JP2002515928A - 量子化学によって設計された安定化水ナノクラスター―燃料エマルジョン - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 本発明は、突出した非局在化ｐπ軌道による高い酸素反応性によって特徴づけられる水クラスターを使用した可燃性組成物を提供する。好ましい具体例では、かかる組成物は、非局在化ｐπ軌道と相互作用し且つそれに関与する分子軌道を有する１種以上の表面活性剤を含む。また、本発明は、かかる組成物を設計、製造及び使用する方法も提供する。

Description

【発明の詳細な説明】 量子化学によって設計された安定化水ナノクラスター− 燃料エマルジョン発明の背景 水は、熱伝達から溶媒和及び生物学的反応にわたる範囲のプロセスでのその臨 界的重要性のために、広範囲において研究されてきた。しかしながら、水の顕微 鏡的構造についてはまだ完全には理解されていない。ごく最近になって、複雑な 水の構造を検討するために組織的な研究が始められた（例えば、プグリアノ氏他 のScience 257:1937,1992を参照されたい）。今日まで行われた研究のどれも、 水の構造及び特性について完全な説明をしたものはなく、そのすべては水素結合 能に集中している。従って、水の構造や特性のより正確な理解の発展に対する要 求がなお存続している。その上、実際の用途に対する水の特別な特性を管理する ための機構が要求されている。 水の使用が探索された１つの特定の用途は燃料の燃焼分野にある。過去におい て、水は、燃料中に、ｉ）燃料の易燃性を低下させるために、ii）燃焼温度を低 下させるために、iii）燃焼から生じる粒状放出物を減少させるために、及び／ 又はiv）燃焼から生じるNO_x放出物のレベルを低下させるために分散されてきた （例えば、ドンネリー氏他の１９８５年９月に発行されたＤＯＥ／ＣＳ／５０２ ８６−４、エイ・エル・コンペア氏他によって１９８５年３月発行のコンペア氏 他のＯＲＮＬ ＴＭ−９６０３、グリフィス氏他のＵＳ ＤＯＥ ＯＲＮＬ ＴＭ− １１２４８ ＤＥ８９ ０１７７７９を参照されたい）。しかしながら、市場には 、安定な可燃性水／燃料分散体は全く出現していない。かかる組成物の製造には 幾つかの問題が遭遇していた。従って、向上した燃焼特性を有する安定で安価な 水／燃料組成物に対する要求がなお存続している。発明の概要 本発明は、ある種の分子配置の予測されない特徴を示す水構造の分析を提供す るものである。たいていの従来技術の研究は水中における水素結合の役割に集中 してきたけれども、本発明は、隣接する水分子中の酸素原子と酸素原子との間の 二番目に近い近隣相互作用が水の広範囲特性を決定するのを助けるという発見を 包含する。 本発明によれば、隣接する水分子の酸素は、酸素のｐ軌道の重なりによって互 いに相互作用することができるという発見が提供される。この重なりは、液体水 中の水分子間で広範囲交互作用を取りなす縮重局在化ｐπ軌道を生じる。本発明 によれば、小数の水分子のクラスターにおいて、水分子間の相互作用は、これら の縮重局在化軌道が他の原子又は分子との反応に利用可能になるような態様で構 造表面から突出するところの構造をもたらすことができるという更なる発見が提 供される。それ故に、本発明は、反応性酸素を含有する水クラスターを提供する 。これらの酸素は、燃料の燃焼に寄与することができる。 本発明の好ましい水クラスターは、高度の対称、好ましくは少なくとも五角形 の対称を有する。また、クラスターにおける酸素−酸素振動モードは、外部の電 磁界若しくは音響フィールドの適用によるか、又は動的ジャーン・テーラー（Ｄ ＪＴ）効果の固有作用のどちらかによって誘発されるのが好ましい。周知のよう に、ジャーン・テーラー（ＪＴ）効果は、高度対称構造を対称測定電子振動座標 に沿って捩れ又は変形させる（バースカー氏他の“Vibronic Interactions in M olecules and Crystals”Springer-Verlag，1989）。このとき、破断対称形態に 相当するポテンシャルエネルギーの最低値が現れ、そしてその構造はこれらの最 低値の１つの収まることができる（静的ジャーン・テーラー効果）か、又は関連 する振動座標に沿って振動することによってかかる最低値間の間で振動すること ができる（動的ジャーン・テーラー効果）。 本発明によれば、ある種の水クラスターにおけるＤＪＴ誘発電子振動は、かか るクラスターを包含する化学反応のエネルギー障壁を有意に下げることができる という認識が提供される。具体的に言えば、本発明によれば、エネルギーギャッ プによって多種の未占有分子軌道（ＬＵＭＯ）から分離された多種の完全占有分 子軌道（ＨＯＭＯ）によって特徴づけられる基底状態電子構造を有する水クラス ター（又はその凝集体）は、もしもＨＯＭＯ状態とＬＵＭＯ状態との間で縮重（ 近縮重）が誘発される場合には向上した反応性を有するようにされることができ 、かくして規定の捩れ対称破断及びＤＪＴ−誘発電子振動をもたらすことが教示 されれる。 １つの特定の具体例では、本発明は、これらの反応性水クラスターを含む有用 な組成物を提供する。本発明の好ましい組成物は、水クラスターが例えば燃料中 に分散されたところの可燃性組成物である。ある種の好ましい可燃性組成物は、 燃料中に分散された水クラスターであって、水クラスターの望ましい電子構造に 寄与する能力を得るように選択される１種以上の界面活性剤によって安定化され た水クラスターを含む。好ましい界面活性剤は、局在化ｐπ軌道に１個以上の電 子を供与する。たいていの場合に、これらの好ましい界面活性剤は、酸素に富む 化合物である。特に好ましい界面活性剤は、次の特性のうちの１つ以上を追加的 に有する。即ち、ｉ）それらは、それらが水及び燃料と容易に混合しそして水／ 燃料／表面活性剤エマルジョンが約１年以上の間安定である程の固有の密度及び 混和性属性を有し、ii）それらは、新しい毒性を組成物に（又は、組成物の燃焼 時に環境に）導入することがなく、そしてiii）それらは安価である。更に、本 発明は、かかる可燃性組成物の設計、製造及び使用の各方法を提供する。図面の簡単な説明 図１は、水の分子軌道を表わす図である。 図２は、隣接する水分子の好ましい相対的配列を表わす。図２Ａは、隣接する 分子中の各原子の相対的配列を示す。図２Ｂは、分子軌道の相対的配列を示す。 図３は、３つの水分子の相互作用によって生じるｐπ軌道を表わす。 図４は、４つの水分子の相互作用によって生じるｐπ軌道を表わす。 図５は、五角十二面体水構造の種々の特性を示す。図５Ａは、分子軌道のエネ ルギーレベルを示す。図５Ｂは、計算した振動モードを示す。図５Ｃは、構造に おいて酸素−酸素相互作用と関連する“押し込み”及び“捩れ”振動モードを示 す。 図６は、ジャーン・テーラー捩れ水クラスターのポテンシャルエネルギーウエ ル、及びこれらの水クラスターの反応のためのエネルギー障壁の減少を示す。 図７は、Ａ→Ｂの反応経路を示す。 図８は、五角形の５−分子水クラスターを示す。 図９は、図８に示される５−分子水クラスターの局在化ｐπ軌道のうちの１つ を示す。 図１０は、部分五角形対称を有する１０−分子水クラスターを示す。 図１１は、図１０に示される１０−分子水クラスターの局在化ｐπ軌道のうち の１つを示す。 図１２は、２０−分子五角十二面体水クラスターを示す。 図１３は、パネルＡ〜Ｅにおいて、図１２の２０−分子五角十二面体水クラス ターに関連した異なる局在化ｐπ軌道を示す。 図１４は、五角十二面体水クラスターのｓ−様ＬＵＭＯ分子軌道を示す。 図１５は、五角十二面体水クラスターのｐ−様ＬＵＭＯ分子軌道を示す。 図１６は、五角十二面体水クラスターのｄ−様ＬＵＭＯ分子軌道を示す。 図１７は、水クラスターのｐπ軌道と芳香族煤煙前駆物質の炭素ｐπ軌道との 相互作用を示す。 図１８は、水クラスターのｐπ軌道とセタン（ジーゼル）燃料分子の炭素ｐπ 軌道との相互作用を示す。 図１９は、分子軌道を共有することによって典型的な脂肪酸界面活性剤と相互 作用する水クラスターを示す。 図２０は、図１９に示される水クラスター／界面活性剤系中に中和剤を含める 効果を示す。 図２１は、本発明の水クラスター／燃料エマルジョンの燃焼からの放出物デー タを示す。 