ガラス材料の微視的サイト評価に向けた固体...

12
1.はじめに 化 学 分 析 分 野 で 高 分 解 能 NMR(Nulcear Magnetic Resonance)測定が一般的になって 久しい。化合物の反応過程の確認,合成物・天 然物の分子構造決定と定量,不純物の同定など に対して,固体・溶液,低分子・高分子を問わ ず,NMR は威力を発揮してきた。粘性の高い 液体や流動性のある半固体もまた NMR の測定 対象であり,さらに固体 NMR では結晶だけで なく非結晶物質(アモルファス)も直接的に測 定できることが NMR の大きな特長となってい る。測定手法としての NMR は,通常の次元 測定に留まらず, 次元, 次元といった多次 元NMR法が開発され,日常的に使われている。 しかしながら,この強力な NMR 分析技術を 材料科学の分野に持ち込もうとすると,さまざ まなハードルが待ち構えている。NMR分析 は,測定対象を有機物かつ溶液(適切な溶媒に 可溶な物質)とした場合,最大の威力を発揮す る。これに対して,材料科学の扱う物質は主と して無機物であり,不溶・不融の物質または溶 解・融解によって注目している構造・物性が失 われる物質がほとんどである。このため,材料 科学は NMR にとって「最後のフロンティア」 となっている。 材料としてのガラス物質は,言うまでもな く,材料科学における一大分野であり,材料研 究者および NMR 研究者が協力して挑むべき研 究対象である。本稿では,NMR研究者側からの アプローチとして,ガラス材料に対する固体 29 Si NMR を例に,固体 NMR とはいったい何者か, 何をどこまで明らかにするのか,紹介したい。 また,すでに固体 NMR を導入している材料研 究者にも,実際面での「問題」を共有した上で, NMR 研究者側がすでに克服している「解答」 を示す。最後に,最新の情報として,有用と思 われる先進的な測定法のいくつかを説明する。 JEOL RESONANCE IncToshihito Nakai Solid-state 29 Si NMR for Evaluating Microscopic Sites of Glass Materials : 29 Si Measurements in Multinuclear NMRMost Efficient MeasurementsQuantitative MeasurementsAdvanced Measurements 中井 利仁 (株) JEOL RESONANCE ガラス材料の微視的サイト評価に向けた固体 29 Si NMR: 多核 NMR,最大効率測定,定量測定,先進的測定 ガラスと融液の評価技術 196 8558 東京都昭島市武蔵野TEL 042 542 2236 FAX 042 544 1955 Email : tnakai@jeol. co. jp 17

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  • NMRNulcearMagnetic ResonanceNMRNMRNMRNMRNMRNMRNMR

    NMRNMR

    NMRNMRSiNMRNMRNMRNMR

    JEOL RESONANCE IncToshihito Nakai

    Solid-state 29Si NMR for Evaluating Microscopic Sites of Glass Materials :29Si Measurements in Multinuclear NMRMost Efficient Measurements

    Quantitative MeasurementsAdvanced Measurements

    JEOL RESONANCE

    Si NMR: NMR

    TEL FAX Email : tnakai@jeolcojp

  • Q1 Q2

    Q3 Q4

    Na 2O

    -O

    Si

    Si

    OSi

    O

    +Na

    Si

    Si

    O

    Si

    O

    O

    O

    -O

    SiO

    SiO O

    O

    O

    O

    -O

    O

    NMRSi

    SiIV SiOBONa

    NMRMaekawa sodium silicate glassNaOSiNMRSi Maekawa

    SiOQQdeconvolutionNaQQNa SiOSi NMRNMRSi

    Reprinted from TNanba et alGeochimCosmochimActawith permission from Elsevier

    Si NMRReprinted from HMaekawa et alJNon-CrystSolidswith permis-sion from Elsevier

    NEW GLASS Vol No

  • Si|O|

    ROSiOR|R

    Si|O|

    ROSiOSi|R

    Si|O|

    SiOSiOSi|R

    R|O|

    ROSiOR|R

    R|O|

    ROSiOR|O|R

    Si|O|

    ROSiOR|O|R

    Si|O|

    ROSiOSi|O|R

    Si|O|

    SiOSiOSi|O|R

    Si|O|

    SiOSiOSi|O|Si

    R|O|

    RSiR|R

    Si|O|

    RSiR|R

    Annotation of All Species of Si(IV) - O Tetrahedral Units with the Second Neighboring -Si / R

