JP2008100901A - Carbon fibers formed from single-wall carbon nanotubes - Google Patents

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スモーリー,リチャード・イー
Daniel T Colbert
コルバート,ダニエル・ティー
Hongjie Dai
ダイ,ホンジー
Jie Liu
リウ,ジー
Andrew G Rinzler
リンツラー,アンドリュー・ジー
Jason H Hafner
ハフナー,ジェイソン・エイチ
Ken Smith
スミス,ケン
Ting Guo
グオ,ティン
Pavel Nikolaev
ニコラエフ,パベル
Andreas Thess
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method for producing a large amount of continuous and macroscopic carbon fibers from single-wall carbon nanotubes at a moderate temperature using a low-priced carbon material in high yield by a single process. <P>SOLUTION: A method for purifying a mixture containing single-wall carbon nanotubes and amorphous carbon contaminants is disclosed. The method includes a process where the mixture is heated under an oxidizing condition sufficient to remove the amorphous carbon and then a product containing single-wall nanotubes of at least about 80 wt.% is recovered. A method for producing tubular carbon molecules having lengths of about 5 to 500 nm is also disclosed. The method includes a process where a mixture of tubular carbon molecules having lengths in the range of 5-500 nm is formed by cutting a material containing single-wall nanotubes and then a fraction of the molecules having substantially equal lengths is isolated. The nanotubes can be used, alone or in combination, for power transmission cables, for solar cells, for batteries, as antennas, as molecular electronics, as probes and manipulators, and for composite materials. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

フラーレン類は、六角形及び五角形で配置されたsp2混成炭素のみから成る閉じたかご形分子である。フラーレン類(例えば、C60)は、蒸気化した炭素から凝縮により産出された閉じた球状のかご類として最初に同定された。 Fullerenes are closed cage molecules consisting solely of sp 2 hybrid carbon arranged in hexagons and pentagons. Fullerenes (eg C 60 ) were first identified as closed spherical cages produced by condensation from vaporized carbon.

フラーレンチューブ類は、蒸気化した炭素から球状のフラーレン類を製造する炭素アーク法における陽極上の炭素堆積物中に産出される。エッベセン(Ebbe
sen)ら[エッベセンI(Ebbesen I)]、「カーボンナノチューブの大規模合成(Large-Scale Synthesis Of Carbon Nanotubes)」、ネイチャー(Nature)、第358巻、第220頁(1992年7月16日)及びエッべセン(Ebbesen)ら[エッべセンII(Ebbesen II)]、「カーボンナノチューブ(Carbon Nanotubes)」、材料科学の年間レヴュー(Annual Review of Materials Science)、第24巻、第235頁(1994年)。かかるチューブ類は、本明明細書においてカーボンナノチューブ類として言及される。これらの方法により製造したカーボンナノチューブ類の多くは、多層(multi-wall)ナノチューブであった。即ち、カーボンナノチューブ類は共軸円筒に類似していた。七層迄を有するカーボンナノチューブ類が先行技術、エベッセンII;飯島ら、「グラファイト炭素の螺旋マクロ細管(Helical Microtubules of Graphitic Carbon)」、ネイチャー(Nature)、第354巻、第56頁(1991年11月7日)に記載されている。
Fullerene tubes are produced in carbon deposits on the anode in a carbon arc process that produces spherical fullerenes from vaporized carbon. Ebbe
sen) et al [Ebbesen I], “Large-Scale Synthesis Of Carbon Nanotubes”, Nature, 358, 220 (July 16, 1992). And Ebbesen et al. [Ebbesen II], “Carbon Nanotubes”, Annual Review of Materials Science, 24, 235 (1994). Year). Such tubes are referred to herein as carbon nanotubes. Many of the carbon nanotubes produced by these methods were multi-wall nanotubes. That is, carbon nanotubes were similar to coaxial cylinders. Carbon nanotubes having up to seven layers are prior art, Ebsen II; Iijima et al., “Helical Microtubules of Graphitic Carbon”, Nature, 354, 56 (1991 11). 7th).

単層カーボンナノチューブ類は、フラーレンの製造に使用される種類の直流アーク放電装置中で、炭素と少量パーセントのVIII族遷移金属を同時にアーク放電装置の陽極から蒸発させて製造された。飯島ら、「1ナノメートル直径の単殻カーボンナノチューブ」(Shingle-Shell Carbon Nanotubes of 1nm Diameter)、ネイチャー(Nature)、第363巻、第603頁(1993年);ベチューン(Bethune)ら、「単一原子層壁を有するカーボンナノチューブのコバルト触媒による成長(Cobalt Catalyzed Growth of Carbon Nanotubes with Single Atomic Layer Walls)」、ネイチャー(Nature)、第63巻、第605頁(1993年);アジャヤン(Ajayan)ら、「コバルト触媒による単殻カーボンナノチューブの合成中の成長形態(Growth Morphologies During Cobalt Catalyzed Single-Shell Carbon Nanotube Synthesis)、ケム・フィジ・レット(Chem. Phys. Lett.)、第215巻、第509頁(1993年);ズー(Zhou)ら、「YC2粒子からラジカルにより成長する単壁カーボンナノチューブ(Single-Walled Carbon Nanotubes Growing Radically From YC2 Particles)」、アプル・フィジ・レット(Appl. Phys. Lett)、第65巻、第1593頁(1994年);セラフィン(Seraphin)ら、「単壁チューブ及びナノ結晶の炭素クラスターへの封入(Single-Walled Tubes and Encapsulation of Nanocrystals Into Carbon Clusters)、エレクトロケム・ソック(Electrochem. Soc.)、第142巻、第290頁(1995年);斉藤ら、「金属及び炭化物を閉じ込めるカーボンナノカプセル(Carbon Nanocapsules Encaging Metals and Carbides)」、ジェイ・フィジ・ケム・ソリッズ(J. Phys. Chem. Solids)、第54巻、第1849頁(1993年);及び斉藤ら、「蒸発源近くで凝縮した小粒子の形成を経る単層カーボンナノチューブの押出し」(Extrusion of Single-Wall Carbon Nanotubes Via Formation of Small Particles Condensed Near an Evaporation Source)、ケム・フィジ・レット(Chem. Phys. Lett.)、第236巻、第419頁(1995年)を参照。かかる遷移金属の混合物を使用するアーク放電装置での単層カーボンナノチューブの収率を有意に高めることができることも知られている。ランベール(Lambert)ら、「単殻カーボンナノチューブ単離方向への改良条件(Improving Conditions Towards Isolating Single-Shell Carbon Nanotubes)、ケム・フィズ・レット(Chem. Phys. Lett.)、第226巻、第364頁(1994年)参照。 Single-walled carbon nanotubes were produced in a DC arc discharge device of the type used to produce fullerenes by simultaneously evaporating carbon and a small percentage of a Group VIII transition metal from the arc discharge device anode. Iijima et al., “Shingle-Shell Carbon Nanotubes of 1 nm Diameter”, Nature, 363, 603 (1993); Bethune et al., “Single Cobalt Catalyzed Growth of Carbon Nanotubes with Single Atomic Layer Walls ", Nature, 63, 605 (1993); Ajayan et al. , "Growth Morphologies During Cobalt Catalyzed Single-Shell Carbon Nanotube Synthesis, Chem. Phys. Lett., Vol. 215, p. 509 (1993); Zhou et al., “Single-Walled Carbon Nanotub Grown by Radicals from YC 2 Particles. es Growing Radially From YC 2 Particles ”, Appl. Phys. Lett, 65, 1593 (1994); Seraphin et al.,“ Single-walled tubes and nanocrystalline carbon. Single-Walled Tubes and Encapsulation of Nanocrystals Into Carbon Clusters, Electrochem. Soc., 142, 290 (1995); Saito et al., “Containing metals and carbides. Carbon Nanocapsules Encaging Metals and Carbides ", J. Phys. Chem. Solids, 54, 1849 (1993); and Saito et al.," Near evaporation sources. " Extrusion of Single-Wall Carbon Nanotubes Via Formation of Small Particles Condensed Near an Evaporation Source) -Time physics Let (Chem. Phys. Lett.), # 236, Volume, pp. 419 (1995). It is also known that the yield of single-walled carbon nanotubes in an arc discharge apparatus using such a transition metal mixture can be significantly increased. Lambert et al., “Improving Conditions Towards Isolating Single-Shell Carbon Nanotubes,” Chem. Phys. Lett., Vol. 226, 364. See page (1994).

このアーク放電方法は単層ナノチューブ類を産出することができるが、ナノチューブ類の収率は低く、また該チューブ類は、混合物中の個々のチューブ間で構造及び大きさの注目に値する変動を示す。個々のカーボンナノチューブは他の反応生成物から分離し精製することが困難である。   Although this arc discharge method can produce single-walled nanotubes, the yield of nanotubes is low, and the tubes exhibit notable variations in structure and size between individual tubes in the mixture. . Individual carbon nanotubes are difficult to separate and purify from other reaction products.

単層ナノチューブ類の改良製造法は、ここにに参照例としてそのまま包含される米国合衆国特許出願第08/687,665号名称「単層カーボンナノチューブ類よりなるロープ類(Ropes of Single-Walled Carbon Nanotubes)」に記載されている。この方法は、とりわけ遷移金属、好ましくはニッケル、コバルト又はその混合でドープしたグラファイト基質のレーザー蒸気化を使用して凝縮した炭素の少なくとも50%の収率で単層カーボンナノチューブ類を産出するものである。この方法にり産出された単層ナノチューブ類は、平行に配列し、ファンデルワールス力で結合して三角格子中に緊密に充填された10乃至1,000の単層カーボンナノチューブ類から成る「ロープ」と名づけられるクラスターとなる傾向がある。この方法により産出されたナノチューブ類は、一つの構造が優勢となる傾向はあるが構造が変動する。   An improved method for producing single-walled nanotubes is described in US patent application Ser. No. 08 / 687,665, incorporated herein by reference in its entirety, as “Ropes of Single-Walled Carbon Nanotubes. )"It is described in. This method inter alia produces single-walled carbon nanotubes in a yield of at least 50% of the condensed carbon using laser vaporization of a graphite substrate doped with a transition metal, preferably nickel, cobalt or mixtures thereof. is there. The single-walled nanotubes produced by this method consist of 10 to 1,000 single-walled carbon nanotubes arranged in parallel and closely packed in a triangular lattice by van der Waals forces. Tend to be a cluster named. Nanotubes produced by this method vary in structure, although one structure tends to dominate.

レーザー蒸気化方法は改良単層ナノチューブ配合物を産出するが、生成物は未だ不均一であり、またナノチューブ類は余りにも絡んでいるため、その可能な用途は多くは望めない。更に、炭素蒸気化は高エネルギープロセスであり、本来高価につく。そのため、より高い純度及び均一性の単層カーボンナノチューブ類を製造する改良方法の必要が残されている。更に、もし単層カーボンナノチューブが巨視的成分として入手可能でさえあれば、多くの実用的材料はその物性を利用することができるであろう。しかし、かかる成分は現在迄製造されていない。   Although the laser vaporization method yields improved single-walled nanotube formulations, the product is still heterogeneous and the nanotubes are too entangled, so many possible uses are not possible. Furthermore, carbon vaporization is a high energy process and is inherently expensive. Therefore, there remains a need for improved methods for producing single-walled carbon nanotubes with higher purity and uniformity. Furthermore, if single-walled carbon nanotubes are available as a macroscopic component, many practical materials will be able to take advantage of their physical properties. However, such ingredients have not been produced to date.

従って、本発明の目的は、安価な炭素原料を使用して、適度の温度で単層(single-wall)カーボンナノチューブ類から多量の連続した巨視的炭素繊維を高収率、単一工程で製造する方法を提供することである。   Therefore, the object of the present invention is to produce a large amount of continuous macroscopic carbon fibers from single-wall carbon nanotubes at a moderate temperature in a single process using an inexpensive carbon raw material. Is to provide a way to do.

本発明の別の目的は、かかる方法により製造された巨視的炭素繊維を提供することである。
本発明の目的はまた、巨視的炭素繊維の連続的成長における鋳型として使用するための精製した単層カーボンナノチューブ類の分子配列を提供することである。
Another object of the present invention is to provide a macroscopic carbon fiber produced by such a method.
It is also an object of the present invention to provide a molecular arrangement of purified single-walled carbon nanotubes for use as a template in the continuous growth of macroscopic carbon fibers.

本発明の他の目的は、(例えば、炭素の蒸発による)単層カーボンナノチューブ類の製造法で形成した非晶質炭素及び他の反応生成物から単層カーボンナノチューブ類を精製する方法を提供することである。   Another object of the present invention is to provide a method for purifying single-walled carbon nanotubes from amorphous carbon and other reaction products formed by a process for producing single-walled carbon nanotubes (eg, by carbon evaporation). That is.

本発明の目的はまた、実質的に非晶質炭素を含まず、一種以上の官能基で任意に誘導体化した新しい部類の管状炭素分子を提供することである。
本発明の目的はまた、本発明の炭素繊維類、ナノチューブ分子配列類及び管状炭素分子類を使用する多くのデバイスを提供することである。
It is also an object of the present invention to provide a new class of tubular carbon molecules that are substantially free of amorphous carbon and optionally derivatized with one or more functional groups.
It is also an object of the present invention to provide a number of devices using the carbon fibers, nanotube molecular arrays and tubular carbon molecules of the present invention.

本発明の目的は、カーボンナノチューブ類を含む複合材料を提供することである。
本発明の別の目的は、離層抵抗を有する複合材料を提供することである。
An object of the present invention is to provide a composite material containing carbon nanotubes.
Another object of the present invention is to provide a composite material having delamination resistance.

単層カーボンナノチューブ類及び非晶質炭素汚染物を含む混合物の精製方法が開示されている。本方法は非晶質炭素を除去するに十分な酸化条件下で該混合物を加熱する工程及びそれに続く、少なくとも約80重量%の単層カーボンナノチューブ類を含む生成物を回収する工程を含む。   A method for purifying a mixture comprising single-walled carbon nanotubes and amorphous carbon contaminants is disclosed. The method includes heating the mixture under oxidizing conditions sufficient to remove amorphous carbon, followed by recovering a product containing at least about 80 wt% single-walled carbon nanotubes.

別の実施態様において、長さ約5乃至500ナノメートルの管状炭素分子を製造する方法が開示されている。本方法は、単層カーボンナノチューブを含有する物質を切断して長さが5乃至500ナノメートルの範囲を有する管状炭素混合物を形成する工程及び実質的に等しい長さの分子画分を単離する工程を含む。開示したナノチューブ類は単独でまたは複数で、電力伝送ケーブル、太陽電池、電池に、アンテナ、分子エレクトロニクス、探針及びマニプレーターとして或いは複合物中に使用することができる。   In another embodiment, a method for producing tubular carbon molecules of about 5 to 500 nanometers in length is disclosed. The method includes cutting a material containing single-walled carbon nanotubes to form a tubular carbon mixture having a length in the range of 5 to 500 nanometers and isolating molecular fractions of substantially equal length. Process. The disclosed nanotubes can be used alone or in multiples, for power transmission cables, solar cells, batteries, as antennas, molecular electronics, probes and manipulators, or in composites.

別の実施態様において、管状炭素分子類の巨視的分子配列を形成する方法が開示されている。本方法は、50乃至500ナノメートルの範囲にある実質的に同種の長さの少なくとも約10の管状炭素分子類を用意する工程;該管状炭素分子類の少なくとも一端部に結合部分を導入する工程;該結合部分が付着する物質で被覆した支持体を用意する工程;及び結合部分を含有する該管状炭素分子類と該支持体とを接触させる工程を含む。 In another embodiment, a method for forming a macromolecular array of tubular carbon molecules is disclosed. The method substantially step of providing at least about 10 6 tubular carbon molecules such lengths of the same type in the range of 50 to 500 nanometers; introducing a linking moiety to at least one end of the tubular carbon molecules, Providing a support coated with a substance to which the binding moiety adheres; and contacting the support with the tubular carbon molecules containing the binding moiety.

別の実施態様において、管状炭素分子類の巨視的分子配列を形成する別の方法が開示されている。先ず、マイクロウエル(micowell)のノナスケール配列を支持体上に準備する。次に、金属触媒を各マイクロウエルに蒸着させる。次に、炭化水素又は一酸化炭素の原料ガスの流れを、各マイクロウエルから単層カーボンナノチューブ類を成長させる条件下で該支持体に向ける。   In another embodiment, another method of forming a macromolecular array of tubular carbon molecules is disclosed. First, a nonascale array of microwells is prepared on a support. Next, a metal catalyst is deposited on each microwell. Next, a stream of hydrocarbon or carbon monoxide source gas is directed to the support under conditions to grow single-walled carbon nanotubes from each microwell.

別の実施態様において、管状炭素分子類の巨視的分子配列を形成する更に別の方法が開示されている。この方法は、精製されてはいるが絡まった比較的無端の単層カーボンナノチューブ物質を含む表面を準備する工程;短い長さの壊れたナノチューブ類を該表面から突出させるに十分な酸化条件に該表面を付す工程;及び電界を該表面に与え、表面から該ナノチューブを突出させ、通常は表面に対して垂直に配向して整列させ、ファンデルワールス相互作用力により凝集させて配列とする工程を含む。   In another embodiment, yet another method for forming a macromolecular array of tubular carbon molecules is disclosed. The method comprises the steps of providing a purified but entangled surface containing relatively endless single-walled carbon nanotube material; oxidizing conditions sufficient to cause short length broken nanotubes to protrude from the surface. Applying a surface; and applying an electric field to the surface, projecting the nanotubes from the surface, aligning and aligning normally perpendicular to the surface, and aggregating them by van der Waals interaction force to form an array. Including.

別の実施態様において、一般的には平行に配列した少なくとも10の単層ナノチューブを含有する巨視的炭素繊維を連続的に成長させる方法が開示されている。本方法によると、一般的には平行に配向し且つ約50乃至500ナノメートルの範囲の実質的に同種の長さを有する少なくとも10の管状炭素分子の巨視的分子配列が提供される。半球状のフラーレンキャップが該配列の管状炭素分子類の上方端部から取り除かれている。該配列の管状炭素分子類の上方端部を次に触媒の金属と接触させる。該配列の端部を約500℃乃至1,300℃の範囲に加熱するために、局限したエネルギーを端部へ与えながらガス状の炭素源を該端部へ供給する。成長する炭素繊維は連続的に回収される。 In another embodiment, a method of continuously growing macroscopic carbon fibers containing at least 10 6 single-walled nanotubes, generally arranged in parallel, is disclosed. The method provides a macroscopic molecular array of at least 10 6 tubular carbon molecules that are generally oriented in parallel and have a substantially homogeneous length in the range of about 50 to 500 nanometers. A hemispherical fullerene cap has been removed from the upper end of the array of tubular carbon molecules. The upper end of the array of tubular carbon molecules is then contacted with the catalyst metal. In order to heat the ends of the array to a range of about 500 ° C. to 1,300 ° C., a gaseous carbon source is supplied to the ends while providing localized energy to the ends. Growing carbon fibers are continuously recovered.

別の実施態様において、一般的には平行に配向し、約5乃至約500ナノメートルの範囲の実質的な同種の長さを有する少なくとも10の単層カーボンナノチューブを含有する巨視的分子配列が開示されている。 In another embodiment, a macromolecular molecular array comprising at least 10 6 single-walled carbon nanotubes, generally oriented in parallel and having a substantially homogeneous length in the range of about 5 to about 500 nanometers. It is disclosed.

別の実施態様において、少なくとも約80重量%の単層カーボンナノチューブ類を含有する組成物が開示されている。
更に別の実施態様において、一般的には平行に配向した少なくとも10の単層カーボンナノチューブ類を含有する巨視的炭素繊維が開示されれいる。
In another embodiment, a composition containing at least about 80% by weight single-walled carbon nanotubes is disclosed.
In yet another embodiment, a macroscopic carbon fiber containing at least 10 6 single-walled carbon nanotubes, generally oriented in parallel, is disclosed.

別の実施態様において、単層カーボンナノチューブ類の開放端部に蒸着した触媒金属を有する少なくとも10の単層カーボンナノチューブ類を含有する巨視的分子鋳型から連続巨視的炭素繊維を形成する装置が開示されている。本装置は、成長且つアニール域において鋳型中のナノチューブ類の開放端部のみを局限的に約500℃乃至1,300℃の範囲の温度に加熱する手段を含む。本装置はまた、鋳型中のナノチューブ類の加熱された開放端部に直接隣接する成長兼アニール域へ炭素含有原料ガスを供給するための手段を含む。更に本装置はまた、成長兼アニール域の繊維の成長端部を維持しながら、成長兼アニール域から成長炭素繊維を連続的に取り出す手段を含む。 In another embodiment, an apparatus for forming continuous macroscopic carbon fibers from a macromolecular template containing at least 10 6 single-walled carbon nanotubes having a catalytic metal deposited on the open end of the single-walled carbon nanotubes is disclosed. Has been. The apparatus includes means for locally heating only the open ends of the nanotubes in the template in the growth and annealing zone to a temperature in the range of about 500 ° C to 1300 ° C. The apparatus also includes means for supplying a carbon-containing source gas to a growth and annealing zone that is directly adjacent to the heated open ends of the nanotubes in the template. In addition, the apparatus also includes means for continuously removing the grown carbon fibers from the growth and annealing zone while maintaining the growth ends of the growth and annealing zone fibers.

別の実施態様において、ナノチューブ類を含有する複合材料が開示されている。本複合材料はマトリックスと該マトリックス中に埋封されたカーボンナノチューブを含む。
別の実施態様において、カーボンナノチューブ物質を含む複合材料を製造する方法が開示されている。本方法は繊維状材料の集合体を準備する工程;ナノチューブ物質を該繊維状材料へ添加する工程;及びマトリックス材料の前駆体を該カーボンナノチューブ材料及び繊維状材料へ添加する工程を含有する。
In another embodiment, a composite material containing nanotubes is disclosed. The composite material includes a matrix and carbon nanotubes embedded in the matrix.
In another embodiment, a method for producing a composite material comprising carbon nanotube material is disclosed. The method includes the steps of providing an aggregate of fibrous materials; adding a nanotube material to the fibrous material; and adding a precursor of a matrix material to the carbon nanotube material and the fibrous material.

別の実施態様において、自然に形成する誘導体化した単層ナノチューブ分子の三次元構造体が開示されている。本構造体は一つに集合して三次元構造体となる多数の誘導体を有するいくつかの成分分子を含む。
前記目的及び当業者に明らかな他の目的は、本明細書及び請求項に記載した本発明により達成される。
In another embodiment, a naturally formed three-dimensional structure of derivatized single-walled nanotube molecules is disclosed. The structure includes a number of component molecules having a number of derivatives assembled together into a three-dimensional structure.
The above objects and other objects apparent to those skilled in the art are achieved by the present invention as described in the specification and claims.

発明の実施するための最良の形態BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION

炭素は、正にその本質により、高温蒸気から自己集合して完全な球状の閉鎖かご体(C60がその原型である)を形成する傾向を有するのみならず(遷移金属触媒の助けにより)集合して両端部を半フラーレンドームで完全に封鎖し得る完全な単層円筒状チューブとなる傾向を有する。炭素の一元的単結晶として考えられるこれらのチューブ類は垂れ下がる結合を有しない真のフラーレン分子である。 Carbon not only has a tendency to self-assemble from hot steam to form a perfectly spherical closed cage (C 60 is its prototype), but by its very nature (as a result of the transition metal catalyst) Thus, both ends tend to be a complete single-layer cylindrical tube that can be completely sealed with a half-fullerene dome. These tubes, considered as a unitary single crystal of carbon, are true fullerene molecules with no pendant bonds.

本発明の単層カーボンナノチューブ類は多層(multi-wall)カーボンナノチューブ類よりはるかに欠陥のないものとなるらしい。単層カーボンナノチューブは不飽和炭素原子価間に橋を形成することにより欠陥を償うための隣接層(neighboring walls)を有しないが、単層カーボンチューブにおける欠点は、多層カーボンナノチューブが時折欠陥を復活させ得るため、多層カーボンナノチューブに於ける欠陥よりもより少ないものであるらしい。単層カーボンナノチューブは欠陥が殆どないため、より強力で、より導電性であり、従って類似の直径を有する多層カーボンナノチューブより一層有用である。   The single-walled carbon nanotubes of the present invention appear to be much more defect-free than multi-wall carbon nanotubes. Single-walled carbon nanotubes do not have neighboring walls to compensate for defects by forming bridges between unsaturated carbon valences, but the drawbacks of single-walled carbon tubes are that multi-walled carbon nanotubes sometimes revive defects It seems that there are fewer defects than multi-walled carbon nanotubes. Single-walled carbon nanotubes are stronger and more conductive because they have few defects, and are therefore more useful than multi-walled carbon nanotubes with similar diameters.