図２２は、本発明の水クラスター／燃料エマルジョンのＨ₂Ｏ／Ｈ₂Ｏ¹⁸示差ラ マンスペクトルを示す。 図２３は、ミセル寸法の減少が水の重量％の増大と相関することを示す。 図２４は、水重量％の増大（ミセル寸法の減少と相関する）がＮＯｘ放出物の 減少と相関することを示す。 図２５は、ミセル寸法の減少が燃焼効率の向上と相関することを示す。 図２６は、ミセル寸法の減少がＣＯ放出量の増加と相関することを示し（パネ ルＡ）、そしてＣＯ放出量の増加が水重量％の増加（パネルＢ）及びＮＯｘ放出 量の減少（パネルＣ）と相関することを確認するものである。 図２７は、本発明の水クラスター／燃料組成物の燃焼のために設計された新規 なエンジンを示す。好ましい具体例の説明 先に記載したように、本発明は、水分子間における相互作用の新規な理論を包 含する。本発明の理解を容易にするために、水の構造について知られているもの の基本的な説明から始める。 図１は、１個の水分子の分子軌道構造を示す。理解できるように、この構造は 、酸素原子（左側）と水素（Ｈ₂）分子（右側）との間の相互作用として効果的 にモデル化することができる。酸素は、水素分子のσ（結合性）及びσ^*（反結 合性）軌道との相互作用に有効な３個のｐ軌道（ｐ_x、ｐ_y及びｐ_x）を有する。 酸素分子と水素分子との間の相互作用は、３個の結合性軌道、即ち、酸素ｐ_x軌 道と水素σ軌道との間の結合相互作用を表わすもの、酸素ｐ_y軌道と反結合性水 素σ^*軌道との相互作用を表わすもの、及び酸素ｐ_z軌道を表わすものを生じる。 図１では、これらの軌道は、それらの対称記号１ａ₁、１ｂ₂及びｂ₁でそれぞれ 表示されている。 また、酸素／水素分子相互作用は、２個の反結合性軌道、即ち、酸素ｐ_y軌道 と水素σ^*軌道との間の反結合性相互作用を表わすもの、及び酸素ｐ_x軌道と水素 σ軌道との間の反結合性相互作用を表わすものを生じる。図１には、これらの軌 道にも、それらの対称記号２ｂ₂及び２ａ₁がそれぞれ与えられている。簡単にす るために、図１に示される軌道は、以下では、それらの対称記号で表わされてい る。例えば、水分子中に存在する酸素ｐ_z軌道は水ｂ₁軌道と称されている。 本発明によれば、水分子が適当な配置で互いに近くに位置されると、第一水酸 素のｂ₁軌道が隣接する第二水分子の１ｂ₂軌道と相互作用し、次いでこれが第三 の隣接水分子のｂ₁軌道と相互作用し、そしてこのような相互作用が続くという 発見が提供される。図２に示されるように、連続する水分子が互いに垂直に配列 されると（図２Ａ）、交互に並ぶ分子のｂ₁及び１ｂ₂軌道は相互作用して（図２ Ｂ参照）、隣接する水の数に沿って伸びる局在化ｐπ型軌道を形成することがで きる。 当業者には、互いに作用し合う水分子の数が多い程、形成されるｂ₁及び１ｂ₂ 軌道の異なる組み合わせが多くなり、そして各々は特定の結合又は反結合度を持 つｐπ軌道を生じることが理解されよう。例えば、図３は、３つの水分子のｂ₁ 及び１ｂ₂軌道の組み合わせによって生じる可能性のある軌道を表わす。図４は 、４つの水分子のｂ₁及び１ｂ₂軌道の組み合わせによって生じる可能性のあるｐ π軌道を表わす。理解することができるように、相互作用する水分子の数が多い 程、可能性のあるｐπ軌道の多様性が多くなる。 水中のｂ₁及び１ｂ₂軌道の両方が占有されることが理解されよう。従って、本 発明によって記載される酸素−酸素相互作用は充填軌道の相互作用を包含する。 従来の分子軌道理論によれば、かかる充填軌道と充填軌道との間の相互作用は典 型的には生じないことが教示されている。何故ならば、電子対の間の反発作用の ために、本発明によって生じる反結合性軌道は、結合性軌道が安定化されるより も多く脱安定されるからである。しかしながら、隣接する水分子の酸素原子が相 互作用する場合には、その相互作用する原子は、それらが互いに共有結合される 場合に離れるよりもはるかに離れる（平均して約２．８Å）。かくして、電子対 反発力は、そのように離れていない場合よりも弱く、そしてかかる非対称軌道の 分裂が起こることは予測されない。実際に、幾らかの“結合性”及び“反結合性 ”軌道の組み合わせは、実質上同じエネルギーを有することができる。それ故に 、水中の最高占有分子軌道（ＨＯＭＯ）は、種々の結合性及び反結合性を持つ多 種の実質上縮重したｐπ軌道である。水中の最低未有分子軌道（ＬＵＭＯ）は、 隣接する水分子の２ｂ₂軌道を包含する相互作用に相当する多種の状態である。 先に記載したように、本発明の１つの面は、縮重した局在化ｐπ軌道を生じる 隣接する酸素原子のｂ₁及び１ｂ₂軌道の重なりによって隣接する水分子間で酸素 −酸素相互作用が起こりうるという発見である。本発明の更なる面は、かかるｐ π軌道が水構造の表面から突出することができそしてその構造内の酸素に高い反 応性を付与することができるという認識である。本発明者は、ある種の化学的触 媒に対して反応性を付与することが知られた現時点で記載される水中酸素のｐπ 軌道とｄπ軌道との間の類推を引き出す（例えば、パルマン氏他編集The New Wo rld of Quantum Chemistry,Reidel Publishing Co.,Dorderecht-Holland,pp.31 7-356,1976におけるジョンソン氏の報文を参照されたい）。本発明に従えば、水 中酸素は、他の分子に対するそれら自身の酸化的付加を触媒するようにさせるこ とができる。これは、酸素−酸素相互作用に関連するｐπ局在化軌道が構造表面 から突出するところの水構造中にそれらを組み込むことによって行われる。 本発明の更なる面によれば、突出するｐπ軌道を有する構造内の水中酸素の反 応性はある種の酸素−酸素振動モードの拡大によって高められ得るという認識が 提供される。Ｏ₂からの酸素原子の酸化的付加に関連する律速段階はＯ₂分子から の酸素原子の解離であることが知られている。かくして、一般には、酸素反応性 は、初期に関連した分子から酸素を除去することができる場合の容易さを向上さ せることによって高めることができる。本発明者は、水クラスター中の酸素−酸 素振動モードの向上は、特定の酸素原子が構造の残部からある距離を置いて位置 されるという可能性を増加することを認識した。酸素が突出するｐπ軌道を生じ る相互作用に関与している場合には、構造から離れた酸素の移動は、ｐπ軌道が 潜在的な反応パートナーの軌道と重なり合う機会を持つ可能性を増加し、それ故 に酸素原子の反応性を向上させる。本質的には、振動は軌道操縦効果を生じる。 それ故に、本発明は、それらの軌道及び振動特性の結果として高い酸素反応性 によって特徴づけられる“水クラスター”を提供する。用語「水クラスター」を 本明細書で使用するときには、それは、突出するｐπ軌道によってクラスター酸 素と他の反応体との反応性が液体水中の酸素の反応性と比較して向上されるのに 十分な“表面反応性”を有する水分子のすべての配置を表わすものである。従っ て、近くの反応体との相互作用の向上を可能にする態様で水分子のクラスターか ら十分な数のｐπ軌道が突出する限り、本発明の要件は満たされる。 本発明の好ましい水クラスターは対称特性を有する。対称はｐπ軌道の縮重を 増加し、そしてより多くの局在化軌道をもたらし、これによってクラスターの“ 表面反応性”を向上させる。また、対称はクラスター内で酸素−酸素相互作用の 集合的振動を可能にし、しかして、突出するｐπ軌道が潜在的な反応体の軌道と 重なり合う機会を有する可能性が向上される。特に好ましい水クラスターは水分 子の五角形配列からなり、そして好ましくは最大二十面体対称を持つ五角形配列 からなる。最も好ましいクラスターは、水分子の五角形十二面体配列からなる。 水分子の五角形配列からなる水クラスターが少なくとも一部分好ましい。とい うのは、酸素反応性の向上に寄与することができる振動モードは、酸素−酸素の “押し込み”及び“捩れ”モードと関連するからである（図５において五角十二 面体の水構造について示される）。これらのモードによって、電磁スペクトルの 遠赤外線領域とマイクロ波領域との間にある約２５０ｃｍ^-1〜５ｃｍ^-1の範囲内 の振動数が計算された。かかるモードの誘導は、例えば電場、電磁場及び／又は 超音波の適用によって適度に達成することができ、又は動的ジャーン・テーラー 効果によって本質的に達成されることができる。 