    R|O|

    RSiOR|R

    Si|O|

    RSiOR|R

    Si|O|

    RSiOSi|R

    M0 : O1, O-Si0 M1 : O1, O-Si1

    D0 : O2, O-Si0 D1 : O2, O-Si1 D2 : O2, O-Si2

    T0 : O3, O-Si0 T1 : O3, O-Si1 T2 : O3, O-Si2 T3 : O3, O-Si3

    Q0 : O4, O-Si0 Q1 : O4, O-Si1 Q2 : O4, O-Si2 Q3 : O4, O-Si3 Q4 : O4, O-Si4

    TMS : O0, O-Si0

    |RSiR

    |R

    R

    R = CH3

    0 50 100 ppm

    T3

    T2

    T1

    T0

    Q4

    Q3 Q2 Q1

    Q0

    D2 D1

    D0

    M 1 M 0

    TMS

    Si Annotation Si NMRNMR

    NMRSi

    HC NMRSi

    SiIVAnnotation

    SiIV

    NEW GLASS Vol No

  • OCa NMRSi Na NMR

    Spin Quantum Number

    NMRXIXIX IXIX

    C NMRNMRB Al

    NMRNMRLi B NMRSiB Al

    NMRNMR FrequencyGyromagnetic RatioNMR

    NMRNMR gyromagnetic ra-tioS/NNMRlow-NMRNMR

    Li Pb NMROMgTi TNMRTNMRlow- NMRNMR

    NMRNMRNMRNMRlow- NMRNMR

    Si NMR

    NEW GLASS Vol No

  • Normalizedto 13CRc (X)

    Normalizedto 29SiRSi (X)

    [ppm][kHz]

    at 11.75 Tat 24.20 T

    4.69(4.683 - 4.70) (r(29Si-1H) = 1.74 )

    99.99(99.985 -99.989) (r(1H-1H) = 1.78 )

    7.5(7.42 - 7.59)

    92.5(92.41 - 92.5)

    19.7(19.58 - 19.9)

    80.1

    1.11(1.107 - 1.110) (r(13C-1H) = 1.09 )

    99.63(99.630 - 99.632)

    0.038(0.037 - 0.038)

    100

    10.1(10.0 - 10.13)

    100

    0.135

    7.4(7.28 - 7.44)

    5.5(5.41 - 5.51)

    22.8(22.6 - 22.92) (r(207Pb-1H) = 1.88 )

    (1H) = 2.675 222 005 ( 0.000 000 063) x 108 [rad/s 1/T] (13C) = 0.672 828 410 x 108 [rad/s 1/T] RA(X) = ( Nabd(X) / Nabd(A) ) | (X) / (A) | 3 D(1H-1H) = (0 / 4) (h2 (1H) 2 / r(1H-1H) 3 ) [kHz/3]* h = 6.626 075 5 [Js] = h/2 [(J s) /rad] = 120.120 3 [kHz/3] (for r(

    1H-1H) = 1)0 = 4 x 10-7 [H/m] 0 / 4 = 10-7 [H/(mrad)] D(X-1H) = (0 / 4) (h2 X) 1H) / r(X-1H) 3 [kHz/3]

    SpinQuantumNumber

    I (X)

    Nucleus(Isotope)

    X

    Receptivity(Relative Sensitivity)

    Chemical ShiftAnisotropy (X)

    (for Spin-1/2 Nuclei)Magnetic Dipolar

    Interaction with 1HD (X-1H) [kHz/ 3]

    (for Spin-1/2 Nuclei)

    NaturalAbundanceNabd (X) [%]

    NMRFrequencyat 24.20 T(X) [MHz]

    NMRFrequencyat 11.75 T0 (X) [MHz]

    GyromagneticRatio

    (X) (= )[MHz/T]

    X

    Everybodys Playmate

    X

    Cinderella Nucleus

    X

    Sleeping Beauty

    X

    Good Worker

    Legend of Nucleus

    Spin Quantum Number NMR Frequency Legend of Nucleus Properties

    Dipolar Interaction Chemical Shift Anisotropy

    X 1/2 Half-integer Integer

    > 300 MHz 100 300 50 100 0 50

    X

    No Problem Can Decouple Challenging

    X No Problem Easy Spin-away Can Spin-away Untractable

    X

    > 80 % 10 80 1 10 0 1

    X

    Natural Abundance Receptivity High Moderate Low

    X

    Si NMR

    NEW GLASS Vol No

  • Si Si C NMR

    Natural AbundanceNMR

    ONMRONMROSi

    ReceptivityReceptivityRAXA AX XXA

    RAXXANabdXNabdAIXIXIAIAC NMRC RCXXC Si Si NMRC NMR

    HMagnetic Dipolar InteractionNMR

    NMRH

    HNMRHHC 1H-1H HHHHH

    Si NMRH

    Chemical Shift Ani-sotropyNMR

    NMRCppmSi ppmMagic Angle

    SpinningMASHzTC kHzSi kHz

    NEW GLASS Vol No

  • abun

    danc

    e0

    10.0

    20.0

    30.0

    40.0

    X : parts per Million : Silicon290 -100.0

    S/N = 59

    Exp. time: 4.5 h

    Rep. time: 120 s

    Number of scans: 128

    abun

    danc

    e0

    1.0

    2.0

    3.0

    4.0

    5.0

    6.0

    7.0

    8.0

    9.0

    10.0

    11.0

    12.0

    13.0

    14.0

    15.0

    16.0

    17.0

    X : parts per Million : Silicon290 -100.0

    S/N = 128

    Exp. time: 9 h

    Nunmber of scans: 400

    Rep. time : 80 s = 1.2564 * T1_max(63 s)