カーボンナノチューブ類、特に本発明の単層カーボンナノチューブ類は、該カーボンナノチューブの導電性率及び大きさが小さいため集積回路等のマイクロデバイスの、或いはコンピューターに使用される半導体チップの電気コネクターの製造に有用である。該カーボンチューブ類は光周波数アンテナとして、走査型トンネル顕微鏡法(STM)及びAFMに使用されている走査型探針顕微鏡法の探針として有用である。該カーボンナノチューブ類は、自動車用タイヤのカーボンブラックの代わりに、或いはそれとともに使用してもよい。該カーボンナノチューブ類はまた、水素添加、改質及び分解触媒等の産業及び化学プロセスで使用される触媒の支持体として有用である。   Carbon nanotubes, particularly the single-walled carbon nanotubes of the present invention, are used for the manufacture of electrical connectors for semiconductor devices used in microdevices such as integrated circuits or computers, because the conductivity and size of the carbon nanotubes are small. Useful. The carbon tubes are useful as optical frequency antennas as probes for scanning tunneling microscopy (STM) and scanning probe microscopy used in AFM. The carbon nanotubes may be used in place of or in combination with carbon black for automobile tires. The carbon nanotubes are also useful as support for catalysts used in industrial and chemical processes such as hydrogenation, reforming and cracking catalysts.

本発明により製造された単層カーボンナノチューブより成るロープ類は金属性である。即ち、本ロープは比較的低抵抗で電荷を伝導する。ロープは、例えば、導電性塗料また重合体塗料の添加剤として、或いはSTMの探針先端としての用途を含む電気導体を必要とする任意の用途に有用である。   The ropes made of single-walled carbon nanotubes produced according to the present invention are metallic. That is, this rope conducts electric charge with a relatively low resistance. The rope is useful for any application requiring an electrical conductor, including, for example, as an additive in conductive paints or polymer paints, or as an STM probe tip.

カーボンナノチューブ類を定義する場合、認められている命名法系を使用することが助けとなる。本明細書において、エム・エス・ドレッセルハウス(M. S. Dresselhaus)、ジイー・ドレッセルハウス(G. Dresselhaus)及びピー・シイー・エクルント(P. C. Eklund)著、「フラーレン類及びカーボンナノチューブ類の科学」(Science of Fullerenes and Carbon Nanotubes)、第19章、特に第756頁乃至第760頁(1996)、アカデミックプレス(Academic Press)、525Bストリート、シュート1900、サンディエゴ、カリフォルニア92101、米国合衆国又はシーハーバードライブ、オルランド、フロリダ32877、米国合衆国(ISBN 0−12−221820−5)に記載され、参照例としてここに包含されるカーボンナノチューブ命名法を使用する。単層円筒状フラーレン類は、二重指数(double index)(n, m)により互いに区別される。このn及びmは、六角形「亀甲型」グラファイトの単一ストリップを円筒表面に巻き付け両端部を封鎖したとき完全な円筒となるような切断方法を記載する整数である。この二つの指数が同一(m = n)であるとき、得られるチューブは、チューブ軸に対して垂直にチューブを切断すると、六角形に側辺のみが露出してチューブ端部の周囲をかこむ型がn回繰り返されたアームチェアのアームと座席に類似しているため、「アームチェア」(又はn,n)型を呈していると言われている。アームチェア型チューブは単層カーボンナノチューブが金属性であるため、単層カーボンナノチューブの好ましい形であり、また非常に高い電気及び熱導伝性を有する。更に、単層カーボンナノチューブは全て非常に高い引張り強度を有する。   When defining carbon nanotubes, it is helpful to use an accepted nomenclature system. In this specification, "Science of Fullerenes and Carbon Nanotubes" by MS Dresselhaus, G. Dresselhaus and PC Eklund. Fullerenes and Carbon Nanotubes), Chapter 19, especially pages 756-760 (1996), Academic Press, 525B Street, Chute 1900, San Diego, California 92101, US or Sea Harbor Drive, Orlando, Florida 32877, using the carbon nanotube nomenclature described in the United States (ISBN 0-12-221820-5) and included herein as a reference example. Single-layer cylindrical fullerenes are distinguished from each other by a double index (n, m). These n and m are integers describing a cutting method in which a single cylinder of hexagonal “tortoise-shaped” graphite is wound around a cylindrical surface and both ends are sealed to form a complete cylinder. When these two indices are the same (m = n), the resulting tube is a hexagonal shape in which only the sides are exposed when the tube is cut perpendicular to the tube axis. Is similar to the arm and seat of an armchair repeated n times and is said to be of the “armchair” (or n, n) type. Armchair tubes are the preferred form of single-walled carbon nanotubes because single-walled carbon nanotubes are metallic, and have very high electrical and thermal conductivity. Furthermore, all single-walled carbon nanotubes have a very high tensile strength.

ここに記載した二重レーザーパルスの特徴は、(10, 10)型単層カーボンナノチューブを豊富に産出する。該(10, 10)型単層カーボンナノチューブは13.8オングストローム±0.3オングストローム或いは13.8オングストローム±0.2オングストロームの近似チューブ直径を有する。   The dual laser pulse feature described here produces abundantly (10, 10) type single-walled carbon nanotubes. The (10, 10) type single-walled carbon nanotubes have an approximate tube diameter of 13.8 angstroms ± 0.3 angstroms or 13.8 angstroms ± 0.2 angstroms.

本発明は、炭素及び一種以上のVI族又はVIII族の遷移金属を含有する、或いはそれらから本質的になる、或いはそれらよりなるターゲット物質をレーザービームが蒸発化する単層カーボンナノチューブ類の製造方法を提供する。該ターゲットからの該蒸気が、主たる成分である単層カーボンナノチューブでありしかもそのうち、(10, 10)型チューブ類が優勢なカーボンナノチューブを形成する。本方法はまた、ロープ類として配列した、即ち、単層カーボンナノチューブが互いに平行に並ぶものとして配列した単層カーボンナノチューブを有意量で産出する。該(10, 10)型チューブが、また各ロープに於いて見られる優勢なチューブである。本レーザー蒸発法はカーボンチューブ類の製造法であるアーク放電法に対していくつかの利点を有する。即ち、レーザー蒸発法は、単層カーボンナノチューブの成長を助ける条件の制御をはるかに高程度に行うことを可能とし、また連続操作を可能とし、更に単層カーボンナノチューブをより良い収率でより良い品質のものを産出する。ここに記載したごとく、該蒸発法はまた、より長いカーボンナノチューブ類及びより長いロープ類を産出するために使用することができる。   The present invention relates to a method for producing single-walled carbon nanotubes in which a laser beam evaporates a target material containing, consisting essentially of, or consisting of carbon and one or more group VI or VIII transition metals. I will provide a. The vapor from the target is a single-walled carbon nanotube which is a main component, and among them, (10, 10) -type tubes form dominant carbon nanotubes. The method also yields significant amounts of single-walled carbon nanotubes arranged as ropes, ie, single-walled carbon nanotubes arranged in parallel to each other. The (10, 10) type tube is also the dominant tube found on each rope. This laser evaporation method has several advantages over the arc discharge method, which is a method for producing carbon tubes. In other words, the laser evaporation method makes it possible to control the conditions that help the growth of the single-walled carbon nanotubes to a much higher degree, enables continuous operation, and further improves the single-walled carbon nanotubes in a better yield. Produce quality products. As described herein, the evaporation method can also be used to produce longer carbon nanotubes and longer ropes.

カーボンナノチューブ類は、単一単層カーボンナノチューブに関しては約0.6ナノメートル乃至3ナノメートル、5ナノメートル、10ナノメートル、30ナノメートル、60ナノメートル迄の、また単層又は多層カーボンナノチューブ類に関しては100ナノメートル迄の範囲の直径を有する。該カーボンナノチューブは、長さが50ナノメートル乃至1ミリメートル、1センチメートル、3センチメートル、5センチメートル以上の範囲にある。本発明により産出した生成物中の単層カーボンナノチューブ類の収率は異常に高い。蒸発物質の10重量%を超える、30重量%を超える、更に50重量%を超える単層カーボンナノチューブの収率も本発明に関しては可能である。   Carbon nanotubes are about 0.6 to 3 nanometers, 5 nanometers, 10 nanometers, 30 nanometers, up to 60 nanometers, and single or multi-walled carbon nanotubes for single-walled carbon nanotubes With a diameter in the range of up to 100 nanometers. The carbon nanotubes have a length in the range of 50 nanometers to 1 millimeter, 1 centimeter, 3 centimeters, 5 centimeters or more. The yield of single-walled carbon nanotubes in the product produced by the present invention is unusually high. Yields of single-walled carbon nanotubes of more than 10%, more than 30% and even more than 50% by weight of the evaporating material are possible with the present invention.

更に記載されるごとく、一種以上のVI族又はVIII族の遷移金属は、カーボンナノチューブ及び又はロープ類の長さの成長を触媒する。該一種以上のVI族又はVIII族の遷移金属はまた、単層カーボンナノチューブ類及び単層カーボンナノチューブのロープ類を高収率で産出する。カーボンナノチューブ及び又はロープの成長が達成される機構は完全には解明されていない。しかし、該一種以上のVI族又はVIII族の遷移金属がカーボンナノチューブの端部に存在すると、炭素蒸気からの炭素がカーボンナノチューブを形成する固体構造へ付加するのを容易なものとするらしい。発明者等は、この機構が生成物中におけるカーボンナノチューブ及び/又はロープの高収率で高選択性の主因であると信じており、単に本発明の結果の説明の道具としてこの機構を用いて本発明を記載する。たとえこの機構が部分的に或いは全体として正しくないことが証明されたとしても、これらの結果を達成する本発明はここにまだ充分に記載されている。   As further described, one or more Group VI or Group VIII transition metals catalyze the growth of carbon nanotubes and / or ropes. The one or more Group VI or Group VIII transition metals also yield single-walled carbon nanotubes and single-walled carbon nanotube ropes in high yield. The mechanism by which carbon nanotube and / or rope growth is achieved is not fully understood. However, the presence of the one or more group VI or VIII transition metals at the ends of the carbon nanotubes may make it easier for the carbon from the carbon vapor to add to the solid structure forming the carbon nanotubes. The inventors believe that this mechanism is the main cause of high yield and high selectivity of carbon nanotubes and / or ropes in the product, and simply use this mechanism as a tool to explain the results of the present invention. The present invention will be described. Even if this mechanism proves to be partially or totally incorrect, the present invention that achieves these results is still fully described herein.

本発明の一面は、アニール域においてカーボンナノチューブの活性端部を維持しながら炭素蒸気をカーボンナノチューブ活性端部へ供給することを含むカーボンナノチューブ類及び又はカーボンナノチューブから成るロープ類を製造する方法を含有する。加熱域に維持された炭素を含むターゲットにレーザービームを当てる装置により本発明に従って炭素を蒸発させる。類似の装置は文献、例えば、参照例として本明細書に包含される米国合衆国特許第5,300,203号及びチャイ(Chai)等の「金属を内部に有するフラーレン類」(Fullerenes with Metals Inside)、ジェイ・フィジ・ケンム(J. Phys. Chem.)、第95号、第20号、第7564頁(1991年)に記載されている。   One aspect of the present invention includes a method for producing carbon nanotubes and / or ropes comprising carbon nanotubes comprising supplying carbon vapor to the carbon nanotube active end while maintaining the active end of the carbon nanotube in the anneal zone. To do. Carbon is vaporized according to the present invention by a device that applies a laser beam to a target containing carbon maintained in a heated zone. Similar devices are described in the literature, eg, US Pat. No. 5,300,203 and Chai et al., “Fullerenes with Metals Inside”, incorporated herein by reference. J. Phys. Chem., No. 95, No. 20, p. 7564 (1991).

少なくとも一つの活性端部を有するカーボンナノチューブはまた、ターゲットがVI族またはVIII族の遷移金属又は二種以上のVI族又はVIII族の遷移金属を含有するとき形成される。本明細書において、カーボンナノチューブの「活性端部(live end)」なる用語は、一種以上のVI族又はVIII族の遷移金属の原子が位置するカーボンナノチューブの末端を意味する。カーボンナノチューブの一方又は両方の端部が活性端部であり得る。活性端部を有するカーボンナノチューブは、最初に炭素及び一種以上のVI族又はVIII族の遷移金属を含有するターゲットからの物質を蒸発させるためにレーザービームを使用することにより、次に該炭素/VI族又はVIII族の遷移金属蒸気をアニール域に供給することにより、
本発明のレーザー蒸発装置中で産出される。任意的に第二レーザービームを使用してターゲットからの炭素の蒸発を助ける。活性端部を有するカーボンナノチューブは該アニール域で形成され、蒸気中の炭素をカーボンナノチューブの活性端部へ触媒付加することにより長さが成長する。付加用の炭素蒸気を次いでカーボンナノチューブの活性端に供給しカーボンナノチューブの長さを増加させる。
Carbon nanotubes having at least one active end are also formed when the target contains a Group VI or Group VIII transition metal or two or more Group VI or Group VIII transition metals. As used herein, the term “live end” of a carbon nanotube refers to the end of the carbon nanotube where an atom of one or more Group VI or Group VIII transition metals is located. One or both ends of the carbon nanotubes can be active ends. Carbon nanotubes with active edges are then obtained by first using a laser beam to evaporate material from the target containing carbon and one or more Group VI or Group VIII transition metals. By supplying group or group VIII transition metal vapor to the annealing zone,
Produced in the laser evaporation apparatus of the present invention. Optionally a second laser beam is used to help evaporate the carbon from the target. A carbon nanotube having an active end is formed in the annealing region, and its length grows by catalytically adding carbon in the vapor to the active end of the carbon nanotube. Additional carbon vapor is then fed to the active ends of the carbon nanotubes to increase the length of the carbon nanotubes.

形成されるカーボンナノチューブは、必ずしも単層カーボンナノチューブとは限らず、二層、五層或いは十層以上のいくらでも大きな数の層(walls)を有する多層(multi-wall)カーボンナノチューブ(共軸カーボンナノチューブ類)であり得る。しかし、好ましくはカーボンナノチューブは単層カーボンナノチューブであり、本発明は、多層カーボンナノチューブよりも更に豊富に、時には遥かに豊富に(10, 10)型単層カーボンナノチューブ類を選択的に産出する方法を提供する。   The formed carbon nanotubes are not necessarily single-walled carbon nanotubes, but multi-wall carbon nanotubes (coaxial carbon nanotubes) having any number of walls, such as two, five, or ten or more layers. A). Preferably, however, the carbon nanotubes are single-walled carbon nanotubes, and the present invention provides a method for selectively producing (10, 10) -type single-walled carbon nanotubes that are more abundant and sometimes much more abundant than multi-walled carbon nanotubes. I will provide a.

カーボンナノチューブの活性端部が最初に形成されるアニール域は、500℃乃至1,500℃、より好ましくは1,000℃乃至1,400℃、最も好ましくは1,100℃乃至1,300℃に維持されるべきである。活性端部を有するカーボンナノチューブ類がアニール域で捕捉維持され、(VI族又はVIII族の遷移金属蒸気を更に加える必要なく)更に炭素の付加により長さを成長させる本発明の実施態様において、該アニール域は、より低い温度、即ち400℃乃至1,500℃、好ましくは400℃乃至1,200℃、最も好ましくは、500℃乃至700℃でよい。該アニール域の圧力は、50乃至2,000トル、より好ましくは100乃至800トル、最も好ましくは300乃至600トルに維持されるべきである。該アニール域の雰囲気は炭素を含有する。通常、該アニール域の雰囲気はまた、炭素蒸気をアニール帯から清掃して収集域へ送るガスを含有する。カーボンナノチューブの形成を妨げない任意のガスが清掃ガスとして働くが、好ましくは清掃ガスは、ヘリウム、ネオン、アルゴン、クリプトン、キセノン、ラドン或いはこれらのガスの二種以上の混合物等の不活性ガスである。ヘリウムとアルゴンが最も好ましい。流動不活性ガスを使用すると、温度制御ができそして更に重要なことであるが、ナノカーボンの活性端部へ炭素を運ぶことができる。本発明のいくつかの実施態様において、他の物質、例えば、一種以上のVI族又はVIII族の遷移金属を炭素とともに蒸発させると、これらの化合物及びその蒸気もアニール帯の雰囲気中に存在する。純料な金属を使用する場合、得られる蒸気はその金属を含有する。金属酸化物を使用する場合、得られる蒸気はその金属及びイオン類或いは酸素の分子を含有する。   The annealing region where the active end of the carbon nanotube is first formed is 500 ° C. to 1,500 ° C., more preferably 1,000 ° C. to 1,400 ° C., and most preferably 1,100 ° C. to 1,300 ° C. Should be maintained. In embodiments of the invention where carbon nanotubes having active ends are trapped and maintained in the anneal zone and grow length by further carbon addition (without the need for additional group VI or group VIII transition metal vapors) The annealing zone may be at a lower temperature, ie 400 ° C. to 1,500 ° C., preferably 400 ° C. to 1,200 ° C., most preferably 500 ° C. to 700 ° C. The annealing zone pressure should be maintained between 50 and 2,000 Torr, more preferably between 100 and 800 Torr, and most preferably between 300 and 600 Torr. The atmosphere in the annealing region contains carbon. Typically, the atmosphere in the anneal zone also contains a gas that cleans the carbon vapor from the anneal zone and sends it to the collection zone. Any gas that does not interfere with the formation of the carbon nanotubes acts as a cleaning gas, but preferably the cleaning gas is an inert gas such as helium, neon, argon, krypton, xenon, radon or a mixture of two or more of these gases. is there. Helium and argon are most preferred. The use of a flowing inert gas allows temperature control and, more importantly, can carry the carbon to the active end of the nanocarbon. In some embodiments of the present invention, when other materials, such as one or more Group VI or Group VIII transition metals, are vaporized with carbon, these compounds and their vapors are also present in the annealing zone atmosphere. When a pure metal is used, the resulting vapor contains that metal. When a metal oxide is used, the resulting vapor contains the metal and ions or oxygen molecules.

カーボンナノチューブの活性端部での該一種以上のVI族又はVIII族の遷移金属の触媒活性を殺すか或いは著しく減少させ物質をあまり多く存在させることを避けるのが重要である。水(H2O)及び又は酸素(O2)があまり多く存在すると、該一種以上のVI族又はVIII族の遷移金属の触媒活性が殺されるか或いは著しく減少することが知られている。従って、好ましくは水及び酸素はアニール域から排除される。普通5重量%未満、より好ましくは1重量%未満の水及び酸素を有する清掃ガスを使用すれば十分である。最も好ましくは、水及び酸素は0.1重量%未満である。 It is important to avoid or significantly reduce the catalytic activity of the one or more Group VI or Group VIII transition metals at the active end of the carbon nanotubes to avoid having too much material present. It is known that the presence of too much water (H 2 O) and / or oxygen (O 2 ) kills or significantly reduces the catalytic activity of the one or more group VI or VIII transition metals. Thus, preferably water and oxygen are excluded from the annealing zone. It is usually sufficient to use a cleaning gas having less than 5% by weight of water and oxygen, more preferably less than 1% by weight. Most preferably, water and oxygen are less than 0.1% by weight.

好ましくは、活性端部を有するカーボンナノチューブの形成及びそれに続く炭素蒸気のカーボンナノチューブへの付加は同一装置内で全て達成される。好ましくは、該装置は炭素及び一種以上のVI族またはVIII族の遷移金属を含有するターゲットに照射するレーザーを含有し、該ターゲット及びアニール域は適切な温度に、例えば、該アニール域を炉中に保持することにより維持する。レーザービームは炭素及び一種以上のVI族及びVIII族の遷移金属を含有するターゲットに突き当たるように照射され、該ターゲットは適切な温度に維持された炉中に保持されている石英チューブの内部に搭載されている。上に注記したごとく、該炉温度は最も好ましくは1,100℃乃至1,300℃の範囲である。チューブは必ずしも石英チューブである必要はなく、温度(1,000℃乃至1,500℃)に耐える任意の材料でできていてもよい。石英に加えアルミナ及びタングステンがチューブの作製のために使用できるであろう。   Preferably, the formation of carbon nanotubes with active ends and subsequent addition of carbon vapor to the carbon nanotubes are all accomplished in the same apparatus. Preferably, the apparatus includes a laser that irradiates a target containing carbon and one or more Group VI or Group VIII transition metals, the target and annealing zone being at an appropriate temperature, for example, the annealing zone in a furnace. Maintain by holding on. The laser beam is irradiated to strike a target containing carbon and one or more Group VI and Group VIII transition metals, and the target is mounted inside a quartz tube held in a furnace maintained at an appropriate temperature. Has been. As noted above, the furnace temperature is most preferably in the range of 1,100 ° C to 1,300 ° C. The tube need not necessarily be a quartz tube, and may be made of any material that can withstand temperatures (1,000 ° C. to 1500 ° C.). In addition to quartz, alumina and tungsten could be used for making the tube.

第二のレーザーをまたターゲットに照射する場合、改良された結果が得られ、また両方のレーザーは、時間を調節し、時間を分離してレーザーエネルギーのパルスを送出する。例えば、第一のレーザーはターゲットの表面から物質を蒸発させるに十分なパルス強度を送出する。典型的には、第一レーザーからのパルスは約10ナノ秒(ns)続く。第一のパルスを停止後、第二のレーザーからのパルスがターゲットまたは第一のパルスにより発生した炭素蒸気又はプラズマに突き当たり、ターゲット表面から物質をより均一に且つ連続して蒸発させる。第二レーザーのパルスは強度が第一レーザーのパルスと同一であっても或いはより弱いものであってもよいが、第二レーザーからパルスは典型的には第一レーザーからのパルスよりも強力であり、典型的には第一パルスの終了後約20乃至60ナノ秒、好ましくは40乃至55ナノ秒遅れて送出される。   Improved results are obtained when the target is also irradiated with a second laser, and both lasers adjust the time, separate the times and deliver pulses of laser energy. For example, the first laser delivers a pulse intensity sufficient to evaporate material from the surface of the target. Typically, the pulse from the first laser lasts about 10 nanoseconds (ns). After stopping the first pulse, the pulse from the second laser strikes the target or the carbon vapor or plasma generated by the first pulse, causing more uniform and continuous evaporation of material from the target surface. The pulse of the second laser may be the same or weaker than the pulse of the first laser, but the pulse from the second laser is typically stronger than the pulse from the first laser. Yes, typically about 20 to 60 nanoseconds, preferably 40 to 55 nanoseconds later than the end of the first pulse.

該第一及び第二レーザーの典型的な仕様例を実施例1及び3にそれぞれ示す。概略の手引としては、該第一のレーザーは、波長が11乃至0.1マイクロメートル、エネルギーが0.05乃至1ジュール、繰返し周波数が0.01乃至1,000ヘルツ(Hz)と変化し得る。該第一レーザーのパルス時間は10−13乃至10−6秒と変化し得る。該第二のレーザーは、波長が11乃至0.1マイクロメートル、エネルギーが0.05乃至1ジュール、繰返し周波数が0.01乃至1,000ヘルツと変化し得る。該第二レーザーパルスの継続時間は10−13秒乃至10−6秒と変化し得る。該第二レーザーパルスの開始は該第一レーザーパルスの終了から約10乃至100ナノ秒隔てられるべきである。該第二パルスの供給レーザーが紫外線(UV)レーザー(例えば、エキシマーレーザー)の場合は、時間遅延はより長く、1乃至10ミリ秒である。しかし該第二パルスが可視又は赤外(IR)レーザーより発せられる場合は、該第一パルスにより発生したプラズマ中の電子への吸収が好ましい。この場合、パルス間の最適時間遅延は約20乃至60ナノ秒、より好ましくは40乃至55ナノ秒、最も好ましくは40乃至50ナノ秒である。該第一及び第二のレーザーについてのこれらの範囲は、約0.3乃至10ナノメートルのターゲット複合棒のスポットに集束するビームに対するものである。該第一及び第二レーザーのパルス間の時間遅延は、パルスレーザーを使用する分野で知られているコンピューター制御により達成される。発明者等は、11メリーランドドライブ、ロックポート、イリノイ60441、米国合衆国(11 Maryland Drive, Lockport, IL 60441, U.S.A.)のカイネテックス システムズ コーポレーション(Kinetics Systems Corporation)社製の調時パルス発生機及び700チェスナットリッジ ロード、チェスナット リッジ ロード、ニューヨーク10977−6499、米国合衆国(700 Chesnut Ridge Road, Chestnut Ridge, New York 10977-6499, U.S.A.)のルコイ リサーチ システムズ(LeCoy Research Systems)社製のナノパルサー(nanopulser)とともにルコイ リサーチシステムズ社製カマック クレート(CAMAC crate)を使用した。より大きなターゲットへスケールアップするには多重第一レーザー類及び多重第二レーザー類が必要となるか或いはより強力なレーザーが使用される。多重レーザー類の主たる特徴は、第一レーザーがターゲット表面からの物質を等しく融蝕して蒸気又はプラズマとし、第二レーザーが第一パルスにより発生した蒸気またはプラズマプルーム(plume)中の融蝕された物質へ十分なエネルギーを堆積させ、該物質が原子又は小さな分子(一分子につき十個の炭素原子未満)へと蒸発することを確実にするというものである。該第二レーザーパルスが該第一パルス後あまりにも早く到達すると、第一パルスにより発生したプラズマがあまりにも濃厚であるため第二パルスが該プラズマにより反射する。第二レーザーパルスが第一パルス後あまりにも遅く到達すると、第一パルスにより発生したプラズマ及び又は融蝕された物質がターゲットの表面に突き当たる。しかし第二レーザーパルスがプラズマ及び又は融蝕された物質が形成された直後、調時して到達すると、ここに記載したごとく、該プラズマ及び又は融蝕された物質は第二レーザーパルスからエネルギーを吸収する。一連の第一レーザーパルスから第二レーザーパルスへの連続は、第一及び第二レーザーパルスと同じ繰返し周波数、即ち0.01乃至1,000ヘルツで繰り返されることにも留意すべきである。 Examples of typical specifications of the first and second lasers are shown in Examples 1 and 3, respectively. As a rough guide, the first laser can vary in wavelength from 11 to 0.1 micrometers, energy from 0.05 to 1 joule, and repetition frequency from 0.01 to 1,000 hertz (Hz). . The pulse time of the first laser can vary from 10 −13 to 10 −6 seconds. The second laser can vary in wavelength from 11 to 0.1 micrometers, energy from 0.05 to 1 joule, and repetition rate from 0.01 to 1,000 hertz. The duration of the second laser pulse may vary between 10 -13 seconds to 10 -6 seconds. The start of the second laser pulse should be about 10 to 100 nanoseconds from the end of the first laser pulse. If the second pulse supply laser is an ultraviolet (UV) laser (eg, an excimer laser), the time delay is longer and is 1 to 10 milliseconds. However, when the second pulse is emitted from a visible or infrared (IR) laser, absorption into electrons in the plasma generated by the first pulse is preferred. In this case, the optimal time delay between pulses is about 20 to 60 nanoseconds, more preferably 40 to 55 nanoseconds, and most preferably 40 to 50 nanoseconds. These ranges for the first and second lasers are for a beam focused on a target composite rod spot of about 0.3 to 10 nanometers. The time delay between the pulses of the first and second lasers is achieved by computer control known in the field of using pulsed lasers. Inventors have included 11 Maryland Drive, Lockport, Illinois 60441, timed pulse generators and 700 manufactured by Kinetics Systems Corporation of 11 Maryland Drive, Lockport, IL 60441, USA. Chestnut Ridge Road, Chestnut Ridge Road, New York 10997-6499, Nanopulser from LeCoy Research Systems, 700 Chesnut Ridge Road, Chestnut Ridge, New York 10977-6499, USA ) And Lecoy Research Systems' CAMAC crate. Multiple first lasers and multiple second lasers are required to scale up to larger targets, or more powerful lasers are used. The main feature of multiple lasers is that the first laser ablates the material from the target surface equally to vapor or plasma, and the second laser is ablated in the vapor or plasma plume generated by the first pulse. Deposit sufficient energy on the material to ensure that the material evaporates into atoms or small molecules (less than 10 carbon atoms per molecule). If the second laser pulse arrives too early after the first pulse, the plasma generated by the first pulse is so rich that the second pulse is reflected by the plasma. When the second laser pulse arrives too late after the first pulse, the plasma and / or ablated material generated by the first pulse strikes the surface of the target. However, if the second laser pulse arrives in time just after the plasma and / or ablated material is formed, the plasma and / or ablated material will receive energy from the second laser pulse as described herein. Absorb. It should also be noted that the sequence from the first laser pulse to the second laser pulse is repeated at the same repetition frequency as the first and second laser pulses, ie, 0.01 to 1,000 hertz.