先に記載したように、ＤＪＴ効果は、適当な振動数の分子振動が分子に有効な ある種の縮重エネルギー状態と結びつくところの対称破断現象を表わし、従って 、これらの状態は、それらが縮重になるために使用した他の状態から分離される （Vibronic Interactions in Molecules and Crystals,Springer Verlag,NY,199 0におけるバースカー氏他の報文を参照されたい）。本質的には、ジャーン・テ ーラー効果は、軌道が縮重した（又はほとんど縮重した）電子状態にある高対称 構造における不安定性をもたらし、かくしてその構造が対称決定振動座標（Ｑｓ ）に沿って捩れる又は変形する原因となる。捩れた構造は、エネルギーが減少し たポテンシャルエネルギーウエルを有する（図６におけるＡ’）。ＤＪＴ効果は 、これらの構造間の振幅を表わす電子振動座標に沿って大きな振幅振動を誘発す ることができる。これらのジャーン・テーラー誘発ポテンシャルの最低値及びそ れらの間の急速動的ジャーン・テーラー振動は、水の構造を包含する化学反応（ 図７においてＡ→Ｂとして示される）のためのエネルギー障壁を有意に下げるこ とができる。エネルギー障壁の減少は触媒によって生じられるものと定量的に同 じであるが、しかしながら、この場合では反応体Ａから生成物Ｂへの反応経路は ＤＪＴ電子振動座標（Ｑｓ）によって対称から予想通り測定される。かくして、 本発明の水クラスターの酸素−酸素振動と縮重ｐπ分子軌道との間の自然結合は 酸素の反応性を向上させることができる。 本発明の実施に使用するには五角形対称を有する水クラスターが特に好ましい 。というのは、隣接する五角形クラスターは互いに反発しあい、かくしてそれら の向上した反応性に寄与することができるクラスターに運動エネルギーを付与す るからである。 本発明の水クラスター中の分子のすべてが水分子それ自体になる必要はないこ とが理解されよう。例えば、水中水素の代替物になる分子（アルコール、アミン 等のような）は、酸素−酸素相互作用を途絶させることなく本発明の水クラスタ ー中に組み込むことができる。これに関して、メタノール、エタノール又は他の 実質上飽和のアルコールが好適である。他の原子、イオン又は分子（例えば、Ｃ ｕ及びＡｇのような金属イオン）も、それらが反応性ｐπ軌道の形成に干渉しな い限り、構造中に追加的に又は別法として含めることができる。好ましい原子、 イオン又は分子はｐπ軌道の形成に関与し、及び／又はその形成を促進させる。 水の構造それ自体は、プロトン化又はイオン化させることもできる。クラスター 中の分子のすべてが水分子になる必要はないと仮定して、本明細書では、水クラ スター中の酸素の数に関して本発明の水クラスターのある種の望ましい特性が記 載されている。 本発明の好ましい水クラスターは、好ましくはそれらの最長寸法が約２０Åよ りも小さくそして好ましくは約５〜３００個の酸素を含む“ナノ液滴”である。 特に好ましいクラスターは、約２０〜１００個の酸素を含む。最も好ましい水ク ラスターは約２０個の酸素を含有し、そして五角十二面体対称を有する。 本発明の実施において用いるための好適な発明の水クラスターの特定の実施態 様を、図８〜１４に提示する。図８は、五角形対称を有する５分子水クラスター を示し、図９は、このクラスターと関係するｐπ軌道の内の一つを示す。実線は 、軌道波動関数のポジティブ相を表し；断線は、ネガティブ相を表す。図９に関 して分かる通りに、クラスターの表面から突き出る非局在化ｐπ軌道が形成する 。この軌道（及びその他）は、近隣の反応相手の軌道と相互作用するために利用 可能である。突き出るｐπ軌道ローブと同じ相の軌道ローブとの重なりは、関連 したクラスター酸素と反応相手との間の結合相互作用を生じることになる。 図１０は、一部五角形対称を有する１０分子水クラスターを示し、図１１は、 非局在化されたｐπ軌道の内の一つを示す。分かる通りに、軌道非局在化（及び 突出）は、主に五角形配置における水分子に関係する。これより、図１１は、本 発明の水クラスターにおける高度の対称の利点の内の一つを示す；五角形に配置 された水分子と関係するｐπ軌道は、一層高度に非局在化され、一層有効に表面 から突き出る。従って、軌道は、五角形配列の一部でない水分子における酸素と の認められない表面反応性を生じる。 図１２は、五角正十二面体対称を有する２０分子水クラスターを示し；図１３ 、パネルＡ〜Ｅは、種々のそれのｐπ軌道を示す。もう一度、広範囲にわたる軌 道非局在化及び表面突出が、この高度に対称の構造において観測される。比較の ために、同じ構造と関係付けられる通常占有されていないクラスター分子軌道を 図１４〜１６に示す。これらの軌道が占有されようになる（例えば、Ｊａｈｎ− Ｔｅｌｌｅｒ対称破壊により又は電荷付加による）場合に、クラスター表面一面 に一層多くの非局在化が観測され、これは一層大きな反応性を意味する。 水分子をおよそ２０よりも多く含む水クラスターは、本明細書中に提示する図 において詳細に示さないが、それでも本発明の実施において有用である。例えば 、およそ８０の分子を含むクラスターは、彎曲した端部において突き出たｐπ軌 道を有する楕円体構造と仮定することができる。しかし、クラスターが水分子を およそ３００よりも多く含む場合に、クラスターは、一層液状水のように挙動す る傾向にあり、これは、低い「表面反応」を示す。クラスターがすべて安定な対 称構造（例えば、いくつかの安定な五角正十二面体）で配置された水分子を多数 （＞３００）含むならば、もちろんこれらの問題に遭遇されないであろう。従っ て、発明の水クラスターのそのような「凝集体」は、本発明の範囲内である。 前述した通りに、五角正十二面体分子配置を含む水クラスターは、本発明の実 施において用いるために特に好適である。よって、五角正十二面体水構造を下記 に一層詳細に検討する。しかし、当業者ならば、下記の検討は、本発明の範囲を 制限することを意図せず、上記の広い記載によって包含される任意の及び全ての 実施態様は、請求の範囲内に入ることを認識するものと思う。五角正十二面体水クラスター 五角正十二面体水構造（例えば、（Ｈ₂Ｏ）₂₀、（Ｈ₂Ｏ）₂₀ ⁺⁺、（Ｈ₂Ｏ）₂₀ Ｈ⁺、（Ｈ₂Ｏ）₂₁Ｈ⁺、及び（Ｈ₂Ｏ）₂₀-、並びにアルコール分子を含む類似の 構造のような）は、本発明の実施において用いるために特に好適である、という のは 、図１３に示す通りに、非局在化されたｐπ軌道は、十二面体頂点から突き出、 それで構造内の２０の酸素すべては高い反応性を有すると予測されるからである 。その上に、同様の荷電された十二面体の間のクーロン反撥は、五角正十二面体 構造を速度論的に活発にさせることができる。また、構造の対称は、遠赤外〜マ イクロウエーブ領域における酸素−酸素振動モードと結合することができる縮退 分子軌道を生じ、構造酸素の反応性を増大することになる。上に検討した通りに 、これらのモードは、適当な電場をかけることにより、又は動力学的Ｊａｈｎ− Ｔｅｌｌｅｒ効果によって誘起させることができる。 量子力学計算は、五角正十二面体水クラスターのが、Ｊａｈｎ−Ｔｅｌｌｅｒ −活性分子軌道が、ポテンシャル反応相手の軌道と重なるために利用可能な突き 出たローブを有することを示し（図１３〜１６を参照）；軌道の内のいくつかは 、クラスターの表面酸素原子の回りに空間的に非局在化された大きな「ｓ」、「 ｐ」、及び「ｄ」原予様軌道を有する（図１４〜１６を参照）。クラスターに「 触媒作用」をさせ及び／又はそれらの酸素を種々の化学反応に付与させるのは、 これらの軌道、特に「ｐ様」及び「ｄ様」軌道の利用可能性である。反応につい ての速度定数は、下記式によって与えられる： κ＝Ａｅ^-Ebarrier/RT この式における指数の前の項Ａは、水クラスターとそれらの反応相手との間の 衝突の頻度（軌道の重なり）と共に増大する。この衝突頻度は、立ち代わって、 反応体の有効な衝突断面積と共に増大し、これは、反応体分子軌道直径ｄの自乗 に比例する。五角正十二面体水クラスターは、比較的大きな分子軌道直径（〜８ オングストローム）を有する。その上に、この直径は、Ｊａｈｎ−Ｔｅｌｌｅｒ −誘起される低周波振動モードの作用によって有効に増大される（例えば、図５ を参照）。