbon nanotubes (SWNTs) and molecules. We selected sodium cholate and single-stranded cytosine oligo-DNAs (dCn (n = 4, 5, 6, 7, 8, 10, 15, and 20)), both of which are typical SWNT solubilizers, and successfully determined thermodynamic properties (ΔG, ΔH and ΔS values) for the exchange reactions of sodium cholate on four different chiralities of SWNTs ((n,m) = (6,5), (7,5), (10,2), and (8,6)) for the DNAs. Typical results contain i) the dC5 exhibited an exothermic exchange, whereas the dC6, 8, 10, 15, and 20 materials exhibited endothermic exchanges, and ii) the energetics of the dC4 and dC7 exchanges depended on the associated chiral indices and could be endothermic or exothermic. The presented method is general and is applicable to any molecule that interacts with nanotubes. The study opens a way for science of carbon nanotube thermodynamics.