実施例記載のレーザーに加えて、本発明に於いて有用な他のレーザーの例として、XeF(波長365ナノメートル)レーザー、XeCl(波長308ナノメートル)レーザー、KrF(波長248ナノメートル)及びArF(波長193ナノメートル)レーザーが含まれる。   In addition to the lasers described in the Examples, other examples of lasers useful in the present invention include XeF (wavelength 365 nanometer) laser, XeCl (wavelength 308 nanometer) laser, KrF (wavelength 248 nanometer) and ArF. A laser (wavelength 193 nanometers) is included.

任意的ではあるが好ましくは、清掃ガスをターゲットの上流のチューブに導入し、該ガスはターゲットからの蒸気を運びながらターゲットを通過して下流へ流れる。石英チューブは、炭素及び一種以上のVI族又はVIII族の遷移金属が炭素ターゲットの下流の点であるが石英チューブの加熱されている部分でカーボンナノチューブを形成する条件に保たれているべきである。アニール域で生成するカーボンナノチューブの収集は、石英チューブの先の下流端部の内部に冷却した捕集器を維持することにより容易なものとなる。例えば、カーボンナノチューブを、石英チューブの中央に搭載された水冷金属構造体上で収集することができる。カーボンナノチューブは条件さえ適切であれば、好ましくは水冷捕集器上に集積する。   Optionally, but preferably, a cleaning gas is introduced into a tube upstream of the target, and the gas flows downstream through the target carrying vapor from the target. The quartz tube should be kept under conditions where carbon and one or more group VI or VIII transition metals are downstream of the carbon target but form carbon nanotubes in the heated portion of the quartz tube. . Collection of the carbon nanotubes generated in the annealing zone is facilitated by maintaining a cooled collector inside the downstream end of the tip of the quartz tube. For example, carbon nanotubes can be collected on a water-cooled metal structure mounted in the center of a quartz tube. Carbon nanotubes are preferably accumulated on a water-cooled collector if the conditions are appropriate.

VI族又はVIII族の遷移金属はいかなるものでも本発明の該一種以上のVI族又はVIII族の遷移金属として使用し得る。VI族の遷移金属は、クロム(Cr)、モリブデン(Mo)及びタングステン(W)である。VIII族の遷移金属は、鉄(Fe)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、ルテニウム(Ru)、ロジウム(Rh)、パラジウム(Pd)、オスミウム(Os)、イリジウム(Ir)及びプラチナ(Pt)である。好ましくは、該一種以上のVI族又はVIII族の遷移金属は、鉄、コバルト、ルテニウム、ニッケル及びプラチナよりなる群から選択される。より好ましくは、コバルトとニッケルの混合物又はコバルトとプラチナの混合が使用される。本発明に有用な該一種以上のVI族又はVIII族の遷移金属は、純金属、金属酸化物、金属炭化物、金属の硝酸塩或いは他のVI族又はVIII族の遷移金属を含有する化合物として使用することができる。好ましくは、該一種以上のVI族又はVIII族の遷移金属は、純金属、金属酸化物又は金属の硝酸塩として使用される。炭素と組み合わされ、活性端部を有するカーボンナノチューブの産出を容易なものとする該一種以上のVI族又はVIII族の遷移金属の量は、0.1乃至10原子%(atom per cent)、より好ましくは0.5乃至5原子%、最も好ましくは、0.5乃至1.5原子%である。本明細書において、「原子%(atom per cent)」なる用語は存在する原子の総数に基づく特定化した原子の100分率を意味する。例えば、ニッケルと炭素の1原子%混合物とは、ニッケルと炭素原子の総数中、1%がニッケルである(残りの99%が炭素である)ことを意味する。二種以上のVI族又はVIII族の遷移金属の混合物を使用する場合、各金属は金属混合物の1乃至99原子%、好ましくは金属混合物の10乃至90原子%、最も好ましくは金属混合物の20乃至80原子%である。二種のVI族又はVIII族の遷移金属を使用する場合、各金属は最も好ましくは金属混合物の30乃至70原子%である。 三種のVI族又はVIII族の遷移金属を使用する場合、各金属は最も好ましくは金属混合物の20乃至40原子%である
本明細書に記載したごとく、該一種以上VI族又はVIII族の遷移金属はレーザーにより蒸発用のターゲットを形成するために炭素と組合わされる。ターゲットの残りの部分は炭素であり、グラファイト型、フラーレン型の炭素、ダイヤモンド型の炭素或いは重合体又は炭化水素、これらの二種以上の混合物等の化合物として炭素を含むことができる。
Any Group VI or Group VIII transition metal can be used as the one or more Group VI or Group VIII transition metals of the present invention. Group VI transition metals are chromium (Cr), molybdenum (Mo) and tungsten (W). Group VIII transition metals are iron (Fe), cobalt (Co), nickel (Ni), ruthenium (Ru), rhodium (Rh), palladium (Pd), osmium (Os), iridium (Ir) and platinum (Pt ). Preferably, the one or more Group VI or Group VIII transition metals are selected from the group consisting of iron, cobalt, ruthenium, nickel and platinum. More preferably, a mixture of cobalt and nickel or a mixture of cobalt and platinum is used. The one or more group VI or VIII transition metals useful in the present invention are used as compounds containing pure metals, metal oxides, metal carbides, metal nitrates or other group VI or VIII transition metals. be able to. Preferably, the one or more Group VI or Group VIII transition metals are used as pure metals, metal oxides or metal nitrates. The amount of the one or more Group VI or Group VIII transition metals combined with carbon to facilitate the production of carbon nanotubes with active ends is 0.1 to 10 atomic percent (atom per cent), and more Preferably it is 0.5 to 5 atomic%, and most preferably 0.5 to 1.5 atomic%. As used herein, the term “atom per cent” means a specified atomic fraction of 100 based on the total number of atoms present. For example, a 1 atomic% mixture of nickel and carbon means that 1% of the total number of nickel and carbon atoms is nickel (the remaining 99% is carbon). When a mixture of two or more Group VI or VIII transition metals is used, each metal is 1 to 99 atomic percent of the metal mixture, preferably 10 to 90 atomic percent of the metal mixture, most preferably 20 to 20 of the metal mixture. 80 atomic%. If two Group VI or Group VIII transition metals are used, each metal is most preferably 30 to 70 atomic percent of the metal mixture. When using three Group VI or Group VIII transition metals, each metal is most preferably 20-40 atomic percent of the metal mixture, as described herein, the one or more Group VI or Group VIII transition metals. Is combined with carbon to form a target for evaporation by a laser. The remainder of the target is carbon and can include carbon as a compound such as graphite-type, fullerene-type carbon, diamond-type carbon or polymers or hydrocarbons, mixtures of two or more thereof.

炭素は該一種以上のVI族又はVIII族の遷移金属と特定の比率で混合され、次いでレーザー蒸発法において結合され炭素及び該一種以上のVI族又はVIII族の遷移金属を含有するターゲットを形成する。ターゲットは炭素及び該一種以上のVI族又はVIII族の遷移金属をカーボンセメントと室温で均一に混合し、次いで混合物を型に入れる。型中の該混合物を圧縮し約130℃で約4乃至5時間加熱する。その間カーボンセメントのエポキシ樹脂は硬化する。使用される圧縮圧は、グラファイト、一種以上のVI族又はVIII族の遷移金属及びカーボンセメントの混合物を圧縮して、構造的一体性を維持するよう空隙を有しない成形体とするに十分なものであるべきである。次いで成形体をアルゴン流の雰囲気下でゆっくりと810℃迄約8時間加熱することにより炭化する。引き続き、成形炭化したターゲットを、炭素及び該一種以上のVI族又はVIII族の遷移金属を含有する蒸気を発生させるためにターゲットとして使用する前に、アルゴン流下で約1,200℃へ約12時間加熱する。   Carbon is mixed with the one or more Group VI or VIII transition metals in a specific ratio and then combined in a laser evaporation method to form a target containing carbon and the one or more Group VI or VIII transition metals. . The target uniformly mixes carbon and the one or more group VI or VIII transition metals with carbon cement at room temperature, and then places the mixture in a mold. The mixture in the mold is compressed and heated at about 130 ° C. for about 4 to 5 hours. Meanwhile, the epoxy resin of the carbon cement is cured. The compression pressure used is sufficient to compress a mixture of graphite, one or more Group VI or VIII transition metals and carbon cement to form a compact without voids to maintain structural integrity. Should be. The shaped body is then carbonized by slowly heating to 810 ° C. for about 8 hours under an atmosphere of argon flow. Subsequently, the shaped and carbonized target is used for about 12 hours to about 1,200 ° C. under a stream of argon before being used as a target to generate steam containing carbon and the one or more Group VI or VIII transition metals. Heat.

本発明は、炉中蒸発の断面図である図1を参照することにより更に理解される。ターゲット10は、チューブ12中に位置する。ターゲット10は炭素を含有し、また一種以上のVI族又はVIII族の遷移金属を含有し得る。チューブ12は絶縁体16及び加熱要素域18を含有する炉14中に位置する。炉中の対応部分は、絶縁体16’及び加熱要素域18’により示される。チューブ12は、ターゲット10が加熱要素域18中に存在するよう位置する。   The invention will be further understood by reference to FIG. 1, which is a cross-sectional view of furnace evaporation. The target 10 is located in the tube 12. Target 10 contains carbon and may contain one or more Group VI or Group VIII transition metals. Tube 12 is located in a furnace 14 containing an insulator 16 and a heating element zone 18. The corresponding part in the furnace is indicated by the insulator 16 'and the heating element area 18'. The tube 12 is positioned such that the target 10 is in the heating element area 18.

図1はまた、チューブ12の下流端部24でチューブ12中に搭載された水冷捕集器20を示す。アルゴン又はヘリューム等の不活性ガスは、その流れがチューブ12の上流端部22から下流端部24へ向かうように、チューブ12の上流端部22へ導入される。レーザービーム26はターゲット10に集束する(図示されていない)レーザーにより送出される。運転の際は、炉14は所望の温度、好ましくは1100℃乃至1300℃、通常約1200℃に加熱される。アルゴンは清掃ガスとして上流端部22に導入される。該アルゴンは、任意に所望の温度、即ち、炉14の温度とほぼ同じ温度に予備加熱してもよい。レーザービーム26はターゲット10に突き当りターゲット10中の物質を蒸発させる。ターゲット10からの蒸気は流動アルゴン流により下流端部24へと運ばれる。ターゲットが炭素のみよりなる場合、形成された蒸気は炭素蒸気である。ターゲットの一部として一種以上のVI族又はVIII族の遷移金属が含まれる場合、蒸気は炭素及び一種以上のVI族又はVIII族の遷移金属を含むものとなる。   FIG. 1 also shows a water-cooled collector 20 mounted in the tube 12 at the downstream end 24 of the tube 12. An inert gas such as argon or helium is introduced into the upstream end 22 of the tube 12 such that the flow is from the upstream end 22 to the downstream end 24 of the tube 12. Laser beam 26 is delivered by a laser (not shown) that is focused on target 10. In operation, the furnace 14 is heated to a desired temperature, preferably 1100 ° C. to 1300 ° C., usually about 1200 ° C. Argon is introduced into the upstream end 22 as a cleaning gas. The argon may optionally be preheated to a desired temperature, ie, approximately the same as the furnace 14 temperature. The laser beam 26 hits the target 10 and evaporates the substance in the target 10. Vapor from the target 10 is carried to the downstream end 24 by a flowing argon stream. If the target consists solely of carbon, the vapor formed is carbon vapor. If one or more Group VI or VIII transition metals are included as part of the target, the vapor will contain carbon and one or more Group VI or VIII transition metals.

炉から熱及び流動アルゴンは、チューブ中にアニール域として一つの領域を維持する。図1中28で記された部分のチューブ中の体積がアニール域であって、そこでは炭素蒸気が凝縮し始め、次いで実際に凝縮してカーボンナノチューブを形成する。水冷捕集器20は、700℃以下の温度、好ましくは500℃以下の温度にその表面が維持されアニール域で形成したカーボンナノチューブを捕集する。   Heat and flowing argon from the furnace maintain one region as an annealing zone in the tube. The volume in the tube of the portion marked 28 in FIG. 1 is the annealing zone where the carbon vapor begins to condense and then actually condenses to form carbon nanotubes. The water-cooled collector 20 collects the carbon nanotubes whose surface is maintained at a temperature of 700 ° C. or lower, preferably 500 ° C. or lower and formed in the annealing region.

本発明の一実施態様において、活性端部を有するカーボンナノチューブをチューブ12のアニール域部に設けられたタングステンワイヤ上に捕捉または載架することができる。本実施態様において、一種以上のVI族又はVIII族の遷移金属を有する蒸気を産出し続けることは必ずしも必要ではない。この場合、ターゲット10を炭素は含有するがVI族又はVIII族の遷移金属は含有しないターゲットへ変換することもでき、炭素がカーボンナノチューブの活性端部へ付加される。   In one embodiment of the present invention, carbon nanotubes having an active end can be captured or mounted on a tungsten wire provided in the annealed region of the tube 12. In this embodiment, it is not necessary to continue producing steam having one or more Group VI or Group VIII transition metals. In this case, the target 10 can be converted into a target containing carbon but not containing a group VI or VIII transition metal, and carbon is added to the active end of the carbon nanotube.

本発明の他の実施態様において、該ターゲットが一種以上のVI族又はVIII族の遷移金属を含有する場合、レーザービーム26により形成された蒸気は炭素及び該一種以上のVI族又はVIII族の遷移金属を含有する。その蒸気はカーボンナノチューブをアニール域で形成し、次いでそのカーボンナノチューブは水冷捕集器26上、好ましくは水冷捕集器26の先端30で堆積する。蒸気中に炭素とともに蒸気中に一種以上のVI族又はVIII族の遷移金属が存在すると、ある種のフラーレン類及びグラファイトもまた通常は形成するが、フラーレン類に代わってカーボンナノチューブ類が優先的に形成する。アニール域において蒸気中の炭素は、カーボンナノチューブの活性端部に存在する該一種以上のVI族又はVIII族の遷移金属の触媒効果により、選択的に該カーボンナノチューブの活性端部に付加する。   In another embodiment of the invention, when the target contains one or more Group VI or VIII transition metals, the vapor formed by the laser beam 26 is carbon and the one or more Group VI or VIII transitions. Contains metal. The vapor forms carbon nanotubes in the anneal zone, and the carbon nanotubes are then deposited on the water cooled collector 26, preferably at the tip 30 of the water cooled collector 26. In the presence of one or more group VI or VIII transition metals in the vapor along with carbon in the vapor, certain fullerenes and graphite usually also form, but carbon nanotubes preferentially replace fullerenes. Form. The carbon in the vapor in the annealing region is selectively added to the active end of the carbon nanotube by the catalytic effect of the one or more group VI or VIII transition metals present at the active end of the carbon nanotube.

図2はカーボンナノチューブをより長くするために使用することのできる本発明の任意の実施態様を示すもので、ターゲット10の下流ではあるがアニール域中に、チューブ12の直径方向に亙りタングステンワイヤ32を張ってある。レーザービームのパルスが炭素/VI族又はVIII族遷移金属蒸気を形成するターゲット10に突き当った後に、活性端部を有するカーボンナノチューブが蒸気中に形成する。そのいくつかのカーボンナノチューブがタングステンワイヤ上に捕捉され、活性端部はチューブ12の下流端部24へと向けられる。追加の炭素蒸気が該カーボンナノチューブを成長させる。装置のアニール域長のカーボンナノチューブを本実施態様において製造することができる。本態様において、活性端部を有するカーボンナノチューブの初期形成後、その時点で蒸気が炭素のみを含む必要があるため、炭素のみのターゲットに交換することも可能である。   FIG. 2 shows an optional embodiment of the present invention that can be used to make the carbon nanotubes longer, in the annealing zone, but downstream of the target 10 and across the diameter of the tube 12 in the tungsten wire 32. Is stretched. After the pulse of the laser beam strikes the target 10 forming a carbon / VI or VIII transition metal vapor, carbon nanotubes having active edges are formed in the vapor. Some of the carbon nanotubes are trapped on the tungsten wire and the active end is directed to the downstream end 24 of the tube 12. Additional carbon vapor grows the carbon nanotubes. Carbon nanotubes with an annealing zone length of the device can be produced in this embodiment. In this embodiment, after the initial formation of the carbon nanotube having the active end portion, the vapor needs to contain only carbon at that time, so that it can be replaced with a carbon-only target.

図2はまた、第二のレーザービーム34がターゲット10に当るときのその部分を示す。実際に、レーザービーム26及び第二レーザービーム34は、ターゲット10の同一表面に向けられるものであるが、ここに記載されるごとく異なる時間に該表面に当る。   FIG. 2 also shows that portion of the second laser beam 34 as it strikes the target 10. Indeed, the laser beam 26 and the second laser beam 34 are directed at the same surface of the target 10, but strike the surface at different times as described herein.

該レーザーまたはそれと第二レーザーとを停止することも可能である。活性端部を有する単層カーボンナノチューブが一度形成すると、該活性端部はより低い温度で且つ他の炭素源で単層カーボンナノチューブの成長を触媒する。該炭素源はフラーレン類に切り換えられ、清掃ガスの流れにより活性端部へ運ぶことができる。該炭素源は、清掃ガスにより運ばれるグラファイト粒子でもよい。該炭素源は、チューブ12に導入され、清掃ガスにより活性端部へ運ばれ活性端部を通り過ぎる炭化水素、炭化水素ガス又はその混合物であってもよい。有用な炭化水素類には、メタン、エタン、プロパン、ブタン、エチレン、プロピレン、ベンゼン、トルエン、或いは他のパラフィン系、オレフィン系、環状または芳香族炭化水素、或いは他の炭化水素が含まれる。   It is also possible to stop the laser or it and the second laser. Once single-walled carbon nanotubes with active edges are formed, the active edges catalyze the growth of single-walled carbon nanotubes at lower temperatures and with other carbon sources. The carbon source is switched to fullerenes and can be carried to the active end by the flow of cleaning gas. The carbon source may be graphite particles carried by a cleaning gas. The carbon source may be a hydrocarbon, hydrocarbon gas or a mixture thereof introduced into the tube 12 and carried to the active end by a cleaning gas and passing through the active end. Useful hydrocarbons include methane, ethane, propane, butane, ethylene, propylene, benzene, toluene, or other paraffinic, olefinic, cyclic or aromatic hydrocarbons, or other hydrocarbons.

本実施態様におけるアニール域の温度は、活性端部を有する単層カーボンナノチューブを最初に形成するために必要なアニール域の温度よりは低くすることができる。アニール域の温度は、400ないし1,500℃、好ましくは400乃至1,200℃、最も好ましくは500乃至700℃の範囲である。VI族又はVIII族の遷移金属がこれらのより低い温度でナノチューブへの炭素の付加を触媒するために、これらの低温が実行可能となる。   In this embodiment, the temperature of the annealing region can be lower than the temperature of the annealing region necessary for initially forming the single-walled carbon nanotube having the active end. The temperature of the annealing zone is in the range of 400 to 1,500 ° C., preferably 400 to 1,200 ° C., and most preferably 500 to 700 ° C. These low temperatures are feasible because group VI or group VIII transition metals catalyze the addition of carbon to the nanotubes at these lower temperatures.

ロープ中の単層カーボンナノチューブは13.8オングストローム±0.2オングストロームの直径を有することが測定により示されている。(10, 10)型単層カーボンナノチューブは約13.6オングストロームの計算値直径を有し、ロープ中の単層カーボンナノチューブは測定により主に(10, 10)型チューブであることが証明されている。各ロープ中の単層カーボンナノチューブの数は約5乃至5,000、好ましくは約10乃至1,000或いは約50乃至1,000、最も好ましくは約100乃至500と変化する。ロープ類の直径は、約20乃至200オングストローム、より好ましくは約50乃至200オングストロームの範囲である。本発明により製造されるロープ類において(10, 10)単層カーボンナノチューブがチューブの主たる部分を占める。10%を超える、30%を超える、50%を超える、75%を超える、更に90%を超える(10, 10)型単層カーボンナノチューブを有するロープ類が製造されている。50%を超える、75%を超える、更に90%を超えるアームチェア型(n,n)単層カーボンナノチューブもまた本発明により製造され、本発明の一部をなしている。各ロープ中の単層カーボンナノチューブは配列して格子定数が約17オングストロームの2−D三角格子を有するロープを形成している。長さ0.1乃至10或いは100或いは1,000ミクロンのロープ類が本発明により製造された。本発明により製造されたロープ類の抵抗率はロープが金属性であることを証明する27℃で0.34乃至1マイクロオーム/メートルと測定された。   Measurements have shown that the single-walled carbon nanotubes in the rope have a diameter of 13.8 Å ± 0.2 Å. (10,10) type single-walled carbon nanotubes have a calculated diameter of about 13.6 angstroms, and the single-walled carbon nanotubes in the rope have been proven to be predominantly (10,10) type tubes Yes. The number of single-walled carbon nanotubes in each rope varies from about 5 to 5,000, preferably from about 10 to 1,000, or from about 50 to 1,000, most preferably from about 100 to 500. The ropes have a diameter in the range of about 20 to 200 angstroms, more preferably about 50 to 200 angstroms. In the ropes produced according to the present invention, (10, 10) single-walled carbon nanotubes occupy the main part of the tube. Ropes with more than 10%, more than 30%, more than 50%, more than 75% and even more than 90% (10, 10) type single-walled carbon nanotubes have been produced. More than 50%, more than 75%, and more than 90% armchair (n, n) single-walled carbon nanotubes are also produced according to the invention and form part of the invention. The single-walled carbon nanotubes in each rope are arranged to form a rope having a 2-D triangular lattice with a lattice constant of about 17 angstroms. Rope of 0.1 to 10 or 100 or 1,000 microns in length was produced according to the present invention. The resistivity of the ropes made according to the present invention was measured as 0.34 to 1 microohm / meter at 27 ° C., which proves that the rope is metallic.

上記ロープ類から成るフェルトも製造することができる。生成物質は、ここに於いて「フェルト」として言及されているロープ類のもつれた収集体が一つに固まってマット状になって収集される。発明方法により収集されたフェルト物質は取り扱いに耐える充分な強度を有し、導電性であることが測定されている。10ミリメートル平方、100ミリメートル平方或いは1,000ミリメートル平方以上のフェルト類が発明方法により形成される。   A felt made of the above ropes can also be produced. The product is collected in a matte form, with the entangled collection of ropes referred to herein as “felt”. The felt material collected by the inventive method has been measured to have sufficient strength to withstand handling and to be conductive. Felts of 10 millimeter square, 100 millimeter square, or 1,000 millimeter square or more are formed by the inventive method.