これより、Ｅ_barrierが低い五角正十二面体である場合に、水は、液 状水に比べて相当に一層反応性になりそうである。Ｅ_barrierは、上記した通り に、ＤＪＴ誘起される対称破壊性低周波振動モードと結合することによって低減 される。その上に、電子とＤＪＴ誘起されるクラスター振動とが結合すると、電 子エネルギーをバイブロニックエネルギーに転化するに至ることができ、それで 、クラスターのポテンシャルエネルギーは、ΔＥ_vibだけ増大されて（図１６を 参照） 、反応体と生成物とを分離するエネルギーバリヤーのそれ以上の有効な低下を生 じるようになる。 五角正十二面体水構造は、本発明を開発する前に生成されかつ十分に分析され ていることに留意すべきである。早くも１９７３年に、研究者達は、Ｈ⁺（Ｈ₂Ｏ ）₂₀及びＨ⁺（Ｈ₂Ｏ）₂₁形態の水クラスターの予期されない安定性について報告 していた（例えば、Ｌｉｎ，Ｒｅｖ．Ｓｃｉ．Ｉｎｓｔｒｕｍ．４４：５１６， １９７３；Ｓｅａｒｃｙ等、Ｊ．Ｃｈｅｍ．Ｐｈｙｓ．６１：５２８２，１９７ ４；Ｈｏｌｌａｎｄ等、Ｊ．Ｃｈｅｍ．Ｐｈｙｓ．７２：１１，１９８０；Ｙａ ｎｇ等、Ｊ．Ａｍ．Ｃｈｅｍ．Ｓｏｃ．１１１；６８４５，１９８９；Ｗｅｉ等 、Ｊ．Ｃｈｅｍ．Ｐｈｙｓ．９４：３２６８，１９９１を参照）。しかしながら 、これらの構造の従来技術の分析は、水素結合相互作用を検討することに集中し 、それらの構造及びエネルギー論を説明しようと苦労した（例えば、Ｌａａｓｏ ｎｅｎ等、Ｊ．Ｐｈｙｓ．Ｃｈｅｍ．９８：１００７９，１９９４を参照）。本 明細書中に記載する酸素−酸素相互作用について検討した従来技術の文献は存在 せず、クラスター酸素の反応性の増大について認識した従来技術の文献は何ら存 在しない。その上に、酸素の反応性を増大させるために、これらのクラスターに おいて特別の振動モードを誘発させることが望ましいことを認識した従来技術の 文献は存在しない。 他方、従来技術の研究において収集されたデータのいくつかのエレメントは、 本明細書中に提示する理論と一致しかつそれによって説明することができる。例 えば、本発明は、五角正十二面体構造の頂点における酸素−酸素結合に寄与し得 る低周波振動が、ラマン散乱によって観測し得るはずであることを予測する。い くつかのグループが、水中の低周波ラマン散乱について報告した（例えば、Ｒｏ ｕｓｓｅｔ等、Ｊ．Ｃｈｅｍ．Ｐｈｙｓ．９２：２１５０，１９９０；Ｍａｊｏ ｌｉｎｏ等、Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｅ４７：２６６９，１９９３；ミゾグチ等、Ｊ ．Ｃｈｅｍ．Ｐｈｙｓ．９７：１９６１，１９９２を参照）が、各々は効果につ いてそれ自体の説明を提案し、これらの内で五角正十二面体構造の頂点における 酸素−酸素結合の振動に関係するものはない。実際に、Ｓｏｋｏｌｏｖ等は、最 近、「スペクトル及びそれと他の性質の臨界的な挙動との関係は、依然明らかで ない」と言うことによって観測された低周波振動の理解の状態を要約した（Ｓｏ ｋｏｌｏｖ等、Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｂ５１：１２８６５，１９９５）。本発明は 、この問題を解決する。 本発明によって提供する水クラスターの分析は、水素結合相互作用の研究を通 して理解することができない水の性質についてのいくつかの観測について説明す る。例えば、Ｓｅｅｔｅ等（Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ ７５：８５０，１９ ９５）は、液状水を通る「速い音」の伝播が、用いる水素同位体に依存しないこ とを報告した。よって、速い音は、水素ネットワーク上だけで伝播していること ができない。 本発明に従えば、好適な五角正十二面体水クラスターは、（Ｈ₂Ｏ）₂₀、（Ｈ₂ Ｏ）₂₀ ⁺⁺、（Ｈ₂Ｏ）₂₀Ｈ⁺、（Ｈ₂Ｏ）₂₁Ｈ⁺、及び（Ｈ₂Ｏ）₂₀-を含む。水に替 えて、１つ又はそれ以上のアルコール分子、又は望ましい非局在化された電子構 造に寄与することができるその他の分子（例えば、界面活性剤）を含む構造もま た好適である。好適な構造は、また、クラスレート化された（又はその他の方法 で結合された）イオン、原子、分子或はその他の複合有機又は金属−有機リガン ドも含んでよい。実際、クラスレート化は、五角正十二面体水構造を安定化する のに作用することができる。好適なクラスレート化構造は、（Ｈ₂Ｏ）₂₁Ｈ⁺構造 （構造中、Ｈ₂Ｏ⁺分子は、五角正十二面体殻内でクラスレート化される）を含む 。その他のクラスレート化された構造は、金属イオンが五角正十二面体水によっ てクラスレート化されたものを含む。陰に荷電された構造が特に好適である；そ のような構造は、上記した通常占有されていない軌道に１つ又はそれ以上の電子 を含有し、中性の及び陽に荷電された種よりも更に一層反応性である。電子を上 述した軌道中に導入したいずれの水構造も本発明に従う「陰に荷電された」構造 である。 安定な五角正十二面体水構造を含有する水クラスターは、本発明に従って種々 の方法のいずれかによって製造することができる。液状水中で、五角正十二面体 構造は、おそらく瞬間的に形成するが、安定でない。実際、液状水は、五角正十 二面体の集合としてモデル化することができ、この場合、構造間相互作用は、構 造内相互作用とほぼ同じ程に強い、又は構造内相互作用よりも強い。よって、液 状水から安定な五角正十二面体水構造を製造するためには、液状水中に存在する 長距離の構造間相互作用を、構造内会合の有利となるように破壊しなければなら ない。物理的、化学的、電気的、及び電磁的方法を含む、種々の方法の内のいず れかを、これを行うのに用いることができる。例えば、おそらく五角正十二面体 水構造を分離する最も分かりやすい方法は、簡単に２０又は２１の水分子を単一 のナノ滴で分離することである。本発明の好適な水クラスターは、２０又は２１ の水分子を含む。 五角正十二面体水構造を製造するその他の方法は、当分野において知られてい る通りに、水蒸気を極超音速ノズルを通過させることを含む（例えば、Ｌｉｎ， Ｒｅｖ．Ｓｃｉ．Ｉｎｓｔｒｕｍ．４４：５１６，１９７３；Ｓｅａｒｃｙ等、 Ｊ．Ｃｈｅｍ．Ｐｈｙｓ．６１：５２８２，１９７４を参照）。極超音速ノズリ ングの知られている方法は、すべて本発明に従って有用である。しかし、本発明 は、また、五角正十二面体水構造を調製する改良された極超音速ノズリング方法 も提供する。詳細には、本発明の好適な実施態様では、極超音速ノズルは、ニッ ケル又はニッケル合金のような触媒物質を、水がノズルを通過するにつれて、触 媒物質上の反応性軌道と接触するように位置させ及び配置させて含む。触媒物質 は、そのような条件下で、電子を反結合性軌道中に送ることによって、クラスタ ー内結合相互作用を妨げないで、クラスター間結合を破壊すると予期される。 五角正十二面体構造を含む水クラスターを製造する化学的方法は、界面活性剤 及び／又はクラスレート化剤を使用することを含む。電気的方法は、十分な電圧 及び適当な周波数の電気スパークをもたらすことによってクラスター間相互作用 の絶縁破壊を誘発することを含む。電磁方法は、適当な周波数のマイクロウエー ブを適用してクラスター間酸素−酸素相互作用の「つぶれる（ｓｑｕａｓｈｉｎ ｇ）」振動モードと相互作用する。また、超音波は、水に気泡を作る（水中に気 泡を生成する）ことができることが知られているので、クラスター間会合は、ク ラスター内相互作用を妨げないで、超音波崩壊させることができることが予期さ れる。最後に、本発明の実施において採用することができる通りの五角正十二面 体水構造を製造するための種々の方法が報告されている。そのような方法は、下 記を含む：アイス表面のイオン衝撃（アムステルダム、Ｅｌｓｅｖｉｅｒ，Ｅｉ ｃｈｌｅｒ遍、Ｈａｂｅｒｌａｎｄ，ｉｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ａｎｄ Ａ ｔｏｍｉｃ Ｃｏｌｌｉｓｉｏｎｓ）、電子衝撃イオン化（Ｌｉｎ，Ｒｅｖ．Ｓ ｃｉ．Ｉｎｓｔｒｕｍ．４４：５１６，１９７３；Ｈｅｒｍａｎｎ等、Ｊ．Ｃｈ ｅｍ．Ｐｈｙｓ．７２：１８５，１９８２；Ｄｒｅｙｆｕｓｓ等、Ｊ．Ｃｈｅｍ ．Ｐｈｙｓ．７６：２０３１，１９８２；Ｓｔａｃｅ等、Ｃｈｅｍ．