クーロンの法則が通じない――1nm未満の空間で同じ電荷のイオンが隣り合う現象を観察

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信州大学の金子克美特別特任教授らのグループは2017年9月21日、カーボンのナノ空間で同じ電荷のイオンが隣り合う現象を観察したと発表した。電磁気学の基本法則として知られるクーロンの法則に従うと同じ電荷のイオンは反発し合うはずだが、同法則を破る現象となる。

クーロンの法則では、同じ電荷なら反発する力が働き、隣り合って並ぶことは無い。プラスとプラス、マイナスとマイナスは互いに反発する。逆に、プラスとマイナスの電荷であれば、お互いに引き合う力が働き、隣り合って並ぶ。

金子教授らの実験では、直径1nm未満の細孔空間にイオン液体を満たし、イオン液体の配列をX線散乱によって観察した。すると細孔内では、同じ電荷のイオン液体が隣り合って並び、クーロンの法則に従わない現象が起きた。

同研究グループは、カーボン細孔の壁面上に鏡像電荷が誘起され、イオン液体と壁面上の鏡像電荷が静電相互作用した結果と考察。特に細孔が狭くなるほど、クーロンの法則に従わない傾向が強いとしている。

さらにカーボン細孔に電荷を加えて伝導性を上げたところ、クーロンの法則の破れはより顕著になったという。クーロンの法則に従うのであれば、互いに近づき合う同じ電荷のイオン間には反発するクーロン力が働くはずだが、金子教授らは分子スケールのメカニズムが反発するクーロン力を弱めるように作用しているのではないかと推測している。

共同研究者の米ドレクセル大学のGogotsi博士は、「今回の発見によって、電池やエネルギー貯蔵技術の研究が進むスーパーキャパシタなどへ、イオン液体を利用することが容易になるだろう」と述べている。

なお、この研究成果は「Nature Materials」に論文「Partial breaking of the Coulombic ordering of ionic liquids confined in carbon nanopores」として掲載されている。

関連リンク

金子特別特任教授のグループの研究成果がNature Materialsに掲載され、記者会見を行いました
Just Squeeze In — Drexel Researchers Discover When Spaces Are Tight, Nature Loosens Its Laws
Partial breaking of the Coulombic ordering of ionic liquids confined in carbon nanopores

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