炉中レーザー蒸発法により製造された単層カーボンナノチューブ類の一つの利点はその清浄度にある。典型的なアーク放電法により製造された単層カーボンナノチューブ類は、非晶質炭素の厚い層で覆われており、そのためレーザー蒸発法により製造された単層カーボンナノチューブの清浄な束と比較して有用性には多分限界があろう。本発明の他の利点及び特徴はその開示により明らかである。本発明はまた、グオウ(Guo)等の「レーザー蒸発法による単層カーボンナノチューブの触媒成長(Catalytic Growth Of Single-Walled Nanotubes By Laser Vaporization)」、ケム・フィジ・レット(Chem. Phys. Lett.)第243巻、第49乃至第54頁(1995年)を参照することにより理解される。   One advantage of single-walled carbon nanotubes produced by in-furnace laser evaporation is its cleanliness. Single-walled carbon nanotubes produced by a typical arc discharge method are covered with a thick layer of amorphous carbon, so compared to a clean bundle of single-walled carbon nanotubes produced by laser evaporation. The usefulness is probably limited. Other advantages and features of the invention will be apparent from the disclosure. The present invention is also described by Guo et al., “Catalytic Growth Of Single-Walled Nanotubes By Laser Vaporization”, Chem. Phys. Lett. 243, 49-54 (1995).

二重パルスレーザーにより達成される利点は、炭素及び金属を確実に最適アニール条件を経過させることである。該二重レーザーパルス法は、時間を使用して融蝕された物質の更に完全な蒸発から融蝕を分離することによりこれを達成する。これらの同一最適条件は、ここに参考例とし組み入れられる1995年7月7日付米国合衆国特許出願第08/483,045号に記載された炭素及び金属を蒸発させる太陽エネルギーの使用により達成される。該出願第08/483,045号に記載された金属の代わりに任意のVI族またはVIII族遷移金属を組み合わせることにより本願の単層カーボンナノチューブ類及びロープ類が製造される。
単層ナノチューブの精製
前記方法のいずれかにより得た物質中のカーボンナノチューブは本発明の方法に従って精製することができる。少なくとも単層ナノチューブ(SWNT)の一部分を含む混合物は、例えば、飯島ら或いはベチュン(Bethune)らにより記載されているごとく製造することができるかもしれない。しかし、相対的に高い収率で単層カーボンナノチューブを産出する製造方法が好ましい。特に、米国合衆国特許出願第08/687,665号に開示されているごときレーザー産出法は70%まで或いはそれ以上の単層ナノチューブを産出することができ、該単層ナノチューブはアームチェア構造が主たるものである。
The advantage achieved with a dual pulse laser is to ensure that the carbon and metal are subjected to optimal annealing conditions. The dual laser pulse method accomplishes this by separating the ablation from the more complete evaporation of the ablated material using time. These same optimal conditions are achieved by the use of solar energy to evaporate carbon and metals as described in US patent application Ser. No. 08 / 483,045, Jul. 7, 1995, incorporated herein by reference. The single-walled carbon nanotubes and ropes of the present application are produced by combining any Group VI or Group VIII transition metal in place of the metals described in application 08 / 483,045.
Purification of single-walled nanotubes Carbon nanotubes in materials obtained by any of the above methods can be purified according to the method of the present invention. Mixtures containing at least a portion of single-walled nanotubes (SWNT) may be made as described, for example, by Iijima et al. Or Bethune et al. However, a production method that produces single-walled carbon nanotubes in a relatively high yield is preferred. In particular, laser production methods such as those disclosed in US patent application Ser. No. 08 / 687,665 can produce up to 70% or more single-walled nanotubes, which are predominantly armchair structures. Is.

単層カーボンナノチューブを含む混合物を作製する典型的な製造法の生成物は、非晶質炭素の堆積物、グラファイト、金属化合物(例えば、酸化物)、球状フラーレン類、触媒粒子(しばしば炭素又はフラーレン類で被覆されている)及び多分多層カーボンナノチューブを含む絡み合ったフェルトである。該単層カーボンナノチューブは本質的に平行なナノチューブからなる「ロープ(ropes)」又は束となって凝集している。   The products of typical manufacturing processes for producing mixtures containing single-walled carbon nanotubes are amorphous carbon deposits, graphite, metal compounds (eg oxides), spherical fullerenes, catalyst particles (often carbon or fullerenes) And entangled felts, possibly including multi-walled carbon nanotubes. The single-walled carbon nanotubes are agglomerated as “ropes” or bundles of essentially parallel nanotubes.

単層カーボンナノチューブを高い比率で有する物質をここに記載したごとく精製すると、産出された配合物は単層ナノチューブが豊富になり、その結果該単層ナノチューブは実質的に他の物質を含まない。特に、単層ナノチューブは、精製配合物中の物質の少なくとも80%、好ましくは少なくとも90%、より好ましくは少なくとも95%、そして最も好ましくは99%を超える。   Purifying materials having a high proportion of single-walled carbon nanotubes as described herein, the resulting formulation is enriched in single-walled nanotubes so that the single-walled nanotubes are substantially free of other materials. In particular, single-walled nanotubes are at least 80%, preferably at least 90%, more preferably at least 95%, and most preferably more than 99% of the material in the purified formulation.

本発明の精製方法は非晶質炭素堆積物及び他の汚染物質を除去するために酸化条件下で単層ナノチューブ含有フェルトを加熱することを含む。本精製方法の好ましい態様において、フェルトを硝酸、過酸化水素と硫酸の混合物或いは過マンガン酸カリ等の無機酸化剤の水溶液中で加熱する。好ましくは、単層ナノチューブ含有フェルトを、実際的な時間枠内で非晶質炭素堆積物を溶蝕し去るに充分な濃度ではあるが単層カーボンナノチューブを有意な程度に溶蝕する程高くはない濃度の酸化酸溶液中で還流する。2.0乃至2.6モル濃度の硝酸がよいことが判明した。大気圧下では、かかる酸水溶液の還流温度は約120℃である。   The purification method of the present invention involves heating the single-walled nanotube-containing felt under oxidizing conditions to remove amorphous carbon deposits and other contaminants. In a preferred embodiment of the purification method, the felt is heated in an aqueous solution of an inorganic oxidizing agent such as nitric acid, a mixture of hydrogen peroxide and sulfuric acid, or potassium permanganate. Preferably, the concentration of the single-walled nanotube-containing felt is at a concentration sufficient to etch away the amorphous carbon deposits within a practical time frame, but not so high as to corrode the single-walled carbon nanotubes to a significant extent. Reflux in an oxidizing acid solution. It has been found that 2.0 to 2.6 molar nitric acid is good. Under atmospheric pressure, the reflux temperature of such an aqueous acid solution is about 120 ° C.

好ましい方法において、ナノチューブ含有フェルトを2.6モル濃度の硝酸溶液中24時間還流することができる。精製したナノチューブは、例えば、ミリポアタイプ エルエス(Millipore Type LS)のごとき5ミクロン孔径のテフロン(登録商標)フィルターで濾過することにより該酸化酸から回収することができる。好ましくは、前記濾過に次いで同一濃度の新しい硝酸溶液中で第二の24時間還流を行う。   In a preferred method, the nanotube-containing felt can be refluxed in a 2.6 molar nitric acid solution for 24 hours. Purified nanotubes can be recovered from the oxidized acid by, for example, filtering through a 5 micron pore size Teflon filter such as Millipore Type LS. Preferably, the filtration is followed by a second 24-hour reflux in fresh nitric acid solution of the same concentration.

酸性酸化条件下で還流を行うと、ナノチューブのいくつかはエステル化反応、言い換えればナノチューブの汚染を起こす結果となる。この汚染エステル物質は、鹸化により、例えば、室温エタノール中での飽和水酸化ナトリウム溶液を使用することにより除去することができる。酸化酸処理で産出される任意のエステル結合重合体の鹸化に適した他の条件は当業者であれば容易に明らかであろう。典型的には、ナノチューブ配合物は鹸化工程後中和される。6モル濃度の塩酸水溶液中で12時間ナノチューブの還流を行うことが中和に適していることが判明したが、他の適切な条件は当業者には明らかであろう。   When refluxing under acidic oxidation conditions, some of the nanotubes will result in an esterification reaction, in other words, nanotube contamination. This contaminating ester material can be removed by saponification, for example by using saturated sodium hydroxide solution in room temperature ethanol. Other conditions suitable for saponification of any ester linked polymer produced by the oxidative acid treatment will be readily apparent to those skilled in the art. Typically, the nanotube formulation is neutralized after the saponification step. While refluxing the nanotubes for 12 hours in a 6 molar aqueous hydrochloric acid solution has been found suitable for neutralization, other suitable conditions will be apparent to those skilled in the art.

酸化及び任意の鹸化及び中和後、精製したナノチューブは、沈降又は濾過により、単層ナノチューブのロープ又は束から成る精製した繊維の薄いマット、以下「バッキーペーパー(bucky paper)」として言及される形で回収することができる。典型的な例において、5ミクロンの孔径を有するテフロン(登録商標)膜で精製中和したナノチューブを濾過して、約100ミクロン厚の精製ナノチューブの黒いマットを得た。「バッキーペーパー」のナノチューブは種々の長さから成り、個々のナノチューブ或いは103迄の単層ナノチューブの束又はロープ、或いは個々の単層ナノチューブと種々の厚さから成るロープの混合物で構成されている。代わりに、「バッキーペーパー」は、以下に記載されるごとく分別により長さ又は直径及び又は分子構造が均一なナノチューブから成っていてもよい。 After oxidation and optional saponification and neutralization, the purified nanotubes are formed by precipitation or filtration into a thin mat of purified fibers consisting of ropes or bundles of single-walled nanotubes, hereinafter referred to as “bucky paper”. Can be recovered. In a typical example, the purified neutralized nanotubes were filtered with a Teflon membrane having a 5 micron pore size to obtain a black mat of purified nanotubes about 100 microns thick. “Buckypaper” nanotubes can be of various lengths, consisting of individual nanotubes or bundles or ropes of up to 10 3 single-walled nanotubes, or a mixture of individual single-walled nanotubes and ropes of various thicknesses. Yes. Alternatively, “bucky paper” may consist of nanotubes of uniform length or diameter and / or molecular structure by fractionation as described below.

精製したナノチューブ又は「バッキーペーパー」は、例えば、水素ガス雰囲気中850℃で焼き固ベーキングすることにより最終的に乾燥し、乾燥精製ナノチューブ配合物を産出する。   The purified nanotubes or “bucky paper” are finally dried, for example, by baking and solid baking in a hydrogen gas atmosphere at 850 ° C. to yield a dry purified nanotube formulation.

米国合衆国特許出願第08/687,665号のニ重レーザー方法により製造したレーザー産出単層ナノチューブ物質を、2.6モル濃度の硝酸水溶液中で、一度溶媒を交換して還流し、次いでエタノール中の飽和水酸化ナトリウム中、室温で12時間超音波による分解を行い、更に6モル濃度の塩酸水溶液で12時間中和し、該水性媒体を除去して850℃の水素ガス雰囲気中下1気圧の水素ガス(1インチの石英チューブ中流速1ないし10センチメートル/秒)中で2時間ベーキングを行ったとき、詳明なTEM、SEM及びラマンスペクトルによる分析の結果、純度は99%を超えており、主な不純物はわずかな炭素封入ニッケル/コバルト粒子であった。(図3A、3B及び3C参照)。   The laser-produced single-walled nanotube material produced by the dual laser method of US patent application Ser. No. 08 / 687,665 was refluxed once in a 2.6 molar aqueous nitric acid solution with solvent exchange and then in ethanol. In saturated sodium hydroxide at room temperature for 12 hours, neutralized with a 6 molar aqueous hydrochloric acid solution for 12 hours, the aqueous medium was removed, and 1 atmosphere under a hydrogen gas atmosphere at 850 ° C. When baked in hydrogen gas (flow rate 1 to 10 centimeters / second in a 1-inch quartz tube) for 2 hours, as a result of detailed TEM, SEM and Raman spectroscopic analysis, the purity exceeded 99%. The main impurities were few carbon encapsulated nickel / cobalt particles. (See FIGS. 3A, 3B and 3C).

別の実施態様において、わずかに塩基性(例えば、pHが約8ないし12)の溶液を鹸化工程で使用することもできる。2.6モル濃度の硝酸中での最初の洗浄で粗物質中の非晶質炭素を、周縁に種々の官能基、特にカルボン酸基を有するより大きな多環芳香族炭化水素と同様にフルボ酸やフミン酸のごとき種々の大きさの結合多環化合物に変換する。該塩基溶液は殆どの多環化合物をイオン化し、水溶液により溶解しやすくする。好ましい方法において、ナノチューブ含有フェルトを2乃至5モル濃度の硝酸中約110℃乃至125℃で6乃至15時間還流する。精製したナノチューブは濾過し、3ミクロン孔径を有するティーエス ティー ピー イソポア(TSTP Isopore)フィルター上で10ミリモル濃度の水酸化ナトリウム溶液で洗浄する。次に、濾過したナノチューブを硫酸/硝酸溶液中60℃で30分攪拌することにより磨いた。好ましい実施態様において、該溶液は容量比3対1の濃硫酸と硝酸の混合物である。この工程において、硝酸処理中産出された全ての残存物質をチューブ類から本質的に除去する。   In another embodiment, slightly basic solutions (eg, pH of about 8 to 12) can be used in the saponification step. Initial washing in 2.6 molar nitric acid converts the amorphous carbon in the crude material to fulvic acid as well as larger polycyclic aromatic hydrocarbons with various functional groups, especially carboxylic acid groups at the periphery. And conjugated polycyclic compounds of various sizes such as humic acid. The base solution ionizes most polycyclic compounds and facilitates dissolution in aqueous solutions. In a preferred method, the nanotube-containing felt is refluxed at about 110 ° C. to 125 ° C. for 6 to 15 hours in 2 to 5 molar nitric acid. The purified nanotubes are filtered and washed with 10 mM sodium hydroxide solution on a TSTP Isopore filter with a 3 micron pore size. The filtered nanotubes were then polished by stirring in a sulfuric acid / nitric acid solution at 60 ° C. for 30 minutes. In a preferred embodiment, the solution is a 3: 1 volume ratio of concentrated sulfuric acid and nitric acid. In this step, all residual material produced during the nitric acid treatment is essentially removed from the tubes.

磨きが完了すると、四倍水希釈し、ナノチューブを再び3ミクロン孔径のTSTP Isoporeフィルター上で濾過する。再びナノチューブを10ミリモル濃度の水酸化ナトリウム溶液で洗浄する。ナノチューブが乾燥すると再び懸濁するのが困難であるため、最後にナノチューブは水中に保存する。   When polishing is complete, dilute 4 times with water and filter the nanotubes again over a 3 micron pore size TSTP Isopore filter. The nanotubes are again washed with 10 mM sodium hydroxide solution. Finally, the nanotubes are stored in water because it is difficult to resuspend once the nanotubes are dry.

特別の用途に対しては更に条件を最適化することができるが、酸化酸中での還流によるこの基本的対処法が成功したことが示されている。本方法の精製により、触媒用、複合材料の成分用、或いは円筒状炭素分子及び単層ナノチューブ分子の連続巨視的炭素繊維の製造における出発物質用の単層ナノチューブが産出される。
単層カーボンナノチューブ分子
先行技術の方法により製造された単層ナノチューブはあまりに長く且つ絡みあっているためそれを精製又は操作することが大変困難である。しかし本発明は、単層ナノチューブをもはや絡み合うことのない程度の短い長さに切断し、アニールして開放端部を閉じることに備えるものである。短い閉じた円筒状のカーボンナノチューブはDNAの区分又は重合体の大きさによる分類のために使用される技法に類似した技法を用いて非常に容易に精製することができる。従って、本発明は真の新しい部類の円筒状カーボンナノチューブを効果的に提供するものである。
Although the conditions can be further optimized for special applications, this basic approach by refluxing in oxidizing acid has been shown to be successful. Purification of the process yields single-walled nanotubes for catalysts, composite components, or starting materials in the production of continuous macroscopic carbon fibers of cylindrical and single-walled nanotube molecules.
Single-walled carbon nanotube molecules Single-walled nanotubes produced by prior art methods are so long and tangled that they are very difficult to purify or manipulate. However, the present invention provides for cutting the single-walled nanotubes to a length that is no longer entangled and annealing to close the open end. Short closed cylindrical carbon nanotubes can be very easily purified using techniques similar to those used for DNA segmentation or sorting by polymer size. Thus, the present invention effectively provides a truly new class of cylindrical carbon nanotubes.

短いカーボンナノチューブの均一な集合物の調製は、ナノチューブを切断し、アニールし(再び閉じ)、続いて分別することにより達成される。切断及びアニール工程は、精製したナノチューブの「バッキーペーパー」、ナノチューブの精製前のフェルト或いは単層ナノチューブを含有する任意の物質に対して行われる。切断及びアニールをフェルトについて行う場合、好ましくは、非晶質炭素を除去するための酸化精製及び任意の鹸化に続いて行う。好ましくは、切断工程用の出発物質は実質的に他の物質を含有しない精製した単層ナノチューブである。   Preparation of a uniform collection of short carbon nanotubes is achieved by cutting the nanotubes, annealing (resealing), and subsequent fractionation. The cutting and annealing steps are performed on purified nanotube “bucky paper”, felt prior to nanotube purification, or any material containing single-walled nanotubes. When cutting and annealing is performed on the felt, it is preferably performed following oxidative purification and optional saponification to remove amorphous carbon. Preferably, the starting material for the cutting step is a purified single-walled nanotube that is substantially free of other materials.

短いナノチューブの切断は、意図する使用を容易にする一定の長さに切断するか、或いは一定の範囲の長さのものを選択するかのいずれも可能である。個々の円筒状分子自体に関係する用途(例えば、誘導体、量子デバイス中のナノスケールの導体、即ち分子配線)には、長さは正にチューブの直径より大きく、チューブの直径の約1,000倍迄である。典型的な円筒状分子は約5乃至1,000ナノメートル又はそれより長い範囲にある。以下に記載されるごとく、単層ナノチューブの炭素繊維の成長に有用な鋳型を作成するためには、約50乃至500ナノメートルの長さが好ましい。   Short nanotubes can be cut either to a certain length that facilitates their intended use, or to select a range of lengths. For applications involving individual cylindrical molecules themselves (eg, derivatives, nanoscale conductors in quantum devices, ie molecular interconnects), the length is exactly greater than the tube diameter, approximately 1,000 times the tube diameter. Up to twice. Typical cylindrical molecules range from about 5 to 1,000 nanometers or longer. As described below, a length of about 50 to 500 nanometers is preferred to create a template useful for the growth of single-walled nanotube carbon fibers.

残存断片の構造に実質的に影響を与えないで所望のナノチューブの分子の長さを達成する任意の切断方法が採用可能である。好ましい切断方法は高度の質量イオン(mass ions)の照射を採用する。この方法において、試料に、例えばサイクロトロンからの高速イオンビームを約0.1乃至10ギガ電子ボルトのエネルギーで照射する。好ましい高質量イオンは、ビスマス、金、ウラン等の約150原子質量単位を超えるものを含む。   Any cutting method that achieves the desired nanotube molecular length without substantially affecting the structure of the remaining fragments can be employed. A preferred cutting method employs irradiation of high mass ions. In this method, a sample is irradiated with a fast ion beam from, for example, a cyclotron with an energy of about 0.1 to 10 gigavolts. Preferred high mass ions include those greater than about 150 atomic mass units, such as bismuth, gold, uranium.

好ましくは、均一の長さを有する個々の単層ナノチューブの集団の調製は、不均一な「バッキーペーパー」を出発物とし、該「ペーパー」中のナノチューブを金(Au+33)高速イオンビームを使用して切断を行う。この代表的な手順において、「バッキーペーパー」(厚さ約100ミクロン)に約1012までの高速イオン/センチメートル平方を照射し、ナノチューブの長さに沿って平均100ナノメートル毎に、「ペーパー」中のナノチューブに激しい損傷を供える。高速イオン、試料を貫通する10乃至100ナノメートルの「弾丸貫通孔」に類似する方法で「バッキーペーパー」に損傷を創出する。次いで損傷したナノチューブを、イオン損傷が発生した点でチューブの熱溶封によりアニールし(閉じ)、多数のより短いナノチューブを産出することができる。これらの束のレベルで産出されたより短い円筒状の分子は、約100ナノメートル付近の長さのピークを有する不規則な切断サイズの分布を持つ。適切なアニール条件はフラーレン技術分野ではよく知られており、例えば、真空又は不活性ガス中1200℃で1時間チューブをベーキングするものである
単層ナノチューブはまた、製造中故意に該単層ナノチューブの構造中に欠陥生生原子を含有させることにより切断してより短い円筒状の分子とすることができる。これらの欠陥は化学的に創出して(例えば、酸化的に攻撃して)ナノチューブを切断し、より小さな切断とすることができる。例えば、初めの炭素蒸発源中に炭素原子1000当り1硼素を含有させることにより化学的攻撃に対しては内臓の弱点を有する単層ナノチューブを製造することができる。
Preferably, the preparation of a population of individual single-walled nanotubes having a uniform length starts with a non-uniform “bucky paper”, and the nanotubes in the “paper” use a gold (Au +33 ) fast ion beam And cut. In this exemplary procedure, a “bucky paper” (thickness of about 100 microns) is irradiated with up to about 10 12 fast ions / centimeter square, and every 100 nanometers along the length of the nanotube, “paper” It causes severe damage to the nanotubes inside. Fast ions create damage to the “bucky paper” in a manner similar to a “bullet through hole” of 10 to 100 nanometers penetrating the sample. The damaged nanotubes can then be annealed (closed) by hot sealing of the tube at the point where ion damage has occurred, yielding a number of shorter nanotubes. The shorter cylindrical molecules produced at the level of these bundles have an irregular cut size distribution with a peak around length of about 100 nanometers. Appropriate annealing conditions are well known in the fullerene art, such as baking tubes in a vacuum or inert gas at 1200 ° C. for 1 hour. By including defect biogenic atoms in the structure, it can be cut into shorter cylindrical molecules. These defects can be created chemically (eg, by oxidative attack) to cut the nanotubes into smaller cuts. For example, single-walled nanotubes with visceral weakness against chemical attack can be produced by including one boron per 1000 carbon atoms in the initial carbon evaporation source.

切断はまた、液体又は溶融炭化水素等の適当な媒体中の単層ナノチューブ懸濁液を超音波により分解することによって達成することができる。適切な音響エネルギーを生じる任意の装置が使用できる。この種の一つの好ましい液体は1,2−ジクロロエタンである。この種の一つの装置は、コウルーパーマー社(Cole-Parmer, Inc.)製コンパクトクリーナー(ワンパイント)[Compact Cleaner(One Pint)]である。この型は40キロヘルツで作動し、20ワットの出力を有する。超音波分解切断法は、充分なエネルギー入力で且つ初めの懸濁液中に存在するチューブ、ロープ又はケーブルの長さを実質的に減少させるに十分な時間連続的に行うべきである。出発物質の性質及び求める長さの減少度により典型的には約10分乃至約24時間が用いられる。   Cutting can also be accomplished by ultrasonically decomposing a single-walled nanotube suspension in a suitable medium, such as a liquid or molten hydrocarbon. Any device that produces suitable acoustic energy can be used. One preferred liquid of this type is 1,2-dichloroethane. One device of this type is the Compact Cleaner (One Pint) manufactured by Cole-Parmer, Inc. This type operates at 40 kilohertz and has an output of 20 watts. The sonication cutting method should be performed continuously with sufficient energy input and for a time sufficient to substantially reduce the length of the tube, rope or cable present in the initial suspension. Typically from about 10 minutes to about 24 hours are used depending on the nature of the starting material and the desired length reduction.

別の実施態様において、気泡崩壊[(bubble collapse)(5,000℃以下で且つ約1,000atm以下)]で創出される高温高圧によるか或いは超音波化学により産出される遊離基の攻撃によりロープ長に沿って欠陥を発生させるために、超音波分解を使用することができる。これらの欠陥は、硫酸/硝酸溶液により攻撃され、ナノチューブを汚れなく切断し、更に下に横たわる損傷及び切断用のチューブを露出する。酸がチューブを攻撃すると、チューブは完全に切り開かれ、徐々に溶蝕し返し始め、開口端部は温和な温度で再び閉じることができなくなる。好ましい方法において、ナノチューブを、40乃至45℃の硫酸/硝酸溶液中24時間攪拌しながら、浴超音波分解を行う。次いで、該硫酸/硝酸溶液中40乃至45℃で2時間超音波分解なしで攪拌する。これは超音波分解により発生した全ての欠陥を、それ以上の欠陥を発生することなく該硫酸/硝酸溶液で攻撃するものである。次いで、ナノチューブを水で4倍希釈し、0.1ミクロン孔径のブイシーティーピー(VCTP)フィルターを使用して濾過する。次に、ナノチューブを濾過し、該VCTPフィルター上で10ミリモル濃度の水酸化ナトリウム溶液で洗浄する。ナノチューブは、硫酸/硝酸溶液中で70℃で30分攪拌することにより磨かれる。磨かれたナノチューブは水で4倍希釈し、0.1ミクロン孔径のVCTPフィルターを使用して濾過し、次いで濾過し、0.1ミクロン孔径のVCTPフィルター上で10ミリモル濃度の水酸化ナトリウムで洗浄後、水中に保存する。   In another embodiment, the rope is caused by high temperature and pressure created by bubble collapse (less than 5,000 ° C. and less than about 1,000 atm) or by free radical attack produced by ultrasonic chemistry. Sonication can be used to generate defects along the length. These defects are attacked by the sulfuric acid / nitric acid solution, cutting the nanotubes cleanly and exposing the underlying damage and cutting tube. When the acid attacks the tube, the tube is completely cut open and gradually begins to erode and the open end cannot be closed again at a mild temperature. In a preferred method, the nanotubes are bath sonicated while stirring in a sulfuric acid / nitric acid solution at 40-45 ° C. for 24 hours. It is then stirred in the sulfuric acid / nitric acid solution at 40-45 ° C. for 2 hours without sonication. This attacks all defects generated by ultrasonic decomposition with the sulfuric acid / nitric acid solution without generating any further defects. The nanotubes are then diluted 4 fold with water and filtered using a 0.1 micron pore size buoy tee (VCTP) filter. The nanotubes are then filtered and washed with 10 mM sodium hydroxide solution on the VCTP filter. The nanotubes are polished by stirring for 30 minutes at 70 ° C. in a sulfuric acid / nitric acid solution. The polished nanotubes are diluted 4 times with water, filtered using a 0.1 micron pore size VCTP filter, then filtered and washed with 10 millimolar sodium hydroxide on a 0.1 micron pore size VCTP filter. Store in water.

