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高分子の相転移エネルギーを直接電気に変換 高分子の相転移エネルギーを 直接電気に変換 周 泓遥（化学専攻 特任助教） 山田 鉄兵（化学専攻 教授）   熱力学で習うギブス（Gibbs）エネルギーは，有用な仕事に変換できる「自由なエネルギー」と関連する。石油と酸素からCO2と水を作る際のGibbsエネルギー変化（燃焼熱）を用いてタービンを回せば電力が得られる。燃料電池は，この反応エネルギーを直接電力に変換できる。では，どんな種類の自由エネルギーを直接電力に変換できるだろうか。氷の融解エネルギーはどうか。われわれは，ある種の相転移エネルギーを直接電力に変換できることを世界で初めて実証した。 電力は便利なエネルギーであり，なるべくCO2を出さずに電力を作る必要がある。太陽光発電や地熱発電，潮汐発電，廃熱などの再生可能エネルギーを利用した発電は21世紀の重要課題である。熱を電気に変換する技術としては，半導体を用いた方法に加えて，近年では酸化還元反応を利用した熱化学電池に関する研究も注目を集めつつある。 熱化学電池は酸化還元反応を用いた熱電変換システムである。溶液中に酸化還元反応を示す物質を溶解しておくと，酸化体と還元体がお互いに電子をやり取りする平衡が生じる。この平衡は他の平衡と同様にさまざまな条件の変化により移動し，温度によっても平衡移動が起こる。そのため，一つの溶液に温度差をつけ，それぞれに電極を挿入すると，低温側と高温側で平衡が移動し，電極に一方向の電流が生じる。これが熱化学電池の原理である。われわれはこの熱化学電池のシステムが，エネルギー変換の基盤として利用できると考えた。それを実証するために高分子の相転移を利用した。 図（a）に示した高分子は，30 ℃以下ではらせん状のひも構造（コイル構造）になり，それ以上の温度では丸まった構造（グロビュール構造）になるという相転移を示す。コイル構造では親水的になり，分子が水中でばらばらになるのに対し，グロビュール構造では疎水的になり，高分子同士が集まる凝集状態になる。これは一種の相転移とみなすことができ，氷が水になるのと同様に，吸熱する。 私たちはこの高分子に，酸化還元できる部位を導入した。すると，この分子は酸化すると電荷が大きく，より親水性になるためにコイルになり，また還元すると逆にグロビュールになる。つまり電気的にコイル−グロビュール相転移ができる化合物を作成した。このコイル−グロビュール転移にともなって酸化側で発熱，還元側で冷却するはずである。実際に電気を流すと冷却効果が観測された（ｃ）。これは新しい仕組みによる電子冷却素子であるといえる。 （a）PNVの模式図。主鎖のポリマーがコイル・グロビュール転移を示し，側鎖のビオロゲン部位が酸化還元能を示す。（b）コイル・グロビュール転移の模式図。（c）外部電流によりPNVが還元されると高分子が丸まり，熱を吸収する。コイル・グロビュール転移がおきない25 ℃では熱の吸収が見られない。またビオロゲン部位のみでコイル・グロビュール転移を示さないDPVは，48 ℃で酸化還元を行っても熱の吸収はほとんど見られない（d）外部の温度差により，高温側で丸まり還元，低温側で伸びて酸化がおき，発電できる   さらに，この化合物に温度差を与えると，低温ではコイル状態が安定な酸化状態が，高温側ではグロビュール状態が安定な還元状態になる。これにより熱電変換の電圧（正確には単位温度差あたりの電圧変化，ゼーベック係数）が得られる（ｄ）。この発電で得られる単位温度差あたりの電圧（V／Ｋ）は，酸化還元反応によって相転移する際の電荷あたりの相転移潜熱のエントロピー変化（Ｊ／Ｋ／Ｃ）とほぼ一致することも明らかになった。このことは，相転移により生じるギブスエネルギー変化を直接電気エネルギーに変換することに成功したことを意味する。つまり，われわれは，相転移のギブスエネルギーを電気エネルギーに変化する新しい方法を開拓することに成功したといえる。