    abun

    danc

    e0

    1.0

    2.0

    3.0

    4.0

    5.0

    6.0

    7.0

    8.0

    9.0

    10.0

    11.0

    12.0

    13.0

    14.0

    15.0

    16.0

    17.0

    X : parts per Million : Silicon290 -100.0

    S/N = 142

    Exp. time: 34h

    Number of scans: 400

    Rep. time: 300 s = 5 * T1_max(63 s)

    a b c

    SiNMR

    NMRSi NMRaSi NMR

    T S/NNMRSiNMR

    mm

    mmSi NMRS/Namm

    NMRa

    NEW GLASS Vol No

  • NMRNMRNMRNMRS/NSi NMR

    TSiTT S/NT S/N

    S/NT

    TT S/NTTTSi

    aSi NMRss doubleexponential Si TTSi

    ssS/NbaS/NS/N S/N

    x Sx TSi

    NEW GLASS Vol No

  • TTT x

    cos =e-xxoptx Ernst xopt Sx Sx Sx

    xSx

    S/NNMR Si sTSisSiTSisNMRT

    T

    cssbssNMR

    S/NmmSi NMR

    PASS

    NMRHzSSB : Spinning Side-bandSSB SSBNMR

    kHz SSBNMR

    SSBPASSPhase-Adjusted Spinning Sideband

    NEW GLASS Vol No

  • PASS

    PASS SSBshearingSSBSSB PASS

    Si NMRQQPASSSi NMR

    NMR Pb PASS SSBTOSSTOtal Spinning SidebandSSBPb

    CPMGCPMGDQMAS

    Si NMR

    Si PASS

    PASS Si NMR

    PASS Pb PASS

    NEW GLASS Vol No

  • X : parts per Million : Silicon29-106.0-107.0 -108.0 -109.0 -110.0 -111.0 -112.0 -113.0 -114.0 -115.0 -116.0 -117.0 -118.0 -119.0 -120.0 -121.0-122.0

    :p

    arts

    perM

    illio

    n:S

    ilico

    n29

    -220

    .0-2

    30.0

    -240

    .0 2D DQMAS

    X : parts per Million : Silicon29-10.0-20.0 -30.0 -40.0 -50.0 -60.0 -70.0 -80.0 -90.0 -100.0 -110.0 -120.0 -130.0 -140.0 -150.0 -160.0 -170.0 -180.0

    1D DQMAS

    1D DQMASwith CPMG

    SNR = 7

    SNR = 40

    5.71 time S/N,1/33 time saving !

    X : parts per Million : Silicon29-50.0 -60.0 -70.0 -80.0 -90.0 -100.0 -110.0 -120.0 -130.0 -140.0 -150.0 -160.0 -170.0

    0[s]

    29Si CPMAS with CPMG detection(48 echoes per scan are detected)

    4 scansSNR: 16

    4 scans

    SNR: 92

    5.75 time S/N,1/33 time saving !

    CPMGCarrPur-cellMeiboomGillNMRNMR S/NSi

    NMR S/N

    CPMG

    NMR INADEQUATEDQMASSi connectivity

    CPMG

    CPMGSi NMR

    Si CPMGDQMAS

    NEW GLASS Vol No

  • NMRNMRNMR

    TNanbaMNishimuraand YMiuraGeochimCosmochimActa

    HMaekawaTMaekawaKKawamuraand TYokokawaJNon-CrystSolids

    RKHarris and BEMannNMR and the Peri-odic TableAcademic Press

    PLaszloNMR of Newly Accesible NucleiAcadmic Press

    RFreemanA Handbook of Nuclear MagneticResonancend EditionAdison Wesley LongmanLtd

    KDMacKenzie and MESmithMultinuclearSolidstate NMR of Inorganic MaterialsFergamonNMR

    TNakaiRecent Progress in High-field Low-gamma Solid-state NMR and Its Applications toCatalysts and BiomoleculesA series of invited lec-tures in National Sun Yat-sen UniversityNationalChung Cheng Universityand National Taiwan Uni-versityJune

    NMRDCApperleyRKHarrisand PHodgkinsonSolid-state NMR : Basic Principles & PracticeMo-mentum Press

    RRErnstGBodenhausenand AWokaunPrinciples of Nuclear Magnetic Resonance in Oneand Two DimensionsClarendon PressNMR

    WTDixonJMagnReson.,ONAntzukinSCShekarand MHLevittA

    ONAntzukinProgNuclMagnReson.,

    WTDixonJChemPhys.,HYCarr and EMPurcellPhysRev.,

    SMeiboom and DGillRevSciInstrum.,

    FHLarsenHJJakobsenPDEllisand NCNielsenJMagnReson.,

    FHLarsen and IFarnanChemPhysLett.,

    SSHouFLBeyerand KSchmidt-RohrSolidstate NuclMagnReson.,

    JWWienchVS-YLinand MPruskiJMagnReson.,

    ABaxRFreemanand SPKempsellJAmChemSoc.,

    NEW GLASS Vol No