例えば、高濃度の硝酸を使用する酸化溶蝕方法はまた、単層ナノチューブを切断してより短い長さにすることに使用できる。例えば、濃硝酸中数時間乃至1日又は2日間単層ナノチューブを還流すると有意に短い単層ナノチューブとなる。この機構による切断速度は、チューブの螺旋度(helicity)に依存する。この事実を利用すると、型による、即ち(n, m)型から(n, n)型のチューブの分離が容易となる。   For example, oxidative corrosion methods using high concentrations of nitric acid can also be used to cut single-walled nanotubes to shorter lengths. For example, refluxing single-walled nanotubes in concentrated nitric acid for several hours to one or two days results in significantly shorter single-walled nanotubes. The cutting speed by this mechanism depends on the helicity of the tube. By utilizing this fact, it becomes easy to separate the tube of the (n, n) type from the (n, m) type.

長さ分布は、酸への露出時間に従って系統的に短くなる。例えば、容量比3対1の濃硫酸/硝酸溶液中70℃でのナノチューブの平均切断は約100ナノメートル/時の速度で短くなる。容量比4対1の硫酸/30%水性過酸化水素(「ピラニア」)混合物中70℃で、短縮速度はほぼ200ナノメートル/時である。溶蝕速度は、ナノチューブのカイラル指数(n, m)、即ちジグザグ(zigzag)型チューブ(m=o)から化学的に区別される全てのアームチェア(arm-chair)型チューブ(m=x)に対して鋭敏であり、中間螺旋角(n1m)のナノチューブに対してはさほど鋭敏はない。 The length distribution is systematically shortened according to the exposure time to the acid. For example, the average cleavage of nanotubes at 70 ° C. in a concentrated sulfuric acid / nitric acid solution with a volume ratio of 3 to 1 is shortened at a rate of about 100 nanometers / hour. At 70 ° C. in a 4: 1 volume ratio sulfuric acid / 30% aqueous hydrogen peroxide (“piranha”) mixture, the shortening rate is approximately 200 nanometers / hour. The rate of corrosion is the chiral index (n, m) of the nanotube, ie all arm-chair tubes (m = x) that are chemically distinct from zigzag tubes (m = o). It is very sensitive to nanotubes with intermediate helical angles (n 1 m).

本工程により、清浄したナノチューブは50乃至500ナノメートル、好ましくは100乃至300ナノメートルの長さに切断される。得られた断片はトリトンエックス−100(Triton X-100a)[アルドリッチ社製、ミルウオーキー、ウィスコンシン、米国合衆国(Aldrich, Milwaukee, WI, U.S.A.)]等の界面活性剤と混合すると、水中コロイド懸濁液を形成する。この黒色の懸濁液は、電界流動分別を使用した長さによる選別等種々の操作及びグラファイト上への電着とそれに続くAFM画像化が可能である。 By this step, the cleaned nanotube is cut to a length of 50 to 500 nanometers, preferably 100 to 300 nanometers. The resulting fragment Triton X -100 (Triton X-100 a) [ Aldrich, Milwaukee, Wisconsin, United States United States (Aldrich, Milwaukee, WI, USA )] is mixed with a surfactant such as, water colloidal suspension Form a liquid. This black suspension can be subjected to various operations such as length sorting using electric field flow fractionation and electrodeposition onto graphite followed by AFM imaging.

別の実施態様において、単層ナノチューブは電子ビーム切断装置を使用して公知の方法で切断することができる。
前記切断技法を組合わせて用いることもできる。
In another embodiment, single-walled nanotubes can be cut in a known manner using an electron beam cutting device.
A combination of the above cutting techniques can also be used.

単層ナノチューブの均一集団は、アニール後の不均一ナノチューブ集団の分別により調製することができる。アニールしたナノチューブは、分別用の水性洗剤溶液又は有機溶媒中に分散させることができる。好ましくは、該チューブをベンゼン、トルエン、キシレン又は溶融ナフタレン中で超音波分解により分散させる。この手順の主要な機能は、ファンデルワールス力によりロープ又はマット状に結合したナノチューブを分離することである。個々のナノチューブへの分離に続き、ナノチューブは、DNA分別又は重合体分別用手順等の公知の分別手順を使用して大きさにより分別することができる。分別はまた、アニール前のチューブに対して、特に開放端部が置換基(カルボキシ基、水酸基等)を有する場合、行うこともでき、大きさ又は種類のいずれかによる分別が容易になる。代わりに、閉じたチューブを開き、誘導体としてかかる置換基を導入することができる。閉じたチューブはまた、例えば、可溶部分を端部のキャップに付加することにより誘導体化し分別を容易にすることが出来る。   A uniform population of single-walled nanotubes can be prepared by fractionating the heterogeneous nanotube population after annealing. The annealed nanotubes can be dispersed in an aqueous detergent solution or organic solvent for fractionation. Preferably, the tube is dispersed by sonication in benzene, toluene, xylene or molten naphthalene. The main function of this procedure is to separate the nanotubes bound in ropes or mats by van der Waals forces. Following separation into individual nanotubes, the nanotubes can be sorted by size using known fractionation procedures such as DNA fractionation or polymer fractionation procedures. Separation can also be performed on the tube before annealing, particularly when the open end has a substituent (carboxy group, hydroxyl group, etc.), and separation by either size or type is facilitated. Alternatively, the closed tube can be opened and such substituents introduced as derivatives. A closed tube can also be derivatized to facilitate fractionation, for example, by adding a soluble portion to the end cap.

電気泳動は、かかる一つの技法であり単層ナノチューブ分子が容易に陰電荷化されるのでその分別により適している。異なる構造の種類(例えば、アームチェア型及びジグザグ型)を有する単層ナノチューブの異なる分極化及び電気的特性を利用して種類によるナノチューブを分離することも可能である。種類による分離はまた、一種類の構造に優先して結合する部分を用いて分子の混合物を誘導体化することにより容易となり得る。   Electrophoresis is one such technique and is more suitable for fractionation because single-walled nanotube molecules are easily negatively charged. It is also possible to separate nanotubes by type using different polarization and electrical properties of single-walled nanotubes with different structural types (eg armchair type and zigzag type). Separation by type can also be facilitated by derivatizing the mixture of molecules with a moiety that binds preferentially over one type of structure.

代表的な一例に於いて、硝酸中48時間還流して精製したナノチューブから成る黒色「バッキーペーパー」の100ミクロン厚のマットに、テキサスエイ アンド エム スーパーコンダクティング サイクロトロン ファシリティ(Texas A&M Superconducting Cyclotron Facility)で(1012までのイオン/センチメートル平方の正味フラックスの)金(Au+33)イオンの2ギガ電子ボルトのビームを100分間照射した。照射した「ペーパー」は真空中1,200℃で一時間ベーキングし、チューブを「弾丸貫通孔」で封止し、次いで超音波を行いながらトルエン中に分散した。得られた円筒状の分子をSEM、AFM及びTEMにより検査した。 In a representative example, a 100 micron thick mat of black “bucky paper” consisting of nanotubes purified by refluxing in nitric acid for 48 hours on the Texas A & M Superconducting Cyclotron Facility. A 2 g electron volt beam of gold (Au +33 ) ions (up to 10 12 ions / centimeter square net flux) was irradiated for 100 minutes. The irradiated “paper” was baked in vacuum at 1,200 ° C. for 1 hour, the tube was sealed with “bullet through-holes”, and then dispersed in toluene while ultrasonically. The obtained cylindrical molecules were examined by SEM, AFM and TEM.

ここに記載した手順により、円筒部が、巻いて長軸に平行な両端部で結合したグラフェン[graphene(六角形の結合した炭素)]の実質的に無欠陥シートから形成されている単層ナノチューブである円筒状分子が製造される。該ナノチューブはフラーレンキャップ(例えば、半球状のもの)を円筒の一方の端部に、他方の端部に類似のフラーレンキャップを有することができる。一方又は両方の端部はまた開いてもよい。ここに記載した方法により調製したこれらの単層ナノチューブは実質的に非晶質炭素を含まない。これらの精製ナノチューブは実際に真の新しい部類の円筒状の分子である。   Single-walled nanotubes in which the cylindrical portion is formed from a substantially defect-free sheet of graphene [graphene (hexagonal bonded carbon)] rolled and bonded at both ends parallel to the long axis by the procedure described herein A cylindrical molecule is produced. The nanotubes can have a fullerene cap (eg, hemispherical) at one end of the cylinder and a similar fullerene cap at the other end. One or both ends may also be open. These single-walled nanotubes prepared by the methods described herein are substantially free of amorphous carbon. These purified nanotubes are indeed a truly new class of cylindrical molecules.

一般に、これらの分子の長さ、直径及び螺旋度(helicity)は、制御して所望の任意に値することができる。好ましい長さは106六角形までであり、好ましい直径は、約5乃至50六角形周長であり、その好ましい螺旋角は0度乃至30度である。 In general, the length, diameter, and helicity of these molecules can be controlled to any desired value. The preferred length is up to 10 6 hexagons, the preferred diameter is about 5 to 50 hexagonal perimeter, and the preferred helix angle is 0 to 30 degrees.

好ましくは、該円筒分子は、先に検討した方法により製造された物質を精製することにより得られる主たるアームチェア(n, n)型配置から成るナノチューブを切断及びアニールすることにより製造される。これら(n, n)型炭素分子類はここに記載したごとく精製すると、最初の真の「金属性分子(metallic molecules)」である。これらの分子は、炭素分子が高い導電性で且つ大きさが小さいため、コンピューターに使用される集積回路や半導体チップのごときデバイス用の電気コネクターの製造に有用である。単層ナノチューブ分子はまた、例えば、共鳴トンネルダイオードのごとき室温で量子効果が支配する電気デバイスの部品としても有用である。該金属性炭素分子は、光学的周波数のアンテナ及びSTM及びAFMに使用されるごとき走査型深針(probe)顕微鏡法の深針として有用である。(m, n)型チューブでm1nの場合の半導体単層ナノチューブ構造体類は、適切にドーピングすると、トランジスターのごときナノスケールの半導体デバイスとして使用することができる。 Preferably, the cylindrical molecule is produced by cutting and annealing nanotubes consisting of a main armchair (n, n) configuration obtained by purifying the material produced by the methods discussed above. These (n, n) type carbon molecules, when purified as described herein, are the first true “metallic molecules”. These molecules are useful in the manufacture of electrical connectors for devices such as integrated circuits and semiconductor chips used in computers because carbon molecules are highly conductive and small in size. Single-walled nanotube molecules are also useful as components in electrical devices where quantum effects dominate at room temperature, such as, for example, resonant tunneling diodes. The metallic carbon molecules are useful as optical frequency antennas and as deep needles in scanning probe microscopy as used in STM and AFM. Semiconductor single-walled nanotube structures in the case of (m, n) -type tubes with m 1 n can be used as nanoscale semiconductor devices, such as transistors, when properly doped.

本発明の円筒状炭素分子はまた、例えば、マイクロウェーブ吸収材料を作成するための高周波遮蔽用途においても使用することができる。
単層ナノチューブ分子は、フラーレン類として触媒されることが知られている任意の反応において、その分子の線状配置が提供する付加的利点を有する触媒として役立ちうる。炭素ナノチューブはまた、水素添加、改質及び分解触媒等の工業的、化学的方法に使用される触媒の支持体として有用である。単層ナノチューブ分子を含む物質はまた、電池及び燃料電池の水素貯蔵デバイスとして有用である。
The cylindrical carbon molecules of the present invention can also be used, for example, in high frequency shielding applications for making microwave absorbing materials.
Single-walled nanotube molecules can serve as catalysts with the additional advantages that the linear arrangement of the molecules provides in any reaction known to be catalyzed as fullerenes. Carbon nanotubes are also useful as support for catalysts used in industrial and chemical processes such as hydrogenation, reforming and cracking catalysts. Materials comprising single-walled nanotube molecules are also useful as hydrogen storage devices for batteries and fuel cells.

本発明により製造した円筒状炭素分子は、端部が開かれるか或いは半球状フラーレンドーム(hemi-fullerene dome)で封止さるその端部で化学的に誘導体化することができる。フラーレンキャップ構造体類の誘導体化はその構造の公知の反応性により容易なものとなっている。「フラーレン類の化学(The Chemistry of Fullerenes)」、アール・テイラー(R. Taylor)編、フラーレン類の上級シリーズ(The Advance Series in Fullerenes)第4巻、ワールドサイエンス(World Science)出版社、シンガポール(1995年)及びエイ・ヒルシュ(A. Hirsch)著「フラーレン類の化学(The Chemistry of the Fullerenes)」、ティーメ(Thieme)(1994年)を参照。代わりに、単層ナノチューブのフラーレンキャップは、チューブは開くには十分であるが溶蝕し返ししすぎない程度の酸化条件(例えば、硝酸または酸素/一酸化炭素)に短時間さらすことによりその一方或いは両方の端部で除去することができ、得られる開いたチューブの端部を、グラフェンシート端の反応性部位に対する公知の反応機構を使用して誘導体化することができる。   Cylindrical carbon molecules produced in accordance with the present invention can be chemically derivatized at their ends that are open or sealed with a hemi-fullerene dome. Derivatization of fullerene cap structures is facilitated by the known reactivity of the structure. “The Chemistry of Fullerenes”, edited by R. Taylor, Volume 4 of the Advance Series in Fullerenes, World Science Publishers, Singapore ( (1995) and A. Hirsch, "The Chemistry of the Fullerenes", Thieme (1994). Alternatively, fullerene caps for single-walled nanotubes can be obtained by briefly exposing them to oxidizing conditions (eg nitric acid or oxygen / carbon monoxide) that are sufficient to open the tube but do not erode too much back. It can be removed at both ends and the end of the resulting open tube can be derivatized using known reaction mechanisms for reactive sites at the end of the graphene sheet.

一般的に、かかる分子の構造は以下のごとく示される。   In general, the structure of such a molecule is shown as follows:

この構造において In this structure

は、約102乃至約106の炭素原子を有し、また約5乃至1,000ナノメートル、好ましくは約5乃至500ナノメートルの長さを有する(任意的に非炭素原子によりドープされていてもよい)実質的に欠陥不含の円筒状グラフェンシートであり; Has about 10 2 to about 10 6 carbon atoms and has a length of about 5 to 1,000 nanometers, preferably about 5 to 500 nanometers (optionally doped with non-carbon atoms). A cylindrical graphene sheet substantially free of defects;

は、該円筒状グラフェンシートに完全に嵌合し、少なくとも5個の五角形と残部の六角形を有し、典型的には少なくとも約30個の炭素原子を有し;
nは0乃至30、好ましくは0乃至12であり;そして
R、R1、R2、R3、R4及びR5は各々独立して、水素;アルキル、アシル、アリール、アラルキル、ハロゲン;置換又は無置換チオール;置換又は無置換のアミノ;ヒドロキシル及びOR’(式中R’は水素、アルキル、アシル、アリール、アラルキル、置換又は無置換のアミノ;置換又は無置換のチオール;ハロゲン;及び任意に一つ以上のヘテロ原子により中断されているか或いは任意に一つ以上の=O又は=S、ヒドロキシル、アミノアルキル基、アミノ酸又は2乃至8個のアミノ酸のペプチドで置換されている線状又は環状炭素鎖からなる群より選択される)からなる群より選択される。
Fully fits into the cylindrical graphene sheet and has at least 5 pentagons and the remainder hexagon, typically having at least about 30 carbon atoms;
n is 0 to 30, preferably 0 to 12; and
R, R 1 , R 2 , R 3 , R 4 and R 5 are each independently hydrogen; alkyl, acyl, aryl, aralkyl, halogen; substituted or unsubstituted thiol; substituted or unsubstituted amino; hydroxyl and OR '(Wherein R is hydrogen, alkyl, acyl, aryl, aralkyl, substituted or unsubstituted amino; substituted or unsubstituted thiol; halogen; and optionally interrupted by one or more heteroatoms or optionally Selected from the group consisting of one or more = O or = S, selected from the group consisting of hydroxyl, aminoalkyl groups, amino acids or linear or cyclic carbon chains substituted with peptides of 2 to 8 amino acids) Is done.

下記の定義を本明細書及び請求項において使用する。
本明細書及び請求項において(以下「ここにおいて」と言う。)使用される「アルキル」なる用語は、線状及び分岐した鎖状基の両方を含み、例えば、メチル、エチル、プロピル、イソプロピル、ブチル、第三級ブチル、イソブチル、ペンチル、ヘキシル、イソヘキシル、ヘプチル、4,4−ジメチルペンチル、オクチル、2,2,4−トリメチルペンチル、ノニル、デシル、ウンデシル、ドデシル及びそれらの種々の分岐した鎖状異性体を含む。該鎖は線状であっても環状であっても、また飽和であっても不飽和であっても、例えば、二重結合及び三重結合を含んでもいてもよい。該アルキル基は、例えば、ハロゲン、酸素、シリル、アミノ又は他の許容しうる置換基で中断又は置換されていてもよい。
The following definitions are used in the specification and claims.
The term “alkyl” as used herein and in the claims (hereinafter “herein”) includes both linear and branched chain groups such as methyl, ethyl, propyl, isopropyl, Butyl, tertiary butyl, isobutyl, pentyl, hexyl, isohexyl, heptyl, 4,4-dimethylpentyl, octyl, 2,2,4-trimethylpentyl, nonyl, decyl, undecyl, dodecyl and various branched chains thereof Including isomeric isomers. The chain may be linear or cyclic, saturated or unsaturated, and may contain, for example, double and triple bonds. The alkyl group may be interrupted or substituted with, for example, halogen, oxygen, silyl, amino or other acceptable substituents.

ここにおいて使用される「アシル」なる用語は、式−COR(式中Rは任意の置換基で、例えば、アルキル、アリール、アラルキル、ハロゲン;置換又は無置換のチオール;置換又は無置換のアミノ、置換又は無置換の酸素、ヒドロキシ又は水素)のカルボニル基を指す。   As used herein, the term “acyl” refers to the formula —COR where R is any substituent, eg, alkyl, aryl, aralkyl, halogen; substituted or unsubstituted thiol; substituted or unsubstituted amino, Substituted or unsubstituted oxygen, hydroxy or hydrogen).

ここにおいて使用される「アリール」なる用語は、環の部分に6乃至14の炭素原子を含む単環状、ニ環状或いは三環状芳香族基を指し、例えば、フェニル、ナフチル、置換フェニル又は置換ナフチルがあり、フェニル又はナフチルの置換基は、例えば、炭素数1乃至4のアルキル基、ハロゲン、炭素数1乃至4のアルコキシ、ヒドロキシ又はニトロである。   The term “aryl” as used herein refers to a monocyclic, bicyclic or tricyclic aromatic group containing 6 to 14 carbon atoms in the ring portion, for example phenyl, naphthyl, substituted phenyl or substituted naphthyl. And the substituent of phenyl or naphthyl is, for example, an alkyl group having 1 to 4 carbon atoms, halogen, alkoxy having 1 to 4 carbon atoms, hydroxy or nitro.

ここに於いて使用される「アラルキル」なる用語は、例えば、ベンジル、パラニトロベンジル、フェニルエチル、ジフェニルメチル及びトリフェニルメチル等のアリール置換基を有する上記アルキル基を指す。   The term “aralkyl” as used herein refers to the above alkyl groups having an aryl substituent such as benzyl, paranitrobenzyl, phenylethyl, diphenylmethyl and triphenylmethyl.

ここにおいて使用する「芳香環又は非芳香環」なる用語は一種以上のヘテロ原子、例えば、O、S、SO2及びNで中断された又は中断されていない5乃至8員環の芳香又は非芳香環を含むか、或いは該環は、例えば、ハロゲン、アルキル、アシル、ヒドロキシル、アリール及びアミノで置換されていてもよく、また前記へテロ原子及び置換基もまた、例えば、アルキル、アシル、アリール又はアラルキルで置換されていてもよい。 As used herein, the term “aromatic or non-aromatic ring” refers to an aromatic or non-aromatic 5- to 8-membered ring that is interrupted or uninterrupted by one or more heteroatoms such as O, S, SO 2 and N. The ring may contain or be substituted with, for example, halogen, alkyl, acyl, hydroxyl, aryl and amino, and the heteroatom and substituent may also be, for example, alkyl, acyl, aryl or It may be substituted with aralkyl.

ここにおいて使用される「線状又は環状」なる用語は、例えば、芳香又は非芳香環により任意に中断されていてもより線状鎖を含む。環状鎖は、例えば、環に先行又は後行する炭素に結合してもよい芳香又は非芳香環を含む。   The term “linear or cyclic” as used herein includes, for example, more linear chains, optionally interrupted by aromatic or non-aromatic rings. Cyclic chains include, for example, aromatic or non-aromatic rings that may be attached to carbons that precede or follow the ring.

ここに於いて使用される「置換アミノ」なる用語は一種以上の置換基、例えば、アルキル、アシル、アリール、アラルキル、ヒドロキシ及び水素で置換されていてもよいアミノ基を指す。   The term “substituted amino” as used herein refers to an amino group that may be substituted with one or more substituents such as alkyl, acyl, aryl, aralkyl, hydroxy, and hydrogen.

ここにおいて使用する「置換チオール」なる用語は、一種以上の置換基、例えば、アルキル、アシル、アリール、アラルキル、ヒドロキシ及び水素で置換されていてもよいチオールを指す。   The term “substituted thiol” as used herein refers to a thiol that may be substituted with one or more substituents such as alkyl, acyl, aryl, aralkyl, hydroxy, and hydrogen.

典型的には、開いた端部は約20までの置換基を含むことができ、閉じた端部は約30までの置換基を含んでいてもよい。立体障害のため、一端当り約12までの置換基を使用することが好ましい。   Typically, the open end can contain up to about 20 substituents and the closed end can contain up to about 30 substituents. Due to steric hindrance, it is preferred to use up to about 12 substituents per end.

上記外部誘導体化に加えて、本発明の単層ナノチューブ分子は内包的に、即ち、内包フラーレン技術分野で知られているごとく、構造内に一種以上の金属原子を含有させることにより改変することができる。構造体、例えば、C60に結合しない一種以上のより小さい分子を単層ナノチューブ分子に「装填(load)」し、外部磁場又は外力の影響下で単層ナノ分子内をC60「バッキーボール(bucky ball)」が前後頻繁に往復するがことく、分子切り換えを行うこともまた可能である。 In addition to the above external derivatization, the single-walled nanotube molecules of the present invention can be modified by inclusion, ie, by including one or more metal atoms in the structure, as is known in the endohedral fullerene art. it can. One or more smaller molecules that do not bind to the structure, eg, C 60 , are “loaded” into the single-walled nanotube molecule, and the C 60 “buckyball ( It is also possible to switch molecules without the bucky ball) moving back and forth frequently.

内包円筒状カーボンナノチューブを製造するためには、内部種(例えば、金属原子又は「バッキーボール」分子)を単層ナノチューブの形成工程中に導入するか或いは円筒状分子の調製後に付加することができる。単層ナノチューブ物質を形成するために蒸発させる炭素源中への金属類の組み入れは、内包金属フラーレン類を製造するための先行技術に記載されている方法で達成される。「バッキーボール」即ち、球状フラーレン分子は、前記した酸化溶蝕法を用いてチューブの一方の端部又は両方の端部のキャップを除去し、C60又はC70含有蒸気の存在下、混合物を(例えば、約500℃乃至約700℃に)平衡時間中加熱することにより過剰量の「バッキーボール」分子(例えば、C60又はC70)を付加することにより本発明の円筒状の炭素分子に積み込むことが好ましい。有意な(例えば、1%の数10分の1乃至約50%まで或いはそれより多い)割合のチューブが本処理中「バッキーボール」分子を捕らえる。チューブ及び「ボール」の相対的配置を選択すると、本方法は容易なものとなり得る。例えば、C60及びC70は(10, 10)型単層ナノチューブ(内径約1ナノメートル)から切り出した円筒状炭素分子に非常にうまく嵌合する。積込み工程後、「バッキーボール」分子を含むチューブは真空下約1,000℃で加熱することにより閉じる(アニールで閉鎖する)。「バッキーボール」の封入は顕微鏡による検査、例えば、TEMにより確認できる。 To produce encapsulated cylindrical carbon nanotubes, internal species (eg, metal atoms or “buckyball” molecules) can be introduced during the single-wall nanotube formation process or added after the cylindrical molecules are prepared. . Incorporation of metals into the carbon source that is evaporated to form single-walled nanotube material is accomplished by the methods described in the prior art for producing encapsulated metal fullerenes. “Buckyballs”, or spherical fullerene molecules, remove the cap at one or both ends of the tube using the oxidative erosion technique described above and leave the mixture in the presence of steam containing C 60 or C 70 ( Loading into the cylindrical carbon molecules of the present invention by adding an excess of “buckyball” molecules (eg, C 60 or C 70 ) by heating for an equilibration time (eg, from about 500 ° C. to about 700 ° C.). It is preferable. A significant percentage of tubes (eg, a few tenths of 1% to about 50% or more) captures “buckyball” molecules during the process. Selecting the relative placement of the tube and “ball” can make the method easier. For example, C 60 and C 70 fit very well into cylindrical carbon molecules cut from (10, 10) type single-walled nanotubes (inner diameter about 1 nanometer). After the loading process, the tube containing the “buckyball” molecules is closed by heating at about 1,000 ° C. under vacuum (closed by annealing). Encapsulation of “bucky balls” can be confirmed by microscopic inspection, for example, TEM.