Ｐｈｙｓ． Ｌｅｔｔ．９６：８０，１９８３；Ｅｃｈｔ等、Ｃｈｅｍ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ ．１０８：４０１，１９８９）、及び中性クラスターの近閾真空ＵＶ光イオン化 （シノハラ等、Ｃｈｅｍ．Ｐｈｙｓ．８３：４１８３、１９８５；ナガシマ等、 Ｊ．Ｃｈｅｍ．Ｐｈｙｓ．８４：２０９，１９８６）。 しかしながら、五角正十二面体水構造は、初めに生成され、クーロン反撥によ ってそれらの速度論的エネルギー、従ってそれらの反応性を増大させるために、 それらをイオン化する（例えば、それらが形成された後に、それらを電位を通過 させることにより）のが望ましいかもしれない。 上述した通りに、陰に荷電された構造は、本発明の実施において特に有用であ る。そのような陰に荷電された構造は、例えば化学的に（例えば、１つ又はそれ 以上の電子をＬＵＭＯに与える界面活性剤又は添加剤を選択することにより）、 １つ又はそれ以上の電子をＬＵＭＯに直接加えることによって（例えば、電子イ ンゼクターにより）、又はＨＯＭＯとＬＵＭＯとの間のエネルギーギャップが適 当なサイズであるならば、光電的に（例えば、電子をＬＵＭＯに励起するのに紫 外線を使用して）製造することができる。１つ又はそれ以上の電子をＬＵＭＯ中 にうまく導入する任意のその他の利用可能な方法を代わりに用いてよいのはもち ろんである。用途 上記した通りに、本発明は、反応性水クラスター反応性酸素を提供する。発明 は、また、そのようなクラスターを、特に「酸化」反応において（すなわち、あ る分子から別の分子への酸素の移動を伴う反応において）使用する方法も提供す る。クラスターは、任意の適した反応相手と組み合わせて、任意の酸化反応にお いて用いることができる。 本発明の水クラスターの特に有用な用途の一つは、燃焼においてである。本発 明に従えば、反応性の水酸素は、フューエル中の炭素と効率的に結合し、それで 燃焼反応の比エネルギーを増大させるようにすることができる。 発明者等は、水構造酸素と近隣の炭素との反応性をモデル化するために、芳香 族分子煤煙プリカーサー及びＣ₁₆Ｈ₃₄（セタン−ディーゼル）フューエル分子と 相互作用する五角正十二面体水クラスターを分析した。図１７及び１８は、それ ぞれこれらの構造についての計算した最も高い占有されたｐπ軌道を提示する。 両方の構造によって分かる通りに、炭素と酸素との間の電子密度が高い。 図１７及び１８に表す構造は、分離された五角正十二面体水クラスターが炭化 水素分子で囲まれる系をモデル化する。クラスター酸素と近隣の炭素との間の高 い電子密度は、酸素が炭素に酸化的に加えられることになる可能性が増大される ことを示す。これより、本発明は、フューエル中の水クラスターの分散体が、フ ューエル単独に比べてフューエル燃焼の増進された比エネルギーを有するはずで あることを教示する。また、発明は、分散された水分子が煤煙分子の燃焼を促進 し、それにより特定物質の排出を低減することも教示する。よって、本発明の一 態様は、水クラスターをフューエル中に分散させてなる可燃性組成物を含む。組 成物は、水構造を反応性酸素と共に含みかつフューエルとそれらの酸素との相互 作用を最大にするようにデザインする。 本発明の水クラスター／フューエル組成物において有効に用いることができる フューエルは、本発明の水クラスター中の反応性酸素と相互作用することができ る任意の炭化水素源を含む。好適なフューエルは、ガソリン及びディーゼルを含 む。ディーゼルフューエルは、特に好適である。 本発明の水クラスター／フューエル組成物は、反応性酸素を有する水クラスタ ーの形成を可能にしかつそのような反応性酸素を十分な量でフューエルに暴露し 、それで燃焼の比エネルギーを、純フューエルを同じ条件下で燃焼させる場合に 観測される比エネルギーに比べて増進させるようにする任意の手段によって調製 してよい。 例えば、発明の好適な一実施態様では、組成物は、フューエル及び水を超臨界 条件下で一緒にするすることによって調製する。水は臨界温度３７４℃を有する 。この温度を越えると、静水圧のどんな量も液状状態に戻す相変化を起こすこと はない。その臨界温度よりもわずかに低い水を再液化するのに要する最小圧力は 、臨界圧として知られ、２２１気圧である。本願と同じ日付けで出願した「Ｓｕ ｐｅｒｃｒｉｔｉｃａｌ Ｆｕｅｌ ａｎｄ Ｗａｔｅｒ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｉ ｏｎｓ」なる表題の仮出願は、単一相フューエル／水組成物を超臨界条件下で調 製することができることを開示しており、同仮出願を本明細書中に援用する。本 発明者等は、何ら特定の理論によって束縛されることを望むものでなく、そのよ うな単一相組成物が、フューエル内に分散された本発明の水クラスターを表すこ とを提案する。よって、本発明の望ましい水クラスター／フューエル組成物は、 上述した、援用する仮出願に記載されている通りの超臨界加工を通して調製する ことができる。 本発明の代わりの好適な実施態様では、発明の水クラスターフューエル組成物 は、反応性酸素を含有する安定な水クラスターを調製した後に、水を水クラスタ ー／フューエル組成物に導入するプロセスによって調製する。所望ならば、水ク ラスター／フューエル組成物を安定にするのに、界面活性剤を用いてよい。 界面活性剤は、用いる場合、水クラスターの所望する電子及び振動特性にあず かるように選ぶべきである。好適な界面活性剤は、また、１つ又はそれ以上の電 子を水クラスターＬＵＭＯに付与する。特に好適な界面活性剤は、下記の追加の 特徴の内の１つ又はそれ以上を特徴とする：ｉ）安価；ｉｉ）フューエルに比べ て高い密度；ｉｉｉ）フューエルの粘度に近い粘度（組成物が標準ディーゼルエ ンジンを自由に通って流れるように）；ｉｖ）他のフューエル成分との素早い混 和性；ｖ）新しい毒性の不存在（発明の組成物がフューエル単独以上に毒性にな らないように）；ｖｉ）−３０℃程に低い及び１２０℃程に高い温度に暴露する ための安定性；及びｖｉｉ）少なくとも約１年間安定なフューエル及び水とエマ ルション組成物を形成する能力。 好適な発明の界面活性剤含有可燃性組成物は、比較的に酸素に富む親水性末端 を有する界面活性剤を利用する。例えば、好適な界面活性剤は、カルボキシル（ COOH）、エトキシル（CH₂-O）、CO₃、及び／又はNO₃基を有する。界面活性剤は 、また、フューエルに可溶性の長い（好ましくは、炭素６〜２０）線状の又は枝 分れ した疎水性テールを少なくとも１つ有するのが好ましい。カルボキシレート界面 活性剤を含有する組成物は、アンモニア（ＮＨ₄ＯＨ）又はメチルアミン（ＭＥ Ａ）のような中和剤も含有するのが好ましい。二次界面活性剤は、一次界面活性 剤（例えば、アルコールである）に比べて相対的に極性が低くかつ水相とそれ程 に強く相互作用しないが、例えはファンデルワールス相互作用を通して一次界面 活性剤を配向しかつ調節する炭化水素テールを有するのが典型的である。本発明 に従って用いるための好適な一次界面活性剤は、カルボキシレート極性基を有す る脂肪酸を含む。例えば、オレイン酸、リノール酸及びステアリン酸が好適な一 次界面活性剤である。 図１９は、本発明に従う、分子軌道を共有することによって典型的な脂肪酸と 相互作用する水クラスターを表す。図１９に関して分かる通りに、界面活性剤分 子軌道は、有効に電子を非局在化されたｐπ水クラスター軌道に付与しかつ非局 在化されたｐπ水クラスター軌道に関係する。 また、その他の成分を発明の可燃性組成物に入れてもよい。例えば、上に検討 した通りに、一種又はそれ以上の中和剤を加えるのが時には望ましい。特に、界 面活性剤が、例えば脂肪酸のような有機酸である場合（例えば、図１９を参照） 、そのような中和剤が望ましいようである。好適な中和剤の例は、メチルアミン 及びアンモニアを含み、これらに限定しない。そのような中和剤の添加は、窒素 原子を水クラスターの中央に置き、それにより例えば、図２０に示す通りに、ク ラスター周囲への電子非局在化を促進する効果を有する。 本発明は、界面活性剤を可燃性の水／フューエル組成物において用いることの 最初の記載ではないことに留意することが重要である。