この現象は，高分子のコイル−グロビュール転移に限らず，酸化還元反応によって変化するあらゆる自由エネルギーに適用できると期待される。 本研究は，T. Yamada et al., Advanced Materials, 35, 2303341 (2023）に掲載された。     （2023年7月18日プレスリリース） 理学部ニュース2023年11月号掲載   学部生に伝える研究最前線>   News Press Releases 2024年 2023年 2022年 2021年 News 受賞・表彰 2024年 2023年 2022年 2021年 総長賞・学修奨励賞・研究奨励賞 受賞者一覧 お知らせ Features 理学部ニュース トピックス 2024年 2023年 2022年 2021年 理学エッセイ 理学のタマゴ 理学のススメ 未来へのとびら 理学の研究者図鑑 理学の謎 １+１から∞の理学 学部生に伝える研究最前線 理学の本棚 学生支援室よりみなさんへ・男女共同参画委員会よりみなさんへ 温故知新 英語で伝える科学 理学部見聞録 リガクル YouTubeチャンネル Events 理学部公開講演会 オープンキャンパス 高校生講座 女子中高生イベント 東京大学理学部ホームカミングデイ サイエンスカフェ 臨海実験所 植物園本園・分園 木曽観測所 過去に開催したイベント イベント通知メールの登録 サイエンスギャラリー イメージバンク 全て 建物 人 歴史 設備 教育 研究 物理学専攻 天文学専攻 地球惑星科学専攻 化学専攻 生物化学専攻 生物科学専攻 臨海実験所 植物園 地殻化学実験施設 天文学教育研究センター 数理科学研究科 学務からのお知らせ News Press Releases News 受賞・表彰 お知らせ Features 理学部ニュース リガクル YouTube Events サイエンスギャラリー イメージバンク 理学系について 研究科長からのご挨拶 憲章 組織 機構図・役職 窓口一覧(学内限定) 研究者 共有施設 理学図書館 小柴ホール・共通講義室 歴史 ロゴ 理学部概要・パンフレット 会議資料 教授会議事録 会議資料サイト(学内限定) 研究 最新の研究成果 専攻紹介 附属施設紹介 素粒子物理国際研究センター 研究倫理 入学案内 学部 アドミッションポリシー 学士入学 GSC 学部研究生 学部聴講生 奨学金 大学院 --> 大学院 アドミッションポリシー 修士課程 博士課程 GSGC 外国人特別選考 外国人研究生 大学院研究生 特別聴講学生 奨学金 教育 学部教育 お知らせ 学科紹介 カリキュラム・ディプロマポリシー 教育プログラム 科目ナンバリング 授業評価アンケート 大学院教育 お知らせ 専攻紹介 カリキュラム・ディプロマポリシー 教育プログラム 産学連携プラットフォーム 科目ナンバリング 国際 ダブルディグリープログラム 受入れプログラム 学生の声 UTRIP GSC GSGC その他プログラム 派遣プログラム 学生の声 SVAP UGRASP GRASP その他プログラム 支援 奨学金・経済的支援 就職情報・キャリア支援 キャンパスライフ 保健センター 学生支援室 育児支援室・休養室 ハラスメント相談体制 ダイバーシティ＆インクルージョン 男女共同参画室 バリアフリー支援室 国際支援 留学生 外国人研究者・教員 在学生向け留学情報 研究者の海外派遣情報 グローバル化支援(学内) ETHZとの戦略的パートナーシップ(SPUR) 研究科支援 研究支援総括室 情報システムチーム 技術部 広報室 環境と安全 環境安全管理室 放射線管理室 研究資金 卒業生・修了生 同窓会 各種証明書交付申請のご案内 寄付のご案内 基金紹介 寄付金の活用事例 寄付者からのコメント 社会貢献 --> 社会貢献 公募 アクセス お問い合わせ 撮影・取材について ポリシー サイトマップ facebook twitter YouTube instagram spotify © 2024 東京大学 大学院理学系研究科 広報委員会 ↑