内包的に積み込められた円筒状炭素分子は、次いで空のチューブ及び任意の残存積込め物質から、積込められた円筒状分子に導入された新しい物性、例えば、金属原子が磁性又は常磁性をチューブに付与する場合、或いは「バッキーボール」が過剰の質量をチューブに付与する場合、その物性を利用して分離することができる。これらの物性及び他の物性に基づく分離及び精製は当業者には容易に明らかであろう。   Incorporated cylindrical carbon molecules are then introduced into new physical properties introduced into the loaded cylindrical molecules from empty tubes and any remaining loaded material, e.g. metal atoms become magnetic or paramagnetic. When it is applied to the tube, or when the “bucky ball” imparts an excessive mass to the tube, it can be separated using its physical properties. Separation and purification based on these and other physical properties will be readily apparent to those skilled in the art.

C60又はC70のようなフラーレン分子は、電子的観点より(例えば、ファンデルワールス相互作用により)チューブ外で得られるよりもより安定なエネルギー配置を環境に与えるために、適切に選択された円筒分子[例えば、(10, 10)型単層ナノチューブに基づくもの]の内部に留まる。
単層カーボンナノチューブの分子配列
単層ナノチューブ分子の均一集団に対する特に興味ある一つの応用は、個々のナノチューブ配向に対し実質的に垂直な方向に延びる単層を形成すべく、実質的に平衡に配向して(例えば、ファンデルワールス力により)凝縮する単層ナノチューブより成る実質的に二次元的な配列を産出することである。かかる単層配列は、「自己集合単層[self-assembled monolayers (SAM)]又はラングミュアーブロジェット膜という[Langmuir-Blodgett film(以下「LB膜」という)] [ヒルシュ(Hirsch)、第75頁乃至第76頁参照]を用いる従来技法により形成することができる。かかる単層配列を図式的に図4に示す。この図において、ナノチューブ1は反応性被覆3(例えば、金)を有する基質2に結合している。
Fullerene molecules such as C 60 or C 70 were selected appropriately to give the environment a more stable energy configuration than obtained outside the tube from an electronic point of view (eg, via van der Waals interactions) Remain inside cylindrical molecules [eg, those based on (10, 10) single-walled nanotubes].
Molecular arrangement of single- walled carbon nanotubes One particularly interesting application for a uniform population of single-walled nanotube molecules is the orientation in a substantially equilibrium to form a single-wall that extends in a direction substantially perpendicular to the individual nanotube orientation. To produce a substantially two-dimensional array of single-walled nanotubes that condense (eg, due to van der Waals forces). Such monolayer arrangements are described in “Self-assembled monolayers (SAM)” or “Langmuir-Blodgett films” (Hirsch, p. 75). To page 76]]. Such a single layer arrangement is shown schematically in FIG. In this figure, the nanotubes 1 are bound to a substrate 2 having a reactive coating 3 (eg gold).

典型的に、自己集合単層は[金、水銀又はITO(インジウム−錫−酸化物)等の]金属である基質上に創出される。興味の対象である分子は、ここにおいては単層ナノチューブ分子であるが、−S−, −S−(CH2)n−NH−, −SiO3(CH2)3NH−等のリンカー(linker)部分を通して(通常は共有的に)基質に結合している。該結合部分は最初に基質に、或いは最初に単層ナノチューブ分子(の開いた又は閉じた端部)に結合して反応性自己集合を提供する。LB膜はニ相(例えば、ベンゼン、トルエン等の)炭化水素と水の界面に形成する。膜の配向は親水部分と親油部分をそれぞれ対向端部に有する分子又はリンカーを用いることにより達成される。 Typically, self-assembled monolayers are created on a substrate that is a metal [such as gold, mercury or ITO (indium-tin-oxide)]. The molecules that are of interest, but here is a single-walled nanotube molecules in, -S-, -S- (CH 2) n-NH-, -SiO 3 (CH 2) 3 NH- or the like linkers (linker ) Through the moiety (usually covalently) to the substrate. The binding moiety first binds to the substrate or first to the single-walled nanotube molecule (the open or closed end) to provide reactive self-assembly. The LB film is formed at the interface between a two-phase hydrocarbon (such as benzene and toluene) and water. Orientation of the membrane is achieved by using molecules or linkers having hydrophilic and lipophilic portions at opposite ends, respectively.

単層ナノチューブ分子の配列の配置は、その供される用途により均一又は不均一であり得る。同じ型及び構造の単層ナノチューブ分子を使用すれば図4に示す種類の均一配列が得られる。異なる単層ナノチューブ分子を使用すれば、ランダム又は規則不均一構造が産出される。規則不均一配列の一例を図5に示す。ここではチューブ4は(n, n)型、即ち構造において金属性であり、チューブ5は(m, n)型、即ち絶縁性である。この配置は、前もって遮蔽しておいた反応性基質の領域を除去した後、逐次反応を用いることにより達成される。   The arrangement of the array of single-walled nanotube molecules can be uniform or non-uniform depending on the application served. Using single-walled nanotube molecules of the same type and structure, a uniform arrangement of the kind shown in FIG. 4 is obtained. Using different single-walled nanotube molecules yields random or ordered heterogeneous structures. An example of the irregular order arrangement is shown in FIG. Here, the tube 4 is (n, n) -type, i.e. metallic in structure, and the tube 5 is (m, n) -type, i.e. insulative. This arrangement is achieved by using a sequential reaction after removing the previously masked regions of reactive substrate.

実質的に平行関係にある103乃至1010又はそれ以上の単層ナノチューブ分子を含む配列はそれ自体ナノ多孔性(nanoporous)導電性分子膜として、例えば、リチウムイオン電池等の電池に使用することができる。この膜はまた、(シス−[ビスチアシアナート ビス(4,4'−ジカルボキシ−2,2'−ビピリジンRu(II))]のごとき光活性分子を付加し或いは付加せずして)米国合衆国特許出願第5,084,365号に示される種類の高度に効率的な電光セルを製造するために使用することができる。 Arrays comprising 10 3 to 10 10 or more single-walled nanotube molecules in a substantially parallel relationship are themselves used as nanoporous conductive molecular films, for example, in batteries such as lithium ion batteries. Can do. This film is also (with or without the addition of photoactive molecules such as cis- [bisthiocyanatobis (4,4′-dicarboxy-2,2′-bipyridine Ru (II))]) It can be used to produce a highly efficient lightning cell of the type shown in US Pat. No. 5,084,365.

本発明の単層ナノチューブ分子配列の一つの好ましい用途は、以下に記載するごとく単層カーボンナノチューブの巨視的炭素繊維の成長用「種(seed)」或いは鋳型を提供することである。この鋳型における巨視的断面の使用は、繊維の成長中、ナノチューブの活性(開いた)端部を原料にさらし続けさせるために特に有用である。本発明の鋳型配列は、最初の鋳型上に形成されたまま、或いはその最初の鋳型から切り離して、或いは(ファンデルワールス力が結合させているため)基質なしで使用することができ、また繊維形成の条件により適した第二の基質に移して使用することもできる。   One preferred use of the single-walled nanotube molecular array of the present invention is to provide a “seed” or template for the growth of macroscopic carbon fibers of single-walled carbon nanotubes as described below. The use of a macroscopic cross section in this mold is particularly useful to keep the active (open) ends of the nanotubes exposed to the raw material during fiber growth. The template sequences of the present invention can be used as formed on the initial template, or separated from the initial template, or without a substrate (because of the van der Waals forces), and the fibers It can also be used by transferring to a second substrate more suitable for the conditions of formation.

単層ナノチューブ分子配列が下記のごとく巨視的炭素繊維を成長させる種または鋳型として使用される場合、配列は実質的に二次元的配列として形成する必要はない。その上方の表面で二次元的配列を与える任意の配列が使用できる。その好ましい実施態様において、鋳型分子配列は、以下において産出された如く操作可能な長さの巨視的炭素である。   If the single-walled nanotube molecular array is used as a seed or template for growing macroscopic carbon fibers as described below, the array need not be formed as a substantially two-dimensional array. Any arrangement that provides a two-dimensional arrangement on the surface above it can be used. In its preferred embodiment, the template molecule sequence is a macroscopic carbon of a length that can be manipulated as produced below.

好ましい鋳型分子配列を形成する任意の方法は、出発物質として精製した「バッキーペーパー」を用いることを含む。「バッキーペーパー」の表面を(例えば、酸素/一酸化炭素により約500℃で)酸化処理すると、単層ナノチューブの端部と同様に側面が攻撃され、多くのチューブ及び又はロープの端部が該「ペーパー」の表面から突出する。得られた「バッキーペーパー」を電界中(例えば、100ボルト/センチメートル平方)に配置すると、突出するチューブ及び又はロープは「ペーパー」表面に対し実質的に垂直な方向に配列する。これらのチューブはファンデルワールス力により凝集して分子配列を形成する傾向がある。   Any method of forming a preferred template molecule sequence involves using purified “bucky paper” as the starting material. Oxidizing the surface of a “bucky paper” (eg, at about 500 ° C. with oxygen / carbon monoxide) attacks the sides as well as the ends of single-walled nanotubes, and many tubes and / or rope ends Projects from the surface of the "paper". When the resulting “bucky paper” is placed in an electric field (eg, 100 volts / centimeter square), the protruding tubes and / or ropes are arranged in a direction substantially perpendicular to the “paper” surface. These tubes tend to aggregate and form molecular arrays due to van der Waals forces.

代わりに、単層ナノチューブの分子配列は、精製した「バッキーペーパー」出発物質を「梳り(combing)」により製造することができる。「梳り」は走査型力顕微鏡[scanning force microscope (SFM)]の片持ばり上の珪素プラミッドのような鋭い巨視的先端を用いてナノチューブを配列させることを含む。詳しくは、「梳り」とは、SFMの先端を系統的に「バッキーペーパー」へ突込み、引きずって行き、そして「バッキーペーパー」から引き上げる工程である。「バッキーペーパー」の断片全体は、例えば、(1)系統的にSFMの先端を「バッキーペーパー」の断片に突込み、引きずりそしてそれに沿って前進させ、(2)一列が完了するまで(1)の事象を繰返し、そして(3)別の列に沿って該先端の位置替えをして(1)および(2)を繰り返すことにより梳ることができる。 好ましい梳り方法において、興味の対象とする「バッキーペーパー」の断片は、或る深さにおいて上記(1)ないし(3)の工程を行い、次いで別の深さにおいて、その全工程を繰返すことに梳りが完了する。例えば、10ミクロンメートル平方の「バッキーペーパー」に0.5ミクロンメートルの間隔で20本の線を引くことができるリソグラフィーによる行動計画を書き込みそれを従って実施するものである。この行動計画は、深さを0.5ミクロンメートルづつ増加させてゼロから3ミクロンメートルまで7回実施することができる。   Alternatively, molecular arrays of single-walled nanotubes can be produced by “combing” purified “bucky paper” starting materials. “Spinning” involves arranging nanotubes using a sharp macroscopic tip such as a silicon pyramid on a cantilever of a scanning force microscope (SFM). Specifically, “spinning” is a process in which the tip of the SFM is systematically plunged into “bucky paper”, dragged, and pulled up from “bucky paper”. The whole piece of “Bucky Paper”, for example, (1) systematically pushes the tip of the SFM into the piece of “Bucky Paper”, drags and advances along it, (2) until one row is completed (1) The event can be repeated by repeating the events and (3) repositioning the tip along another row and repeating (1) and (2). In a preferred turning method, a piece of “bucky paper” of interest is subjected to the above steps (1) to (3) at a certain depth and then repeated at all other depths. The insult is complete. For example, a 10 micrometer square “bucky paper” is written with a lithographic action plan that can draw 20 lines at intervals of 0.5 micrometer and thus implement it. This action plan can be implemented seven times from zero to 3 microns with increasing depth by 0.5 microns.

大きな配列(即ち、106を超えるナノチューブ)は、より小さい配列を一つにすることにより、或いはチューブ及び又はロープの線状の集まりを折りたたむことにより(即ち、nチューブの集まりを一度折りたたむと2nチューブの束となる)ナノプローブ(nanoprobes)を用いて集合させる。 Large arrays (i.e., more than 10 < 6 > nanotubes) can be obtained by combining smaller arrays into one, or by folding a linear collection of tubes and / or ropes (i.e., once a collection of n tubes is folded, 2n Assemble using nanoprobes (in bundles of tubes).

巨視的配列はまた、ナノスケールのマイクロウェル(microwell)構造体(例えば、電子ビームリソグラフィー技法で表面に形成された巾10ナノメートル、深さ10ナノメートルの106を超える長方形の窪み[ウェル(well)]を有する二酸化珪素被覆シリコンウェハー)を提供することにより形成することもできる。好ましくは触媒金属クラスター(又は前駆体)を各ウェルに蒸着させ、炭素含有原料を、ウェルから単層ナノチューブ繊維の成長を開始させるため、以下に記載する条件下で配列に向ける。予備形成したナノ粒子(nanoparticles)[即ち、ダイ(Dai)らの「一酸化炭素の金属触媒不均一化反応により製造された単層ナノチューブ(Single-Wall Nanotubes Produced by Metal Catalyzed Disproportionation of Carbon Monoxide)」、ケム・フィズ・レット(Chem. Phys. Lett.)第260巻(1996年)、第471頁乃至第475頁(以下「ダイ」という)に記載されている直径数ナノメートルのもの]の形態の触媒もまたウェルに使用できる。ウェハー表面に対して実質的に垂直な方向に繊維を配向させるために、電場をかけることができる
単層ナノチューブ分子配列からの連続炭素繊維の成長
本発明は単層ナノチューブ分子配列から連続炭素繊維を任意の所望の長さへ成長させる方法を提供する。実質的に平行な炭素ナノチューブの凝集体を含有する炭素繊維は、適切な種分子配列の成長(伸長)により本発明方法に従って製造することができる。好ましい単層ナノチューブ分子配列は、実質的に均一的な長さの単層ナノチューブの自己集合単層から上記のごとくして製造される。ここに於いて使用される「巨視的炭素繊維」なる用語は、物理的に操作し得るに十分な大きさの直径、典型的には約1ミクロンを超え、好ましくは約10ミクロンを超える直径を有する繊維を指す。
Macroscopic arrays can also be microwell (microwell) structure nanoscale (e.g., width 10 nm formed on the surface by electron-beam lithography technique, depression rectangle above 106 depth 10 nanometers [wells ( It can also be formed by providing a silicon dioxide-coated silicon wafer) having well)]. Preferably, catalytic metal clusters (or precursors) are deposited in each well and the carbon-containing source is directed to the array under the conditions described below to initiate growth of single-walled nanotube fibers from the well. Pre-formed nanoparticles (ie, “Dai et al.“ Single-Wall Nanotubes Produced by Metal Catalyzed Disproportionation of Carbon Monoxide ””). , Chem. Phys. Lett. Vol. 260 (1996), pp. 471 to 475 (hereinafter referred to as “die”) having a diameter of several nanometers] These catalysts can also be used in the wells. An electric field can be applied to orient the fibers in a direction substantially perpendicular to the wafer surface.
Growth of continuous carbon fibers from single-walled nanotube molecular arrays The present invention provides a method for growing continuous carbon fibers from single-walled nanotube molecular arrays to any desired length. Carbon fibers containing aggregates of substantially parallel carbon nanotubes can be produced according to the method of the present invention by growth (elongation) of a suitable seed molecular array. Preferred single-walled nanotube molecular arrays are produced as described above from self-assembled single-walled single-walled nanotubes of substantially uniform length. As used herein, the term “macroscopic carbon fiber” refers to a diameter large enough to be physically manipulated, typically greater than about 1 micron, and preferably greater than about 10 microns. The fiber which has.

成長方法における第一工程は、分子配列中の単層ナノチューブの成長端部を開くものである。これは上記のごとく酸化処理でもって達成される。次に、遷移金属触媒を開いた端部の種配列に付加する。該遷移金属触媒は、下記の炭素含有原料を成長端部で好ましい六角形構造に転移し得る高度に移動性の炭素遊離基へ転換させる任意の遷移金属である。好ましい物質として遷移金属が含まれ、特にVI族又はVIII族の遷移金属、即ちクロム(Cr)、モリブデン(Mo)、タングステン(W)、鉄(Fe)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、ルテニウム(Ru)、ロジウム(Rh)、パラジウム(Pd)、オスミウム(Os)、イリジウム(Ir)、及びプラチナ(Pt)が含まれる。ランタノイド及びアクチノイドの金属もまた使用することができる。好ましいものは鉄、ニッケル、コバルト及びそれらの混合物である。最も好ましいものは、ニッケルとコバルトの50/50比(重量)の混合物である。   The first step in the growth method is to open the growth end of the single-walled nanotube in the molecular arrangement. This is achieved by an oxidation treatment as described above. The transition metal catalyst is then added to the open end seed array. The transition metal catalyst is any transition metal that converts the following carbon-containing feedstock into a highly mobile carbon free radical that can be transferred to the preferred hexagonal structure at the growth end. Preferred materials include transition metals, particularly group VI or group VIII transition metals, ie chromium (Cr), molybdenum (Mo), tungsten (W), iron (Fe), cobalt (Co), nickel (Ni), Ruthenium (Ru), rhodium (Rh), palladium (Pd), osmium (Os), iridium (Ir), and platinum (Pt) are included. Lanthanoid and actinide metals can also be used. Preference is given to iron, nickel, cobalt and mixtures thereof. Most preferred is a 50/50 ratio (weight) mixture of nickel and cobalt.

該触媒は、(単層ナノチューブ分子の直径によるが)約10金属原子乃至約200金属原子を含有する金属クラスターとして開いた単層ナノチューブ端部に存在すべきである。典型的には、該触媒金属クラスターが開いたチューブの頂上に座し、一またはニを超えるチューブに亙って橋かけをしない場合、反応は最も効率よく進行する。チューブの直径の約0.5乃至約1.0倍(例えば、0.5乃至約1.5ナノメートル)に等しい断面を有する金属クラスターがより好ましい。   The catalyst should be present at the end of the single-walled nanotube open as a metal cluster containing about 10 to about 200 metal atoms (depending on the diameter of the single-walled nanotube molecule). Typically, the reaction proceeds most efficiently when the catalytic metal cluster sits on top of an open tube and does not cross over one or more tubes. More preferred are metal clusters having a cross section equal to about 0.5 to about 1.0 times the diameter of the tube (eg, 0.5 to about 1.5 nanometers).

該好ましい方法に於いて、触媒は、真空蒸着法により分子配列の開いたチューブの端部上で、その場で形成される。分子線エピタキシー(MBE)蒸着において用いられる装置等の任意の好ましい装置が使用される。かかる一つの装置としてクユドセン噴散源蒸発器(Kudsen Effusion Source Evaporator)がある。チューブの端部の近傍で線材(例えば、ニッケル/一酸化炭素線材或いはニッケルと一酸化炭素の別々の線材)を、一本の線材表面から十分な原子が蒸発する融点より低い温度(例えば、約900℃乃至1,300℃)に単に加熱するだけで金属の十分な蒸着を行うこともできる。該蒸着は、好ましくは真空中、前もってガス放出をして行う。約10−6 トル乃至10−8 トルの真空が適している。蒸発温度は該金属触媒を蒸発させるに十分な高い温度にすべきである。典型的には、好ましい実施態様であるニッケル/一酸化炭素触媒に対しては1,500℃乃至2,000℃の範囲の温度が適している。該蒸発方法において、金属は典型的には金属原子の単層として蒸着される。約1乃至10の単層が一般的には触媒の必要な量となる。開いたチューブ頂点への遷移金属クラスターの蒸着はまた、触媒蒸着域の金属ターゲットのレーザー蒸発によって行うことができる。 In the preferred method, the catalyst is formed in situ on the end of the open tube of molecular alignment by vacuum deposition. Any preferred apparatus is used such as those used in molecular beam epitaxy (MBE) deposition. One such device is the Kudsen Effusion Source Evaporator. A wire (eg, nickel / carbon monoxide wire or separate wires of nickel and carbon monoxide) near the end of the tube at a temperature below the melting point at which enough atoms evaporate from the surface of the wire (eg, about It is also possible to sufficiently deposit the metal by simply heating to 900 ° C. to 1,300 ° C.). The vapor deposition is preferably carried out in advance by outgassing in a vacuum. A vacuum of about 10 −6 torr to 10 −8 torr is suitable. The evaporation temperature should be high enough to evaporate the metal catalyst. Typically, temperatures in the range of 1500 ° C. to 2,000 ° C. are suitable for the preferred embodiment nickel / carbon monoxide catalyst. In the evaporation method, the metal is typically deposited as a single layer of metal atoms. About 1 to 10 monolayers is generally the required amount of catalyst. The deposition of transition metal clusters on the open tube apexes can also be performed by laser evaporation of the metal target in the catalyst deposition zone.

開いたチューブ端部での実際の触媒クラスター形成は、チューブ端部を、金属原子が開いた端部を探し出し集合してクラスターとなることができるような十分な種の移動を提供ために十分高い温度であるが、チューブの端部を閉じる程には高くない温度へ加熱することにより行う。典型的には、約500℃までの温度が適している。一つの好ましい実施態様であるニッケル/一酸化炭素触媒系に対しては約400℃乃至500℃の範囲の温度が好ましい。   The actual catalyst cluster formation at the open tube end is high enough to provide sufficient species movement so that the tube end can locate and cluster the open end of the metal atom into a cluster. This is done by heating to a temperature that is not high enough to close the end of the tube. Typically, temperatures up to about 500 ° C. are suitable. For one preferred embodiment, the nickel / carbon monoxide catalyst system, a temperature in the range of about 400 ° C to 500 ° C is preferred.

好ましい実施態様において、触媒金属クラスターは、次に続く成長反応の最良の場所を確保する結合過程(docking process)により開いたナノチューブ上に蒸着する。本方法に於いて、金属原子は上記のごとく供給されるが条件は還元条件、例えば、800℃、水素10ミリトルで1乃至10分を提供するように改変する。これらの条件は、金属原子クラスターが反応部位を求めて系中を移動させるものである。還元加熱中、触媒物質は最終的には開いた端部を見出しそこへ定着し、チューブを溶蝕し返し(etch back)始める。還元時間は、触媒粒子がナノチューブを見出し溶蝕し返し始めるには十分長くすべきであるが、チューブを実質的に溶蝕してしまう程には長くすべきではない。前記成長条件への切り換えにより、溶蝕し返し工程は反転する。この時点において、触媒粒子は、チューブの端部で(逆方向工程ではあったが)触媒的に活性であったので、該チューブ端部に関して最適の場所を占めている。   In a preferred embodiment, the catalytic metal clusters are deposited on the open nanotubes by a docking process that ensures the best place for the subsequent growth reaction. In this method, metal atoms are supplied as described above, but the conditions are modified to provide reducing conditions, eg, 1 to 10 minutes at 800 ° C. and 10 millitorr of hydrogen. These conditions are such that metal atom clusters move through the system in search of reaction sites. During the reduction heating, the catalyst material eventually finds the open end and settles there, and begins to etch back the tube. The reduction time should be long enough for the catalyst particles to find and start eroding the nanotubes, but not so long that it substantially erodes the tube. By switching to the growth conditions, the corrosion back-in process is reversed. At this point, the catalyst particles were catalytically active at the end of the tube (although it was a reverse process), thus occupying an optimal location with respect to the tube end.

触媒はまた、成長条件で活性な形に転換する触媒前駆体、例えば、酸化物、他の塩又はリガンドで安定した金属錯体の形態で供給することができる。例として、遷移金属の(第一級、第二級又は第三級)アルキルアミン類錯体を使用することができる。同様の、遷移金属酸化物のアルキルアミン錯体も使用することができる。   The catalyst can also be supplied in the form of a metal complex that is stable with catalyst precursors, such as oxides, other salts or ligands, that convert to an active form under growth conditions. By way of example, transition metal (primary, secondary or tertiary) alkylamine complexes can be used. Similar alkyl amine complexes of transition metal oxides can also be used.