しかし、従来技術は、本 明細書中に記載する通りの望ましい水クラスターを識別することを含まず、また 水クラスター分子軌道と相互作用するために選ぶ適した界面活性剤を識別するこ とも含まない。 本発明の水クラスター／フューエル組成物を最大数の反応性酸素に暴露させる ために、水クラスター／フューエル組成物中の水クラスターのサイズを最小にし 、従って燃焼効率を増大させることが望ましい。水クラスターは、それらの最も 長いディメンジョンに沿って約２０オングストローム以下の平均直径を有するの が好ましい。各々のクラスターは、約３００よりも少ない水分子を含むのが一層 好ましい。特に好適な実施態様では、水クラスター／フューエル組成物は、個々 の五角正十二面体水クラスターをフューエル内に分散させて含む。 水中の炭化水素フューエルと反応性酸素との間の相互作用の程度は、組成物中 の水クラスターのサイズ（及び表面反応性）に依存するばかりでなく、またフュ ーエル内に分散される水クラスターの数にも依存することになることは認められ るものと思う。好適な水クラスター／フューエル組成物は、水を約１〜２０％、 好ましくは約３〜１５％、一層好ましくは約５〜１２％含有する。特に好適な水 クラスター／フューエル組成物は、水を少なくとも約５０％含有する。 上記のとおり、本発明の水クラスター／燃料組成物は、比燃焼エネルギーが、 純粋な燃料のそれにできるだけ近づくよう製造するのが好ましい。好ましくは、 この比エネルギーは、純粋な燃料の少なくとも約８５％、より好ましくは少なく とも約９０％、はるかに好ましくは少なくとも約９５〜９９％である。いくつか の特定の好適実施態様では、本発明の組成物の比燃焼エネルギーは、純粋な燃料 のそれより高い。好ましくは、比エネルギーを、少なくとも約１〜２％、より好 ましくは少なくとも約１０％、はるかに好ましくは少なくとも約１５〜２０％、 最も好ましくは少なくとも約５０％増加させる。 実施例に記載のとおり、本発明者らは、様々な水クラスター／燃料組成物を製 造し、標準的なディーゼルエンジンでのそれらの燃焼特性を正常な操作条件下で 試験した。認識できるとおり、これらのエマルションの燃焼から作成した排気デ ータは、ＮＯ_xおよび微粒子排気は、本発明のエマルションの燃焼の際に削減さ れ；ＣＯレベルは、高められることを明らかにする。 実施例１に記載の本発明のエマルションの水相は、粒度が約４〜７Åであった 。その上、この相は、酸素−酸素振動モードを特徴とする本発明の水クラスター を含むことが示された。具体的には、Ｈ₂Ｏ¹⁸を含有するエマルションのラマン スペクトルの約１００〜１５０cm^-1の領域に、同位体効果が観察された（図２２ を参照されたい）。この効果は、酸素を含む振動が、その領域で観察されるスペ クトル線の原因であることを明示している。 実施例２に記載のエマルション分析は、水クラスターの大きさ(ミセル径)の減 少は、１)組成物中の水の重量％の増加；２)ＮＯ_x排気の減少；３)ＣＯ排気の増 加；および４)燃焼効率の増加と相関することを示した。興味深いことに、従来 の報告は、ＮＯ_x排気は、燃焼温度を下げることによって、従来の技術の可燃組 成物中でも減少させ得ると報告していた。燃焼温度の低下は、燃焼の程度を制限 すると期待されることから、これらの報告は、ＣＯレベルが、ＮＯ_xレベルと平 行して低下することを示唆するものと思われた。本発明者らは、その逆を観察し ているが、それは、おそらく本発明の組成物が、電子の適切な立体配置を与える ことによって、燃焼の程度を下げるのではなく上げるためである。そのため、本 発明のエマルションの燃焼は、ディーゼルのみの燃焼より低いＮＯ_x排気ガスで あるが、高いＣＯ排気を招く。 実施例で示された結果は、ディーゼルまたは水クラスター／ディーゼルエマル ションを標準的なディーゼルエンジン内で燃焼することによって達成された。し たがって、本発明は、既存の技術によって直ちに実施できる。しかし、本発明の 追加的な態様は、本発明の水クラスター／燃料組成物の燃焼に用いられるエンジ ンの設計を変えることを必然的に伴う。 本発明の実施に用いるために改造したエンジンの一実施例は、標準的なディー ゼルエンジンから導いたものであって、機能的な空気取入れ弁を保有しないよう に改造してある。本発明の水クラスター／燃料組成物の燃焼に用いられる酸素が 、空気に代えて水から入手できるとすれば、空気の取入れは、必要とされないは ずである。 エンジン設計における更に劇的な変化も、想定される。例えば、図２３は、本 発明の水クラスター／燃料組成物を燃焼させるための新規エンジンの一実施例を 提示する。示したとおり、水クラスター１００は、室２００に注入されるが、そ こには燃料３００も注入される。水クラスターは、上記の手段のいずれによって 製造してもよいが、好ましくは、超音波ノズルからの射出によって製造する。好 適実施態様では、ノズルは、触媒性材料を含む。ある実施例では、クラスターは また、電位差中の通過よって電離される。 本明細書で考察したとおり、燃料は、燃料の炭素と水の酸素との間の相互作用 を最大化するようにして、水クラスターに接触させるのが望ましい。五角十二面 体の水の構造が高い表面反応性を有することから、本発明の特に好適な実施態様 は、個々の五角十二面体の水の構造を室内に注入する。水クラスターを室内に注 入すること、特に個々の五角十二面体の水の構造を注入することの一つの追加的 利点は、それが、個々の水クラスター間のクーロン反発を運動エネルギーとして 活用し、それによって、燃焼の際に転換に利用できるエネルギーを増大させるの を可能にすることである。 室内に注入したならば、標準的な手順に従って、水クラスター／燃料組成物に 点火する。上記のとおり、空気の取入れは不要である。 当業者は、本発明には、エンジン構造および燃焼条件に対する公知の変化形の 多くを組み込んでよいことを認識するものと思われる。例えば、可燃性、安定性 、潤滑性、腐食耐性その他の望ましい特徴性を改良するために、様々な添加物を 水クラスター／燃料組成物に含めてよい。 ［実施例］ 実施例１：可燃性水クラスター／燃料エマルションの製造および分析 下記の方法に従って、水クラスター／燃料エマルションを製造した： 水は、蒸留水または水道水であるか、あるいは水とメタノールのような短鎖ア ルコールとの混合物であることができる。界面活性剤Ｉは、Ｃ_xＨ₂₀（ＯＣＨ₂Ｃ Ｈ₂）_yＯＨ［式中、ｘ＝８〜１０、ｙ＝４〜１０］の構造を有する。界面活性剤 IIは、ポリオレイン酸またはコカイン酸グリセリルである。界面活性剤IIIは、 短鎖の（Ｃ₂〜Ｃ₈）線状アルコールである。 ディーゼルを界面活性剤ＩおよびIIと混合することによって、エマルションを 製造した。次いで、水および界面活性剤IIIを同時に加えた。エマルション中の 水 のナノ小滴は、粒度が約４〜７Åであった。下記の成分を有する特定の２配合物 を調製した： 配合物２のラマンスペクトルを、４０６．７nmおよび６４７．１nmの双方での レーザー励起を用いて得た。４０６．７nmでのスペクトルは、高度に蛍光性であ り、反ストークス散乱／発光のみを注意深く調べた。６４７．１nmでの結果には これらの問題がない。エマルションにＨ₂Ｏ¹⁸を導入することによって、同位体 シフトの実験を実施した。Ｈ₂Ｏ／Ｈ₂Ｏ¹⁸差のスペクトルを図２２として示す。 認識できるとおり、ピークは、１００〜１５０cm^-1付近の、酸素−酸素圧搾振動 モードに関連する領域で観察された。したがって、配合物２のエマルションは、 少なくとも五角形対称性を有する水クラスターを含有すると結論づけられた。 水クラスター／燃料エマルションを秤量し、次いで、小型のYANMARディーゼル エンジン内に圧送した。標準的手法に従って、エネルギー出力、注入のタイミン グ、およびエンジン操作を追跡した。排ガス試料を採取し、やはり標準的手法に 従って、排気を分析した。 図２１は、２種類の水クラスター／燃料エマルション、すなわち配合物１およ び配合物２の排気分析の結果を示す。認識できるとおり、ＮＯ_xおよび微粒子の レベルを低下させ、ＣＯレベルは上昇させ得る。 実施例２：可燃性水クラスター／燃料エマルションの製造および分析 下記の方法に従って、水クラスター／燃料エマルションを製造した： ディーゼル燃料、部分中和脂肪酸の界面活性剤、およびアルコールの補助界面 活性剤を混合することによって、脂肪酸に基づくマイクロエマルション燃料を製 造した。