代わりの実施態様において、触媒は、ダイ(Dai)に記載されているごとく前以て形成したナノ粒子(即ち、直径が数ナノメートルの粒子)として供給してもよい。
本発明の方法の次の工程に於いて、開いたチューブ端部に蒸着した触媒を有する単層ナノチューブ分子配列をチューブの成長(伸長)条件に付す。これは、触媒を蒸着した同一の装置で行っても、或いはそれと異なる装置で行ってもよい。本方法を行う装置は、最低限、炭素含有原料源及び連続糸の成長端部が成長するように維持し且つ蒸気からの炭素が該遷移金属触媒の指示のもとに個々のナノチューブ成長端部へ付加することのできるアニール温度を維持する手段を必要とする。典型的には、該装置はまた、連続的に炭素繊維を収集するための手段を有する。本方法は、例示の目的でのみ図6及び図7に示される装置に引き当てて記載する。
In an alternative embodiment, the catalyst may be supplied as pre-formed nanoparticles (ie, particles having a diameter of a few nanometers) as described in Dai.
In the next step of the method of the present invention, the single-walled nanotube molecular array with the catalyst deposited on the open tube ends is subjected to tube growth (elongation) conditions. This may be done with the same device on which the catalyst is deposited or with a different device. The apparatus for carrying out the method maintains, at a minimum, the carbon-containing feedstock and the continuous yarn growth end to grow and the carbon from the vapor is directed to the individual nanotube growth end under the direction of the transition metal catalyst. There is a need for a means of maintaining an annealing temperature that can be added to the surface. Typically, the apparatus also has a means for continuously collecting carbon fibers. The method will be described with reference to the apparatus shown in FIGS. 6 and 7 for exemplary purposes only.

単層ナノチューブ配列を成長させ連続糸にするために必要な炭素供給は、ガス状で入口11より反応器10へ行われる。該ガス流は成長配列12の前面の方へ向けられるべきである。ガス状炭素含有原料は、上記のごとく、アルキル類、アシル類、アリール類、アラルキル類等を含む任意の炭化水素又は炭化水素の混合物でありうる。約1乃至7の炭素原子を有する炭化水素が好ましい。特に好ましいのは、メタン、エタン、エチレン、アセチレン、アセトン、プロパン、プロピレン等である。最も好ましいのはエチレンである。一酸化炭素も使用することができ、いくつかの反応では好ましい。前以て調製したモリブデンを基礎とするナノ触媒(nano-catalyst)を一酸化炭素原料とともに使用すると、現場形成触媒クラスターに対して提案され反応機構とは違なる反応機構に従うと信じられている。参照ダイ(Dai)。   The carbon supply required to grow the single-walled nanotube array into a continuous yarn is in gaseous form from the inlet 11 to the reactor 10. The gas stream should be directed toward the front of the growth array 12. The gaseous carbon-containing raw material can be any hydrocarbon or mixture of hydrocarbons including alkyls, acyls, aryls, aralkyls, etc. as described above. Hydrocarbons having about 1 to 7 carbon atoms are preferred. Particularly preferred are methane, ethane, ethylene, acetylene, acetone, propane, propylene and the like. Most preferred is ethylene. Carbon monoxide can also be used and is preferred for some reactions. The use of pre-prepared molybdenum-based nano-catalysts with carbon monoxide feeds is believed to follow a reaction mechanism that is different from the proposed reaction mechanism for in-situ formed catalyst clusters. Reference die (Dai).

原料濃度は、好ましくは反応速度を最大にするように選択され、炭化水素の濃度が高ければ高い程成長速度は速くなる。一般に、原料物質(例えば、エチレン)の分圧は0.001乃至1,000.0トルの範囲、好ましくは約1.0乃至10トルの範囲にありうる。成長速度は、以下に記載するごとく、成長配列の先端の温度の凾数であり、結果として、成長温度と原料濃度は釣合い所望の成長速度を提供する。   The feed concentration is preferably selected to maximize the reaction rate, the higher the hydrocarbon concentration, the faster the growth rate. Generally, the partial pressure of the source material (eg, ethylene) can be in the range of 0.001 to 1,000.0 Torr, preferably in the range of about 1.0 to 10 Torr. The growth rate is a power of the temperature at the tip of the growth array, as described below, and as a result, the growth temperature and raw material concentration balance to provide the desired growth rate.

反応器壁での不必要の熱分解を最小限にすることができるので、炭素原料ガスを予備加熱することは必要ではないが好ましい。成長反応のために供給される唯一の熱は繊維の成長先端12へ集中されるべきである。繊維の残部及び反応装置は室温に保つことができる。熱は任意の好ましい手段により局限して供給することができる。小さい繊維(直径1ミリメートル未満)に対しては成長端部に集束したレーザー13(例えば、514ナノメートルのアルゴンイオンレーザーのごときCWレーザー)が好ましい。より大きい繊維に対しては、熱はまた成長繊維先端に局限したマイクロ波エネルギー又は高周波エネルギーにより供給することができる。成長先端に集束させることができる他の任意の形の濃縮電磁エネルギー(例えば、太陽エネルギー)が使用できる。しかし、原料ガスにより感知されて吸収される電磁放射は避けるように注意が払われるべきである。   Preheating the carbon feed gas is not necessary but is preferred because unnecessary pyrolysis at the reactor wall can be minimized. The only heat supplied for the growth reaction should be concentrated on the fiber growth tip 12. The remainder of the fiber and the reactor can be kept at room temperature. Heat can be supplied locally by any preferred means. For small fibers (less than 1 millimeter in diameter), a laser 13 focused at the growth end (eg, a CW laser such as a 514 nanometer argon ion laser) is preferred. For larger fibers, heat can also be supplied by microwave energy or high frequency energy localized at the growth fiber tip. Any other form of concentrated electromagnetic energy (eg solar energy) that can be focused at the growth tip can be used. However, care should be taken to avoid electromagnetic radiation that is sensed and absorbed by the source gas.

単層ナノチューブ配列の先端は、成長を引き起こし且つ成長する繊維の欠陥を効率的にアニールしてその結果成長兼アニール域を該先端で形成するための十分な温度に加熱すべきである。一般に、この温度の上限は、原料の熱分解及び反応器の汚れ又は蒸着した金属触媒の蒸発を避ける必要性により支配される。大抵の原料に対しては、この温度は約1,300℃未満である。許容し得る温度範囲の下限は典型的には約500℃であり、原料及び触媒効率による。約500℃乃至約1,200℃の範囲の温度が好ましい。約700℃乃至約1,200℃の範囲の温度がより好ましい。約900℃乃至約1,100℃の範囲の温度が最も好ましい。何故なら、これらの温度で欠陥の最良のアニーリンが起こるからである。ケーブルの成長端部での温度は、好ましくは生じた白熱を測定する光高温計により監視されそしてそれに応答して制御される。可能な汚染の問題のため好ましくはないが、ある状況下ではアルゴン又はヘリウム等の不活性清掃ガスの使用が可能である。   The tip of the single-walled nanotube array should be heated to a temperature sufficient to cause growth and efficiently anneal the growing fiber defects, resulting in the formation of a growth and anneal zone at the tip. In general, the upper temperature limit is governed by the need to avoid thermal decomposition of the raw materials and reactor fouling or evaporation of the deposited metal catalyst. For most raw materials, this temperature is less than about 1,300 ° C. The lower limit of the acceptable temperature range is typically about 500 ° C., depending on the feedstock and catalyst efficiency. A temperature in the range of about 500 ° C to about 1,200 ° C is preferred. More preferred is a temperature in the range of about 700 ° C to about 1,200 ° C. Most preferred is a temperature in the range of about 900 ° C to about 1,100 ° C. This is because the best annealing of defects occurs at these temperatures. The temperature at the growth end of the cable is preferably monitored and controlled in response to an optical pyrometer that measures the resulting incandescence. Although not preferred due to possible contamination problems, under certain circumstances it is possible to use an inert cleaning gas such as argon or helium.

一般に、成長室の圧力は1ミリメートル乃至1気圧の範囲にある。全圧は炭素原料の分圧の1乃至2倍に維持すべきである。真空ポンプ15を図示されているごとく備えることができる。原料混合物は成長室へ再循環するのが望ましい。成長すると繊維は、駆動ロール17及び遊びロール18のごとき適当な輸送機構により成長室16から取り出すことができる。成長室16は真空水平送り域(vacuum feed lock zone)19と直接通じている。   Generally, the growth chamber pressure is in the range of 1 millimeter to 1 atmosphere. The total pressure should be maintained at 1 to 2 times the partial pressure of the carbon source. A vacuum pump 15 can be provided as shown. It is desirable to recycle the raw material mixture to the growth chamber. Once grown, the fibers can be removed from the growth chamber 16 by suitable transport mechanisms such as drive rolls 17 and idler rolls 18. The growth chamber 16 communicates directly with a vacuum feed lock zone 19.

成長室の圧力は、一連の室20を使用することにより、もし必要ならば該真空水平送りにおいて大気圧までもっていくことができる。これらの室の各々は、移動する繊維を囲むゆるいテフロン(登録商標)のOリングシール21により分離されている。ポンプ22は差圧の均圧化を行う。巻き取りロール23は連続的に室温の炭素繊維ケーブルを収集する。本方法の生成物産出量は毎分10−3乃至101フィート以上の範囲にあり得る。本方法により、単層ナノチューブ分子から成る連続炭素繊維を毎日トンの割合で産出することができる。 The growth chamber pressure can be brought to atmospheric pressure in the vacuum horizontal feed if necessary by using a series of chambers 20. Each of these chambers is separated by a loose Teflon O-ring seal 21 surrounding the moving fibers. The pump 22 equalizes the differential pressure. The take-up roll 23 continuously collects carbon fiber cables at room temperature. Product output of the process can range from 10 −3 to 10 1 feet or more per minute. With this method, continuous carbon fibers composed of single-walled nanotube molecules can be produced daily at a rate of tons.

繊維の成長は、任意の段階で(特定の繊維長の製造を容易にするためか或いはあまりに多くの欠陥が発生したとき)停止することができる。成長を再開させるためには、端部を(化学的又は電気化学的)酸化溶蝕により清浄すること(再び開く)ことができる。触媒粒子は次に開いたチューブ端部で再び形成され成長が続けられる。   Fiber growth can be stopped at any stage (to facilitate the production of a specific fiber length or when too many defects have occurred). To resume growth, the edge can be cleaned (reopened) by oxidative erosion (chemical or electrochemical). The catalyst particles are then formed again at the open tube end and continue to grow.

分子配列(鋳型)は成長前又は成長後に、巨視的物理的分離手段、例えば、所望の長さに繊維をはさみで切断することにより、繊維から取り除いてもよい。繊維の任意の断片は、同種類の繊維の生産を開始するために、鋳型として使用することができる。   The molecular arrangement (template) may be removed from the fiber before or after growth by macroscopic physical separation means, for example, by cutting the fiber with scissors to the desired length. Any piece of fiber can be used as a mold to begin production of the same type of fiber.

本発明の連続炭素繊維はまた、一種以上の別々に調製された分子配列又は鋳型から成長させることもできる。多配列は単層ナノチューブの種類又は配列の幾何学的配置に関して同一であっても、或いは異なっていてもよい。引張特性の増進した大きなケーブル様構造体は、図8に示す多数のより小さな分離した配列から成長させることができる。前記の遮蔽及び被覆技法に加えて、例えば、図9に示すごとく、中央の金属性単層ナノチューブの心配列を、心配列の回りを環の配置で一連のより小さい円形非金属性単層ナノチューブで囲むことにより複合構造体を調製することも可能である。   The continuous carbon fibers of the present invention can also be grown from one or more separately prepared molecular arrays or templates. The multi-arrays may be the same or different with respect to the type of single-walled nanotubes or the geometry of the arrays. Large cable-like structures with enhanced tensile properties can be grown from a number of smaller isolated arrays as shown in FIG. In addition to the shielding and coating techniques described above, for example, as shown in FIG. 9, the central array of metallic single-walled nanotubes is a series of smaller circular nonmetallic single-walled nanotubes in a ring arrangement around the central array. It is also possible to prepare a composite structure by surrounding with.

本発明により考慮される全ての構造体は、必ずしも二次元的断面が円いか或いは対称的でさえある必要はない。多分子配列種鋳型を、複合繊維のいくつかの部分で単層ナノチューブの非平行な成長を引き起こさせその結果、例えば、捻じれた螺旋状のロープを産出するように整列させることさえも可能である。鋳型配列の形成に関連して上記したごとく、繊維中の単層ナノチューブの整列を助けるために、電場の存在下で巨視的炭素繊維を接触的に成長させることも可能である。
単層ナノチューブからの炭素繊維の不規則成長
上記した単層ナノチューブの規則的な束の連続的成長は多くの用途に望ましいが、個々のチューブ、ロープ及び又はケーブルを含む単層ナノチューブの不規則に配向した素材を含有する有用な組成物を製造することも可能である。不規則成長方法は多量の、即ちトン/日の単層ナノチューブ材料を製造する能力を有する。
All structures contemplated by the present invention need not necessarily have a two-dimensional cross-section that is circular or even symmetric. It is even possible to align the multi-array seed template to cause non-parallel growth of single-walled nanotubes in some parts of the composite fiber, resulting in, for example, a twisted helical rope is there. As described above in connection with the formation of the template array, macroscopic carbon fibers can also be grown in the presence of an electric field to help align single-walled nanotubes in the fibers.
Irregular growth of carbon fibers from single-walled nanotubes The continuous growth of regular bundles of single-walled nanotubes as described above is desirable for many applications, but the random growth of single-walled nanotubes, including individual tubes, ropes and / or cables. It is also possible to produce useful compositions containing oriented materials. The random growth method has the ability to produce large quantities, i.e. tons / day of single-walled nanotube material.

一般に不規則成長方法は、前記したごとき適当な遷移原子触媒とともに供給される複数の単層ナノチューブ種分子を用意すること及び該単層ナノチューブ種分子を数次数の大きさ、例えば、その初めの長さの102乃至1010倍以上に延長させる条件下に付すことを含有する。 In general, the irregular growth method is to prepare a plurality of single-walled nanotube species molecules supplied with an appropriate transition atom catalyst as described above, and to increase the single-walled nanotube species molecules to several orders of magnitude, for example, the initial length. It includes being subjected to a condition of extending from 10 2 to 10 10 times or more.

該種単層ナノチューブは、例えば、連続繊維又は精製した「バッキーペーパー」を切断することにより、好ましくは比較的短い長さで前記のごとく製造する。好ましい実施態様において、種分子は本不規則成長方法により(例えば、切断により)製造した単層ナノチューブフェルトから最初の一走行後に得ることができる。長さは均一である必要はなく一般的には約5ナノメートル長乃至10ミクロンメートル長の範囲にある。   The seed single-walled nanotubes are preferably produced as described above, for example, by cutting continuous fibers or purified “bucky paper”, preferably in a relatively short length. In a preferred embodiment, seed molecules can be obtained after the first run from single-walled nanotube felt produced by the present random growth method (eg, by cutting). The length need not be uniform and is generally in the range of about 5 nanometers to 10 microns long.

これらの単層ナノチューブ分子は、成長反応に参加しない巨視的スケール(macroscale)又はナノスケールの支持体上に形成される。別の実施態様において、複数又は単数の単層ナノチューブ構造体は支持体物質兼種として用いることができる。例えば、以下に記載する自己集合技法は三次元単層ナノチューブナノ構造体(nanostructure)を形成するために使用することができる。これらの技法により製造されるナノスケールの粉体は、支持体物質が不規則成長方法に参加できる利点を有する。   These single-walled nanotube molecules are formed on a macroscale or nanoscale support that does not participate in the growth reaction. In another embodiment, multiple or single single-walled nanotube structures can be used as a support material and species. For example, the self-assembly techniques described below can be used to form three-dimensional single-walled nanotube nanostructures. Nanoscale powders produced by these techniques have the advantage that the support material can participate in irregular growth processes.

支持または未支持の単層ナノチューブ種物質は、単層ナノチューブ分子の端部を開きそして金属原子クラスターを蒸着させることにより前記したごとき適当な成長触媒と一つにすることができる。代わりに、成長触媒は、可溶性の、或いは懸濁した触媒前駆体を含む適当な液体中の種の懸濁液を蒸発させることにより開いた種分子の一方又は両方の端部に供給することができる。例えば、該液体が水である場合、硝酸第二鉄、硝酸ニッケル、硝酸コバルト等の可溶性金属塩が触媒前駆体として用いられる。触媒物質が単層ナノチューブ種分子の開いた端部上に正しく位置するのを確実にするために、該単層ナノチューブ端部を、触媒ナノ粒子、或いはより好ましくはリガンドで安定化した触媒ナノ粒子を結合する部分で以って誘導体化することがいくつかの状況下では必要となる。   A supported or unsupported single-walled nanotube seed material can be combined with a suitable growth catalyst as described above by opening the ends of single-walled nanotube molecules and depositing metal atom clusters. Alternatively, the growth catalyst can be fed to one or both ends of the open seed molecule by evaporating a suspension of the seed in a suitable liquid containing a soluble or suspended catalyst precursor. it can. For example, when the liquid is water, soluble metal salts such as ferric nitrate, nickel nitrate, and cobalt nitrate are used as the catalyst precursor. In order to ensure that the catalytic material is correctly positioned on the open end of the single-walled nanotube seed molecule, the single-walled nanotube end is coated with catalyst nanoparticles, or more preferably with ligand stabilized catalyst nanoparticles. It may be necessary under some circumstances to derivatize with a moiety that binds.

不規則成長方法の第一の工程に於いて、付着した触媒を含むか、或いは溶解した触媒前駆体と会合した種粒子の懸濁液を、混合物が清掃ガス流と接触する蒸発域中へ注入し、250℃乃至500℃の範囲の温度へ加熱して該液をフラッシュ蒸発させて連行反応性ナノ粒(即ち、種/触媒)を提供する。任意的に、この連行粒流を還元工程に付し、更に触媒を(例えば、水素中300℃乃至500℃で加熱して)活性化する。次に、前記連続成長法で用いた種類の炭素質原料ガスを清掃ガス/活性ナノ粒流中に導入し、そして清掃ガスにより該混合物を成長域へ運び更に成長域を通過させる。   In the first step of the random growth method, a suspension of seed particles containing attached catalyst or associated with dissolved catalyst precursor is injected into the evaporation zone where the mixture contacts the cleaning gas stream And heated to a temperature in the range of 250 ° C. to 500 ° C. to flash evaporate the liquid to provide entrained reactive nanoparticles (ie, seed / catalyst). Optionally, this entrained particle stream is subjected to a reduction step and the catalyst is further activated (eg, heated at 300 ° C. to 500 ° C. in hydrogen). Next, the carbonaceous source gas of the type used in the continuous growth method is introduced into the cleaning gas / active nanoparticle flow, and the mixture is transported to the growth zone by the cleaning gas and further passed through the growth zone.

該成長域の反応条件は前記したものであり、即ち、500℃乃至1,000℃で約1気圧の全圧である。原料ガス(例えば、エチレン又は一酸化炭素)の分圧は約1乃至100トルの範囲にある。反応は好ましくは管状反応器で実施し、その中を清掃ガス(例えば、アルゴン)が流れる。   The reaction conditions in the growth zone are as described above, ie, 500 ° C. to 1,000 ° C. and a total pressure of about 1 atmosphere. The partial pressure of the source gas (eg, ethylene or carbon monoxide) is in the range of about 1 to 100 torr. The reaction is preferably carried out in a tubular reactor, through which a cleaning gas (eg argon) flows.

成長域は、(1)原料ガスを予備加熱し、(2)清掃ガスを予備加熱し、(3)成長域を外部より加熱し、(4)例えば、レーザー又は誘導コイル或いはそれらの組合わせにより成長域で局限加熱を与えることにより、適切な成長温度に保つことができる。   The growth zone consists of (1) preheating the source gas, (2) preheating the cleaning gas, (3) heating the growth zone from the outside, and (4) for example by laser or induction coil or a combination thereof. By applying localized heating in the growth region, it is possible to maintain an appropriate growth temperature.

本方法で製造した生成物の下流での回収は濾過、遠心分離機による分離等の公知の手段で行うことができる。精製も前記のごとくして達成することができる。本不規則方法により作製したフェルトは複合体類、例えば、重合体、エポキシ、金属、炭素(即ち、炭素/炭素物質)及び磁束ピン止め用の高いTζ超伝導体を製造するために使用することができる。
巨視的炭素繊維
ここに記載したごとくに製造した巨視的炭素繊維は、好ましくは一般的には平行配向した多くの単層ナノチューブの凝集体から成っている。個々のナノチューブは、特に非常に近い距離においては他の個々のナノチューブに対して平行配向から逸脱しているかもしれないが、巨視的距離に亙り、すべてのナノチューブの平均配向は、一般的には集合体中の全ての他のナノチューブ配向に対して平行である(ここに記載した巨視的距離は一般的には1ミクロンを越えるものと考えられる)。好ましい一形態において、単層ナノチューブ類は正三角格子状に、即ち最密充填関係で配列している。
The downstream recovery of the product produced by this method can be performed by known means such as filtration and separation by a centrifuge. Purification can also be achieved as described above. Felt made by this disordered method is used to produce composites such as polymers, epoxies, metals, carbon (ie carbon / carbon materials) and high T ζ superconductors for flux pinning be able to.
Macroscopic carbon fibers The macroscopic carbon fibers produced as described herein preferably consist of agglomerates of a number of single-walled nanotubes, preferably generally in parallel orientation. Individual nanotubes may deviate from parallel orientation relative to other individual nanotubes, especially at very close distances, but over macroscopic distances, the average orientation of all nanotubes is generally Parallel to all other nanotube orientations in the aggregate (the macroscopic distance described here is generally considered to be greater than 1 micron). In a preferred form, the single-walled nanotubes are arranged in a regular triangular lattice, that is, in a close-packed relationship.

本発明の炭素繊維は個々の円筒状の分子より成っており、構造においては全体又は部分が結晶性であるか、或いは非晶質である。繊維の秩序度は分子配列におけるチューブの幾何学的関係と成長及びアニール条件の両方に依存している。繊維は収集前又は収集後に配向又は他の二次処理に付すことができる。この方法により製造した繊維は、例えば、更に紡糸又は編組してより大きな糸又はケーブルにすることができる。製造したままの繊維は多くの用途に対して十分な大きさの直径であるとも考えられる。   The carbon fiber of the present invention is composed of individual cylindrical molecules, and the whole or part of the structure is crystalline or amorphous. The degree of order of the fibers depends on both the tube geometry in the molecular arrangement and the growth and annealing conditions. The fibers can be subjected to orientation or other secondary treatment before or after collection. The fibers produced by this method can be further spun or braided into larger yarns or cables, for example. The as-manufactured fibers are also considered to be of a sufficiently large diameter for many applications.

一般的には、本発明により製造した巨視的炭素繊維は十分な数の実質的に平行な単層のナノチューブから成り、個々の繊維として実際に取り扱われるには、そして或いはより大きい連続生成物へ加工するには直径は十分大きい。ナノチューブの集団の巨視的性質はこれらのナノチューブでの電流の伝送等の最終用途に対しても重要である。本発明による巨視的炭素繊維は、好ましくは少なくとも106の単層カーボンナノチューブ、より好ましくは少なくとも109の単層カーボンナノチューブを含んでいる。集合したナノチューブの数は、炭素アーク又はレーザー蒸発装置において縮合する炭素蒸気中で単層ナノチューブを形成する間に自然整列する数(103未満)より遥かに大きい。多くの用途に対して、本発明の巨視的炭素繊維の好ましい直径は約1乃至約10ミクロンの範囲にある。いくつかの用途、例えば、電力伝送ケーブルには数センチメートルまでの繊維直径が要求される。ドーパント、例えば、繊維のチューブ間に物理的に閉じ込められる例えば、金属類、ハロゲン類、塩化第二鉄等を含有することも可能である。 In general, the macroscopic carbon fibers produced according to the present invention consist of a sufficient number of substantially parallel single-walled nanotubes to be practically treated as individual fibers and / or to larger continuous products. The diameter is large enough to process. The macroscopic nature of the nanotube population is also important for end uses such as current transmission in these nanotubes. The macroscopic carbon fiber according to the present invention preferably comprises at least 10 6 single-walled carbon nanotubes, more preferably at least 10 9 single-walled carbon nanotubes. The number of assembled nanotubes is much greater than the number that naturally aligns (less than 10 3 ) while forming single-walled nanotubes in carbon vapor condensing in a carbon arc or laser evaporator. For many applications, the preferred diameter of the macroscopic carbon fiber of the present invention is in the range of about 1 to about 10 microns. For some applications, such as power transmission cables, fiber diameters up to several centimeters are required. It is also possible to contain dopants such as metals, halogens, ferric chloride, etc. that are physically confined between fiber tubes.

本発明の巨視的炭素繊維は一般的には少なくとも長さが1ミリメートルであり、正確な長さは繊維が使用される特定の用途に依存する。例えば、本繊維でもって強化用の従来のグラファイト炭素繊維を代えるよう設計する場合、本発明による繊維長は従来の炭素繊維長に類似している。本発明による巨視的炭素繊維を電導度用に使用する場合、繊維長は好ましくは電導度が要求される距離に対応する。典型的には、かかる距離は1乃至100ミクロン以上或いは1乃至10ミリメートル以上である。巨視的距離に亙る電導度が必要な場合、本発明による巨視的炭素繊維はメートル以上の位数の長さを有することが好ましい。   The macroscopic carbon fibers of the present invention are typically at least 1 millimeter in length, and the exact length depends on the particular application for which the fiber is used. For example, when the conventional fiber is designed to replace the conventional graphite carbon fiber for reinforcement, the fiber length according to the present invention is similar to the conventional carbon fiber length. When the macroscopic carbon fiber according to the invention is used for electrical conductivity, the fiber length preferably corresponds to the distance for which electrical conductivity is required. Typically, such distance is 1 to 100 microns or more, or 1 to 10 millimeters or more. When electrical conductivity over a macroscopic distance is required, the macroscopic carbon fiber according to the present invention preferably has a length of order of meters or more.