燃料は、PhilipsのＤ−２ディーゼルまたは等価物である。水は、蒸留 水または水道水である。利用したアルコール補助界面活性剤は、ｔ−ブチルアル コール（ＴＢＡ）、ｎ−ブチルアルコール（ＮＢＡ）、メチルベンジルアルコー ル（ＭＢＡ）およびメタノール（ＭｅＯＨ）、イソプロピルアルコール（ＩＰＡ ）、ならびにｔ−アミルアルコール（ＴＡＡ）を包含する。脂肪酸は、トール油 脂肪酸（ＴＯＦＡ）、およびEmersol 315（Ｅ−３１５）という精製植物脂肪酸 を包含する。具体的には、脂肪酸は、用いた特定のアルカノールアミンに応じて 、最適の中和度で部分的にのみ中和されなければならない。好ましくは、ＭＥＡ （モノエタノールアミン）を用いて、混合の際に脂肪酸に徐々に加えることによ って、脂肪酸を中和する。 初めに（マクロ）エマルションをディーゼル、界面活性剤および水から（アル コールなしで）製造するときは、混合物は、アルコール補助界面活性剤の添加お よび穏やかな混合の数秒以内に転換する。成分を順に混合するときは、添加の順 序が混合の容易さに影響する。水を最後に加えるときは、ワックス状沈澱の局在 化された吹流しが形成されるために、分散させるのがより困難になり、最終的な マイクロエマルションを分散かつ形成するのに、より強力な混合を要する。 加えて、マイクロエマルションを形成するのに必要な、基剤の燃料自体以外の すべての成分からなる「マイクロ乳化剤濃縮物」を、低粘度の単一相混合物（す なわちゲルでない）を形成する困難なしに混合することができる。次いで、この 濃縮物を、程ほどの混合によってディーゼル燃料と直接混合して、油中水型マイ クロエマルションの燃料を形成することができる。 製造した特定の配合物を、付録Ａに示す。 水クラスター／燃料エマルションを秤量し、次いで、小型のYANMARディーゼル エンジン内に圧送した。標準的手法に従って、エネルギー出力、注入のタイミン グ、およびエンジン操作を追跡した。排ガス試料を採取し、やはり標準的手法に 従って、排気を分析した。 図２３〜２６は、いくつかの水クラスター／燃料エマルションの排気分析の結 果を示す。 ［その他の実施態様］ 当業者は、前記によって、本発明の一定の好適実施態様の詳細な説明が与えら れたことを認識すると思われる。上記の特定の実施態様には、発明の精神および 範囲から逸脱することなく様々な変更および改変を加えることができる。そのよ うな変更および改変はすべて、下記のクレームの範囲内に組み込まれる。 付録Ａ ＱＥＴ燃料試料番号：ＱＦ−００６５−０１ 配合および組成 混合備考： 燃料比：水の重量%：10.00％ 界面活性剤パッケージ：13.50％ （界面活性剤＋補助界面活性剤）／水：1.35 界面活性剤：補助界面活性剤の比：2.00 測定したパラメータ 「燃料」に関する燃焼熱の情報 エマルション密度（計算値）：0.8609ｇ／cc エマルション密度（測定値）： 0.0000ｇ／cc ＤＬＳデータ： ミセル径：１nm エマルション粘度：０cP 強度（計数率）：19 屈折率：1.450 多分散度：0.190 表面張力：０dyne／cm ボンベのデータ： 高加熱値:17025.5Btu・lb 低加熱値：15862.8Btu・lb 燃焼度数：0.88 注釈： 標準燃費 ディーゼルの参考運転 およびエンジンのパラメータ ＳＦＣ（質量）：0.060000ｇ燃料／馬力秒 ΔＳＦＣ（質量）：−20.000％ ＳＦＣ（体積）：0.070ml燃料／馬力秒 ΔＳＦＣ（体積）：−17.080％ 調整ＳＦＣ：0.053ｇ（併合）燃料／馬力秒 効率：0.95 原価： 成分による原価分析 成分 原価（＄／等価ガロン） PhillipsＤ−２ 0.482 TOFA w/45%NH₃ 0.188 ｎ−ペンタノール 0.071 原価 ：0.741＄／等価ガロン ディーゼルに対する懲罰的負担（原料）：0.121＄／ガロン ディーゼルに対する懲罰的負担（燃料消費）：0.106＄−ＭＰＧ ディーゼルに対する懲罰的負担（合計）：0.227 圧力データ 圧力（psi） クランク角（度） 圧縮：625.39psi 圧縮：360.75 点火：592.94psi 点火：367.76 最大：727.08psi 最大：376.28 点火遅延：-32.45 点火遅延：7.01度 425.39μs 最大遅延：101.69 最大遅延：15.53度 941.94μs 排気／煤煙 ディーゼルの参考運転 ディーゼルＣＯ：567.28ppm ディーゼルＮＯ_x：513.16ppm エマルションＣＯ：1120ppm ΔＣＯ：97.43％ エマルションＮＯ_x：372.11ppm ΔＮＯ_x：−27.49％ エマルションＮＯ：324.00ppm エマルションＮＯ₂：48.00ppm エマルションＣＯ₂：7.60％ ＱＥＴ燃料試料番号：ＱＦ−００８８−０１ 配合および組成 混合備考：KD17-51-1;QF-0056＋Novel II 燃料比：水の重量%：5.85％ 界面活性剤パッケージ：26.15％ （界面活性剤＋補助界面活性剤）／水：4.47 界面活性剤：補助界面活性剤の比：1.53 測定したパラメータ 「燃料」に関する燃焼熱の情報 エマルション密度（計算値）：0.8620ｇ／cc エマルション密度（測定値）： 0.8600ｇ／cc ＤＬＳデータ： ミセル径：１nm エマルション粘度：7.64cP 強度（計数率）：24.3 屈折率：1.450 多分散度：0.250 表面張力：０dyne／cm ボンベのデータ： 高加熱値：17291.4Btu・lb 低加熱値：16080.6Btu・lb 燃焼度数：0.89 注釈：おそらく大きさが過少のため測定できない、ＪＪＤ 標準燃費 ディーゼルの参考運転 およびエンジンのパラメータ ＳＦＣ（質量）：0.059000ｇ燃料／馬力秒 ΔＳＦＣ（質量）：−18.000％ ＳＦＣ（体積）：0.068ml燃料／馬力秒 ΔＳＦＣ（体積）：−14.994％ 調整ＳＦＣ：0.053ｇ（併合）燃料／馬力秒 効率：0.95 原価： 成分による原価分析 成分 原価（＄／等価ガロン） PhillipsＤ−２ 0.429 TOFA w/45%NH₃ 0.330 ｎ−ペンタノール 0.125 112-4エトキシラート新規II 0.176 原価：1.060＄／等価ガロン ディーゼルに対する懲罰的負担（原料）：0.440＄／ガロン ディーゼルに対する懲罰的負担（燃料消費）：0.093＄−ＭＰＧ ディーゼルに対する懲罰的負担（合計）：0.533 圧力データ 圧力（psi） クランク角（度） 圧縮：659.90psi 圧縮：359.49 点火：602.86psi 点火：367.52 最大：738.94psi 最大：375.05 点火遅延：-57.04 点火遅延：8.03度 484.11μs 最大遅延：79.04 最大遅延：15.56度 937.96μs 排気／煤煙 ディーゼルの参考運転 ディーゼルＣＯ：538.16ppm ディーゼルＮＯ_x：527.50ppm エマルションＣＯ：1116.4ppm ΔＣＯ：107.45％ エマルションＮＯ_x：398.2ppm ΔＮＯ_x：-24.51％ エマルションＮＯ：350.80ppm エマルションＮＯ₂：47.00ppm エマルションＣＯ₂：7.50％ ＱＥＴ燃料試料番号：ＱＦ−００９０−０１ 配合および組成 混合備考：KD17-51-3;QF-0057およびNovel II 燃料比：水の重量%：5.85％ 界面活性剤パッケージ：23.90％ （界面活性剤＋補助界面活性剤）／水：4.08 界面活性剤：補助界面活性剤の比：2.77 測定したパラメータ 「燃料」に関する燃焼熱の情報 エマルション密度（計算値）：0.8644ｇ／cc エマルション密度（測定値）： 0.0000ｇ／cc ＤＬＳデータ： ミセル径：１nm エマルション粘度：8591cP 強度（計数率）：24.3 屈折率：1.454 多分散度：0.250 表面張力：０dyne／cm ボンベのデータ： 高加熱値：17659.5Btu・lb 低加熱値：16493.7Btu・lb 燃焼度数：0.91 注釈：おそらく大きさが過少のためＤＬＳでは測定できない、ＪＪＤ 標準燃費 ディーゼルの参考運転 およびエンジンのパラメータ ＳＦＣ（質量）：0.058000ｇ燃料／馬力秒 ΔＳＦＣ（質量）：-16.000％ ＳＦＣ（体積）：0.067ml燃料／馬力秒 ΔＳＦＣ（体積）：-12.727％ 調整ＳＦＣ：0.053ｇ（併合）燃料／馬力秒 効率：0.94 原価： 成分による原価分析 成分 原価（＄／等価ガロン） PhillipsＤ−２ 0.444 TOFA w/45%NH₃ 0.377 ｎ−ペンタノール 0.062 112-4エトキシラート新規II 0.176 原価：1.060＄／等価ガロン ディーゼルに対する懲罰的負担（原料）：0.440＄／ガロン ディーゼルに対する懲罰的負担（燃料消費）：0.079＄−ＭＰＧ ディーゼルに対する懲罰的負担（合計）：0.519 圧力データ 圧力（psi） クランク角（度） 圧縮：657.81psi 圧縮：359.24 点火：615.18psi 点火：365.76 最大：769.54psi 最大：372.77 点火遅延：-42.62 点火遅延：6.51度 395.66μs 最大遅延：111.73 最大遅延：13.53度 821.75μs 排気／煤煙 ディーゼルの参考運転 ディーゼルＣＯ：523.25ppm ディーゼルＮＯ_x：528.65ppm エマルションＣＯ：1190ppm ΔＣＯ：127.42％ エマルションＮＯ_x：394ppm ΔＮＯ_x：-25.47％ エマルションＮＯ：348.00ppm エマルションＮＯ₂：46.00ppm エマルションＣＯ₂：7.50％

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．燃料を含む組成物であって、突出した非局在化pπ電子軌道を有するクラ スターが前記燃料内に分散した組成物。 ２．前記クラスターが、構造体の表面から突出した非局在化pπ型電子軌道を 形成し、その構造内の少なくとも一つの酸素に高反応性を付与するのに十分な連 続的電子軌道相互作用を行うことのできる、酸素含有分子を含む請求項１に記載 の組成物。 ３．前記クラスターが、水クラスターから成り、隣接する水分子上のb₁及びlb₂ 電子軌道の連続的相互作用により形成された充填非局在化pπ型電子軌道を有し 、前記非局在化pπ型電子軌道が、水構造体の表面から突出し、水構造体内の酸 素に高反応性を付与する請求項１に記載の組成物。 ４．前記酸素含有分子が、水、飽和アルコール、界面活性剤、包接イオン、包 接原子、包接分子、及び包接複合有機又は金属−有機配位子から成る群から選択 される請求項３に記載の組成物。 ５．前記水クラスターが、それを酸化性付加反応のための触媒として機能させ 得る電子的構造を有する請求項３に記載の組成物。 ６．酸素振動モードが高められて前記水クラスターが高反応性になることを特 徴とする請求項３に記載の組成物。 ７．前記水クラスターが五角形構造体から成る請求項３に記載の組成物。 ８．外部磁場をかけることにより前記水クラスターの振動モードが高められた 請求項６に記載の組成物。 ９．動的ヤーン・テラー効果を利用して酸素−酸素振動モードを高める請求項 ６に記載の組成物。 １０．非局在化pπ電子軌道に関与する能力を有する第一界面活性剤を更に含む 請求項１に記載の組成物。 １１．前記第一界面活性剤が少なくとも一つの酸素を含む親水性末端を有する請 求項１０に記載の組成物。 １２．前記親水性末端がカルボキシル（COOH）、エトキシル（CH₃CH₂O）、CO₃及 び NO₃から成る群から選択される少なくとも一つの化学基を含む請求項１１に記載 の組成物。 １３．前記第一界面活性剤が約６〜２０の炭素原子を含む疎水性端を含む疎水性 末端を有する請求項１に記載の組成物。 １４．前記第一界面活性剤がオレイン酸、リノール酸及びステアリン酸から成る 群から選択される請求項１に記載の組成物。 １５．前記第一界面活性剤より低極性であって、前記第一界面活性剤の疎水性末 端を配列させることに関与する第二界面活性剤を更に含む請求項１３に記載の組 成物。 １６．前記水クラスターの平均直径が約２０Å未満である請求項１に記載の組成 物。 １７．前記各水クラスターが約５〜３００の水分子を含む請求項１６に記載の組 成物。 １８．前記各水クラスターが約２０〜１００の水分子を含む請求項１７に記載の 組成物。 １９．前記各水クラスターが約２０の水分子を含む請求項１８に記載の組成物。 ２０．前記水クラスターが、少なくとも部分的に五角形対称性の水分子配置を含 む請求項１に記載の組成物。 ２１．前記水クラスターが少なくとも部分的に五角十二面体対称性の水分子配置 を含む請求項２０に記載の組成物。 ２２．前記各水クラスターが少なくとも一つの五角十二面体水クラスターを含む 請求項２１に記載の組成物。 ２３．前記各水クラスターが五角十二面体の配置の約２０の水分子を含む請求項 ２２に記載の組成物。 ２４．水クラスターを提供する段階及び前記燃料内に前記水クラスターを分散さ せる段階から成る方法で製造された請求項１に記載の組成物。 ２５．前記提供する段階が、近赤外線〜マイクロ波領域の振動周波数を有する酸 素−酸素振動モードを誘導する段階を含む請求項２４に記載の組成物。 ２６．前記提供する段階が、約５〜２５０cm^-1の振動周波数の酸素−酸素振動モ ードを誘導する段階を含む請求項２５に記載の組成物。 ２７．前記誘導する段階が外部磁場をかける段階から成る請求項２５に記載の組 成物。 ２８．前記誘導する段階が、前記酸素−酸素振動モードを本質的に動的ヤーン・ テラー効果により誘導する段階から成る請求項２５に記載の組成物。 ２９．前記提供する段階が、五角十二面体水構造体が製造されるように極超音速 ノズルから水を放出する段階から成る請求項２４に記載の組成物。 ３０．前記放出する段階が、触媒材料から成る極超音速ノズルから水を放出する 段階から成る請求項２９に記載の組成物。 ３１．前記触媒材料がニッケル及びニッケル合金から成る群から選択される請求 項３０に記載の組成物。 ３２．前記提供する段階が、五角十二面体水クラスターを提供する段階から成る 請求項１に記載の組成物。 ３３．前記五角十二面体水クラスターを提供する段階が、包接化、界面活性剤の 添加、充分な電圧及び適当な周波数の電気スパークの適用、及び超音波の適用か ら成る群から選択される方法から成る請求項３２に記載の組成物。 ３４．前記提供する段階が、中性クラスターを提供する段階、及び中性クラスタ ーをイオン化する段階から成る請求項２４、２９又は３０に記載の組成物。 ３５．前記エマルジョンが少なくとも約５%の水を含む請求項１に記載の組成物 。 ３６．前記エマルジョンが５〜１２%の水を含む請求項１に記載の組成物。 ３７．前記燃料が一種の炭化水素から成る請求項１に記載の組成物。 ３８．前記燃料がガソリン又はディーゼルを含む請求項１に記載の組成物。 ３９．前記燃料がディーゼルを含む請求項１に記載の組成物。 ４０．標準ディーゼルエンジン内で前記エマルジョンを燃焼することにより、前 記エンジン内で純粋ディーゼル燃料を燃焼する場合に比べて粒子状NO_xの排気が 減少する請求項１に記載の組成物。 ４１．安定性、可燃性及び潤滑性から成る群から選択される特徴を改良するため に選択された添加物を更に含む請求項１に記載の組成物。 ４２．更に中和剤を含む請求項１に記載の組成物。 ４３．前記中和剤がメチルアミン及びアンモニアから成る群から選択される請求 項４２に記載の組成物。 ４４．粒子状NO_xの排気が２０〜３０％減少する請求項４０に記載の組成物。 ４５．突出した非局在化pπ電子軌道を有する水クラスターを提供する段階、及 び突出したpπ水クラスター電子軌道及び燃料の炭素原子に関連する電子軌道が 重複するような方法で前記水クラスターを燃料にさらす段階から成る燃料の燃焼 効率を改良する方法。 ４６．小室、水クラスター注入器、及び燃料注入器を含むエンジンであって、液 体の水をエンジンに加えた場合に突出した非局在化pπ電子軌道を有する水クラ スターを小室に放出する方法でその水が前記水クラスター注入器を通過し、前記 燃料注入器が燃料炭素原子電子軌道をさらして前記水クラスターpπ電子軌道と 相互作用させる方法で燃料を小室に注入するエンジン。 ４７．前記水クラスター注入器が極超音速ノズルを含む請求項４６に記載のエン ジン。 ４８．前記極超音速ノズルが触媒材料から成る請求項４７に記載のエンジン。 ４９．前記水クラスターエジェクターが五角十二面体水構造体から成る水クラス ターを形成するように調整された請求項４４に記載のエンジン。