本発明の連続炭素繊維がかかる改良された物理的性質を有する一つの理由は、高い次数の積層体の、即ち109以上の多くの個々の円筒状分子がともに積層されているその構造である。本構造は、遥かに高い屈曲強度、高い耐薬品腐蝕破損性、より良好な耐摩耗性、より高い弾性及び同類の一体式素材と完全に異なる引張り破損機構を提供する。本発明の単層炭素ナノチューブ繊維は、低重量で極度に高い引張り強度(重量は6分の1にすぎないが鋼より100倍迄も強力)を提供する。本繊維は銅と類似の導電率を有する。更に繊維の熱伝導率は近似的にダイヤモンドの熱伝導率である。本発明の炭素繊維はまた、(C60乃至C70のごとき球状フラーレン類よりもよい)高い耐薬品性を有する。一般的に、本発明の欠陥を有しない連続炭素繊維は、巨視的距離に亙って伸びるほぼ完全な多六角形構造のために、従来の炭素繊維を超える改良された物性を示す。 One reason that the continuous carbon fibers of the present invention have such improved physical properties is their structure of high order laminates, i.e. many individual cylindrical molecules greater than 10 9 are laminated together. . This structure provides much higher flexural strength, higher chemical corrosion resistance, better wear resistance, higher elasticity, and a tensile failure mechanism that is completely different from similar monolithic materials. The single-walled carbon nanotube fibers of the present invention provide low weight and extremely high tensile strength (weight is only 1/6 but up to 100 times stronger than steel). This fiber has a conductivity similar to copper. Furthermore, the thermal conductivity of the fiber is approximately that of diamond. Carbon fiber of the present invention also has a (better than such spherical fullerenes C 60 to C 70) high chemical resistance. In general, continuous carbon fibers that do not have the defects of the present invention exhibit improved physical properties over conventional carbon fibers because of the nearly complete multi-hexagonal structure that extends over macroscopic distances.

特別の実施態様において、本発明による巨視的炭素繊維は、アームチェア型配向の単層ナノチューブを実質的に含有する領域を有し且つ該領域が少なくとも1ミクロン、好ましくは少なくとも100ミクロンの直径を有する自己集合単層を含有する分子配列から成長したものである。単層が集合する表面に遮蔽膜を使用することにより、アームチェア構造の単層ナノチューブを含む領域は、カイラル型又はジグザグ型構造を有するチューブの同軸領域により全側面が完全に囲まれる。この鋳型からの延長は、半導性又は絶縁性のさやで囲まれた導電性の心を産出し、各層は本質的に不定長の単分子から成り立っている。同様の方法で、数層を有する共軸伝送ケーブルを製造することができる。   In a special embodiment, the macroscopic carbon fiber according to the invention has a region substantially containing armchair-oriented single-walled nanotubes, and the region has a diameter of at least 1 micron, preferably at least 100 microns. It is grown from a molecular array containing a self-assembled monolayer. By using a shielding film on the surface where the single layers are assembled, the region including the armchair single-walled nanotube is completely surrounded by the coaxial region of the tube having a chiral type or zigzag type structure. This extension from the mold yields a conductive core surrounded by a semiconducting or insulating sheath, with each layer consisting essentially of a single molecule of indefinite length. A coaxial transmission cable having several layers can be manufactured in a similar manner.

これらの炭素繊維の応用は、現在グラファイト繊維類及び高強度繊維類が使われている応用を含み、例えば、電池及び燃料電池用膜類;化学的フィルター類;触媒支持体類;水素蓄蔵(吸収材料としてまた高圧容器製造に使用される);リチウムイオン電池類;及びコンデンサー膜類があげられる。これらの繊維は(ナノチューブの曲げ又は捻れのいずれかに感応する)ナノひずみ(nanostrain)ゲージのごとき電気化学デバイスにも使用することができる。本発明の繊維はそのまま製品として、或いは公知の繊維技法を使用して加工糸(threads)に紡糸して又は糸(yarns)に成形して使用することができる。   Applications of these carbon fibers include applications where graphite fibers and high strength fibers are currently used, such as membranes for batteries and fuel cells; chemical filters; catalyst supports; hydrogen storage ( Used as absorbent material and also in the production of high pressure containers); lithium ion batteries; and capacitor membranes. These fibers can also be used in electrochemical devices such as nanostrain gauges (which are sensitive to either bending or twisting of the nanotubes). The fiber of the present invention can be used as a product as it is or after being spun into threads using a known fiber technique or formed into yarns.

本発明の炭素繊維技術はまた、ヘキサボロン窒化物格子を用いて新しい複合体類の部類の製造を容易とする。この物質は硼素及び窒素原子から成る(例えば、B3N2又はC2BN3)六角形を有するグラフェン様シートを形成する。窒化硼素先駆体(例えば、トリクロロボラジン、アンモニアと三塩化硼素との混合物又はジボラン)を窒化硼素シートの蒸着用マンドレルとして働く該繊維へ供給することにより、成長炭素繊維への外被覆を提供することも可能である。この外側の窒化硼素層は本発明の金属性炭素繊維に対して高められた絶縁特性を提供する。熱分解炭素ポリマー又はポリマーブレンドの外層付与に用いてもよい。本発明の上記方法に於いて原料を炭化水素から窒化硼素へまた再びそれから炭化水素へと変換することにより、全ての炭素格子の領域と窒化硼素格子の領域が交互する個々のナノチューブで成る繊維を成長させることが可能である。本発明の別の実施態様において、全窒化硼素繊維の成長は、適当な触媒を頂点に付けた単層ナノチューブ鋳型配列と供給された窒化硼素とで以って開始することができる。これらのグラフェン及び窒化硼素系は、大きさがその二つの六形の単位の構造と非常に緊密に合致するために混合することができる。更に熱膨張係数と引張り特性が緊密に合致するためそれらは高められた物性を示す。窒化硼素繊維は強化増強剤として複合体及び炭素繊維の上記した他の多くの用途に使用することができる。
本発明の生産物により可能となったデバイス技術
本発明の円筒状炭素分子、分子配列及び巨視的炭素繊維のユニークな物性は刺激的なデバイスの製作機会を提供するものである。
1.電力伝送ケーブル
電力伝送線の設計は一般的にはアルミ導体を使用し、それはしばしば補強のための鋼ストランド心を有するものである(即ち、いわゆる「ASCR導体」)。この導体は銅導体より大きな損失を有し、一般的には遮蔽されておらずコロナ放電問題につながっている。単層ナノチューブ類の大きな(106を超える)凝集体から形成された連続炭素繊維は、ユニークな設計と特性の電力伝送ケーブルを製作するために使用することができる。かかる一つの設計を図10に示す。この設計は、特別高ボルト[extra high voltage (EHV)](即ち、500キロワットを超える、好ましくは106ボルトを超える)電力伝送が可能で、これまでに得られなかった重量に対する強度(strength-to-weight)特性を有し且つコロナ放電問題が殆どないか或いは皆無であり、本質的には遮蔽された同軸ケーブルである。
The carbon fiber technology of the present invention also facilitates the production of a new class of composites using hexaboron nitride lattices. This material forms a graphene-like sheet having a hexagon consisting of boron and nitrogen atoms (eg B 3 N 2 or C 2 BN 3 ). Providing an outer coating on the growth carbon fiber by supplying a boron nitride precursor (eg, trichloroborazine, a mixture of ammonia and boron trichloride or diborane) to the fiber that serves as a deposition mandrel for the boron nitride sheet. Is also possible. This outer boron nitride layer provides enhanced insulating properties for the metallic carbon fibers of the present invention. It may be used to provide an outer layer of a pyrolytic carbon polymer or polymer blend. By converting the feedstock from hydrocarbon to boron nitride and then back to hydrocarbon in the above method of the present invention, fibers of individual nanotubes with alternating regions of all carbon and boron nitride lattices are obtained. It is possible to grow. In another embodiment of the invention, the growth of all boron nitride fibers can be initiated with a single-walled nanotube template array apexed with a suitable catalyst and supplied boron nitride. These graphene and boron nitride systems can be mixed to fit very closely in size with the structure of the two hexagonal units. In addition, the thermal expansion coefficient and tensile properties closely match so that they exhibit enhanced physical properties. Boron nitride fiber can be used as a reinforcement enhancer in many other applications described above for composites and carbon fibers.
Device technology enabled by the product of the present invention The unique physical properties of the present invention's cylindrical carbon molecules, molecular arrangements and macroscopic carbon fibers provide exciting device fabrication opportunities.
1. Power Transmission Cable Power transmission line designs typically use aluminum conductors, which often have steel strand cores for reinforcement (ie, so-called “ASCR conductors”). This conductor has a greater loss than the copper conductor and is generally not shielded, leading to corona discharge problems. Continuous carbon fibers formed from large (greater than 10 6 ) aggregates of single-walled nanotubes can be used to fabricate power transmission cables with unique designs and characteristics. One such design is shown in FIG. This design enables extra high voltage (EHV) (ie, greater than 500 kilowatts, preferably greater than 10 6 volts) power transmission, and strength-to-weight not previously obtained (strength- It is essentially a shielded coaxial cable with to-weight characteristics and little or no corona discharge problems.

図示した設計は、上記のごとく[例えば、(n, n)型金属性単層ナノチューブ類から]製作した単層ナノチューブを基礎とする炭素繊維導体の使用を例示するものであり、中心導体30と絶縁層32により分離された同軸外方導体31から成るものである。中心導体は電力伝送を行い、その外方層導体は大地にバイヤスが掛けられている。中心導体は固体金属性炭素でありうる。代わりに、中心導体は、ACSR導体において普通な螺旋状に凝集してもよい金属性炭素繊維ストランドを含有することができる。   The illustrated design illustrates the use of a carbon fiber conductor based on a single-walled nanotube fabricated as described above [eg, from (n, n) -type metallic single-walled nanotubes] It consists of a coaxial outer conductor 31 separated by an insulating layer 32. The center conductor conducts power transmission, and the outer layer conductor is biased to the ground. The central conductor can be solid metallic carbon. Alternatively, the central conductor can contain metallic carbon fiber strands that may agglomerate in the usual spiral of ACSR conductors.

該内部導体はまた、上記のごとき金属性炭素繊維で織られた又は編組され、露出した心空間を囲む環状チューブを含有することができる。該絶縁層は任意の軽量絶縁物質であり得る。好ましい実施態様のうちで、窒化硼素のストランド束又は織布層は上記のごとくして製作され、(絶縁性間座を用いて形成した)環状の空気空間が使用される。   The inner conductor may also contain an annular tube woven or braided with metallic carbon fibers as described above and surrounding the exposed heart space. The insulating layer can be any lightweight insulating material. In a preferred embodiment, a boron nitride strand bundle or woven fabric layer is fabricated as described above and an annular air space (formed using an insulating spacer) is used.

該外方導体層はまた、好ましくは上記したごとく金属性炭素繊維の螺旋状に巻いたストランドで製作されている。このアース接続した層は本質的にコロナ放電問題、或いはその放出を減少さすための従来の措置を講じる必要性を除去するものである。   The outer conductor layer is also preferably made of a helically wound strand of metallic carbon fiber as described above. This grounded layer essentially eliminates the corona discharge problem or the need to take conventional measures to reduce its emissions.

得られた同軸構造体は、極度に高い重量に対する強度特性を所有し、従来の電力水準に比較して、より少ない損失でより大きな距離をより高い電力水準を伝送するために使用することができる。   The resulting coaxial structure possesses extremely high weight strength characteristics and can be used to transmit higher power levels over longer distances with less loss compared to conventional power levels. .

上記電力ケーブル組立体の一つは、従来の電力伝送システムにおける分離した位相に対して使用された各導体を置き換えるために使用することができる。金属性炭素繊維導体と絶縁層を交互に有する多層環状ケーブルを製作することにより、三位相以上を搬送する単一電力伝送ケーブル提供し、電力線の設置及び維持を大きく簡素化することも可能である。
2.太陽電池
米国合衆国特許第5,084,365号に記載されている(参照例としてそのままここに包含される)種類のグレーチェル(Gratzel)電池は、上記したごとき短い炭素ナノチューブ分子の単層分子配列でもって取り換えられたナノ結晶性(nanocrystalline)二酸化チタンを用いて製作することができる。チューブに突き当たる光エネルギーはチューブ長に沿って進行する振動電子流へ転換されるため、光活性染料を用いる必要はない。大きな電荷分離を与える能力(配列チューブの長さ)は高度に効率的な電池を創出する。電池の効率を更に高めるために、配列中の各ナノチューブの端部に付着させた光活性染料(例えば、シス−[ビスチアシアナート ビス(4,4'−ジカルボキシ−2,2'−ビピリジン Ru(II) )]を使用することもまた本発明により意図されている。本発明の別の実施態様において、グレーチェルにより記載されている該ニ酸化チタンナノ構造体は、単層ナノチューブの配列を集める下に横たわる支持体として役立つことができる。この実施態様において、単層ナノチューブ類は直接該ニ酸化チタンに(吸収力により)付着しているか、或いは先ず誘導体化して結合部分を与え、次に該ニ酸化チタン表面に結合する。上記のごとく光活性染料を用い、或いは用いずして使用することができる。
3.メモリ・デバイス
以上に説明したチューブ状炭素分子の内部に装填物を封入した構造は、ナノスケールの双安定不揮発性メモリ・デバイスのビット構造を形成するために利用することができる。この種のビット構造の1つの実施形態は、チューブ状炭素分子の中に適当な分子を1個封入してそのチューブ状炭素分子の端部を閉じ、チューブ状炭素分子の外部から制御影響力を及ぼすことによって、封入した1個の分子をチューブ状炭素分子の内部で前後移動させることができるようにしたものである。また、もう1つの実施の形態は、比較的長さの短いチューブ状炭素分子の中に磁性ナノ粒子(例えばNi/Co)を複数個封入するというものであり、これによって、磁性メモリ・デバイスに用いるナノビットを形成することができる。
One of the power cable assemblies can be used to replace each conductor used for separate phases in a conventional power transmission system. It is also possible to provide a single power transmission cable that conveys more than three phases by manufacturing a multilayer annular cable having alternating metallic carbon fiber conductors and insulating layers, and greatly simplify the installation and maintenance of power lines .
2. Solar cell The type of Gratzel cell described in US Pat. No. 5,084,365 (which is hereby incorporated by reference in its entirety) is a single-walled molecular array of short carbon nanotube molecules as described above. It can be made using nanocrystalline titanium dioxide that has been replaced. The light energy impinging on the tube is converted into an oscillating electron stream that travels along the length of the tube, so there is no need to use a photoactive dye. The ability to provide large charge separation (array tube length) creates a highly efficient battery. To further increase the efficiency of the battery, a photoactive dye (eg, cis- [bisthiocyanate bis (4,4′-dicarboxy-2,2′-bipyridine) attached to the end of each nanotube in the array. The use of Ru (II))] is also contemplated by the present invention.In another embodiment of the present invention, the titanium dioxide nanostructure described by Glacier has an array of single-walled nanotubes. In this embodiment, the single-walled nanotubes are attached directly to the titanium dioxide (by absorption) or are first derivatized to give a binding moiety, and then It binds to the surface of the titanium dioxide and can be used with or without a photoactive dye as described above.
3. The structure encapsulating the charge inside the tubular carbon molecule described above can be used to form the bit structure of a nanoscale bistable nonvolatile memory device. One embodiment of this type of bit structure is to enclose an appropriate molecule in a tubular carbon molecule, closing the end of the tubular carbon molecule, and providing control influence from outside the tubular carbon molecule. By acting, one encapsulated molecule can be moved back and forth inside the tubular carbon molecule. In another embodiment, a plurality of magnetic nanoparticles (for example, Ni / Co) are encapsulated in a tubular carbon molecule having a relatively short length. The nanobit used can be formed.

図11に、この種のビット構造の1つの好適な実施形態を示した。このビット構造において、チューブ状炭素分子40の物理的寸法は、その中に封入する内部移動体41が滑らかに移動できるような大きさであり、即ち、細すぎて内部移動体41の移動を妨げることがないような大きさにしてある。内部移動体の選択基準は、(1)ビットに対する読み書きを行うために用いる読み書きシステムにとって好都合なものであること、それに(2)チューブ状炭素分子の電子構造に適合したものであること、以上2つがある。   FIG. 11 shows one preferred embodiment of this type of bit structure. In this bit structure, the physical dimensions of the tubular carbon molecule 40 are such that the internal moving body 41 enclosed therein can move smoothly, that is, it is too thin to prevent the internal moving body 41 from moving. It is sized so that it never happens. The selection criteria for the internal moving body are (1) that it is convenient for the read / write system used to read / write the bit, and (2) that it is compatible with the electronic structure of the tubular carbon molecule. There is one.

かかるナノビット構造の1つの好適な構成例は、先に説明したプロセスに従って (10,10) SWNTから形成した短尺の(例えば、長さ約10 〜 50 nmの)チューブ状炭素分子の中にC60またはC70球状フラーレン分子を入れ、そのチューブ状炭素分子の端部を閉じて球状フラーレン分子を封入したものである。また、この場合に、封入しようとするC60またはC70分子(バッキー・ボール)の内面または外面に適当なドーピングを施しておくのもよい。(10,10) ナノチューブの中にC60バッキー・ボールを入れた場合には、両者の大きさが、略々完全に適合する。この組合せについては、もう1つ重要なことがあり、それは、そのナノチューブの内側の電子環境が、そのバッキー・ボールの電子環境と高度に適合するということである。特に、そのナノチューブの閉じた端部の内側の電子環境が、そのバッキー・ボールの電子環境とよく適合し、これは、(10,10) ナノチューブのエンド・キャップ部分の内面の曲率が、C60バッキー・ボールの外面の曲率に対応してからである。この構成によれば、ファン・デル・ワールス力による両者間の相互作用が最適なものとなる。図12に示すように、ナノチューブのエンド・キャップ部分にはまり込んでいるバッキー・ボールを、そこから中間の筒状部分へ取出すために必要なエネルギの大きさ(バッキー・ボールがエンド・キャップにはまり込んでいる状態は、電子的に最も安定した状態である)が閾値となることで、このビット構造は双安定ビット構造になる。 One suitable example of such a nanobit structure is C 60 in a short (eg, about 10-50 nm long) tubular carbon molecule formed from (10,10) SWNTs according to the process described above. or put C 70 spherical fullerene molecule is obtained by encapsulating the spherical fullerene molecule to close the end of the tubular carbon molecules. In this case, an appropriate doping may be applied to the inner or outer surface of the C 60 or C 70 molecule (bucky ball) to be encapsulated. (10,10) When a C 60 buckyball is placed inside a nanotube, both sizes fit almost perfectly. Another important thing about this combination is that the electronic environment inside the nanotube is highly compatible with the electronic environment of the bucky ball. In particular, the electronic environment inside the closed end of the nanotube fits well with the electronic environment of the bucky ball, because the curvature of the inner surface of the end cap portion of the (10,10) nanotube is C 60 This is because it corresponds to the curvature of the outer surface of the buckyball. According to this configuration, the interaction between the two due to the van der Waals force is optimal. As shown in FIG. 12, the amount of energy required to remove the bucky ball that is stuck in the end cap portion of the nanotube from there to the intermediate cylindrical portion (the bucky ball fits into the end cap). This bit structure becomes a bistable bit structure when the threshold value is the electronically stable state.

上述のメモリ・ビットに対する読み書きを行うのに適した、好適な読み書き構造の一例を図11に示した。メモリ・ビットへ書込みを行うには、そのメモリ・ビットへ、ナノ回路素子42(このナノ回路素子42はSWNT分子で形成することが好ましい)を介して、然るべき極性の電圧パルスを印加する。正の電圧パルスを印加するとバッキー・ボールに対して引力が働き、負の電圧パルスを印加するとバッキー・ボールに対して斥力が働く。メモリ・ビットが双安定性を備えているため、その電圧パルスを消滅させた後も、バッキー・ボールは、ナノチューブの両端のうちの、そのとき位置していた側の端部に留まる。これは、ナノチューブの両端部分が、エネルギが最低の位置だからである。メモリ・ビットからの読出しを行うには、別のナノ回路素子43(このナノ回路素子43もSWNT分子で形成することが好ましい)に、バイアス電圧VREADを印加する。もし、そのときバッキー・ボールが、ナノチューブの両端のうちの検出側端部に位置していたならば、このバイアス電圧の印加によって付与されるエネルギ・レベルのために、電流が共鳴トンネル効果により接合部を通過して接地電位44へ流れる(この電流の流れは、共鳴トンネル・ダイオードにおける電流の流れと同様にして発生する)。これによって、そのメモリ・ビットが第1安定状態にあるということが読取られる。一方、そのときバッキー・ボールが、検出側端部に位置していなかったならば、バイアス電圧の印加によって付与されるエネルギ・レベルは共鳴点からずれているため、電流がトンネル効果によって接合部を通過して流れることはなく、それによって、そのメモリ・ビットが、第2安定状態にあるということが読取られる。尚、当業者には容易に理解されるように、以上に説明したもの以外の、その他の形態の読み書き構造(例えばマイクロアクチュエータ)を用いることも可能である。 FIG. 11 shows an example of a suitable read / write structure suitable for performing read / write operations on the memory bits described above. To write to a memory bit, a voltage pulse of the appropriate polarity is applied to the memory bit via a nanocircuit element 42 (which is preferably formed of SWNT molecules). When a positive voltage pulse is applied, an attractive force acts on the bucky ball, and when a negative voltage pulse is applied, a repulsive force acts on the bucky ball. Because the memory bit is bistable, the bucky ball remains at the end of the nanotube that was located at the end, even after extinguishing the voltage pulse. This is because both ends of the nanotube are at the lowest energy positions. In order to read from the memory bit, a bias voltage V READ is applied to another nanocircuit element 43 (which is also preferably formed of SWNT molecules). If the bucky ball was then located at the detection end of the nanotube ends, the current was joined by resonant tunneling due to the energy level imparted by the application of this bias voltage. And flows to the ground potential 44 (this current flow is generated in the same manner as the current flow in the resonant tunneling diode). This reads that the memory bit is in the first stable state. On the other hand, if the bucky ball is not positioned at the detection end, the energy level applied by the application of the bias voltage is deviated from the resonance point. It does not flow through, thereby reading that the memory bit is in the second stable state. As will be readily understood by those skilled in the art, other forms of read / write structures (for example, microactuators) other than those described above may be used.

図12に示したビット素子を、2次元アレイまたは3次元アレイを成すように配列することによって、メモリ・デバイスを構成することができる。このようなメモリ・アレイは、各ビット素子が非常に小さい(例えば、約5 nm×25 nmとすることができる)ため、そのビット密度を非常な高密度にすることができ、例えば1.0テラビット/cm2以上にすることができる(これは、ビット間隔を、例えば7.5 nmにした場合である)。メモリ・デバイスの動作に際してバッキー・ボールが移動せねばならない距離は僅か数nmである上に、バッキー・ボールの質量は極めて小さいため、上述のメモリ・デバイスの書込み時間は、約10-10秒程度になる。
4.リチウム・イオン電池
本発明は更に、リチウム・イオン二次電池にも関係しており、このリチウム・イオン二次電子は、多数のSWNT分子を上述した方法で(例えばSAM技法を用いて)配列してSWNTアレイとしたものを、負極(アノード)材料として使用するものである。この負極材料は、例えば、多数の(例えば103個以上の)比較的短尺のナノチューブ分子を、基板上に埴設した構成とすることができる。また別法として、先に説明した微細カーボン・ファイバの端部を、負極の微細多孔性表面として利用する構成とすることもできる。
A memory device can be constructed by arranging the bit elements shown in FIG. 12 to form a two-dimensional array or a three-dimensional array. Such a memory array can have a very high bit density because each bit element is very small (eg, can be about 5 nm × 25 nm), eg, 1.0 terabit / cm 2 or more (this is the case when the bit interval is 7.5 nm, for example). The distance that the buckyball must move to operate the memory device is only a few nanometers, and the mass of the buckyball is so small that the write time of the above memory device is about 10-10 seconds become.
4). Lithium-ion battery The present invention further relates to a lithium-ion secondary battery, wherein the lithium-ion secondary electrons arrange a large number of SWNT molecules in the manner described above (eg, using SAM techniques). The SWNT array is used as a negative electrode (anode) material. The anode material, for example, a large number of (for example, 10 3 or more) relatively short nanotube molecules, may be formed by the Hani設on the substrate. Alternatively, the end of the fine carbon fiber described above can be used as the fine porous surface of the negative electrode.

このナノチューブ分子アレイは、端部の開いた開放形チューブ状炭素分子で構成した分子アレイとすることもでき、また、端部の閉じた閉塞形チューブ状炭素分子で構成した分子アレイとすることもできる。いずれの場合も、個々のチューブ状炭素分子によって、リチウム・イオンをインターカレートする(層間化合物の形で取り込む)ための構造的に安定した微細孔が提供される。即ち、開放形チューブ状炭素分子を使用した分子アレイでは、リチウム・イオンはそのチューブ状炭素分子の中へ入り込んでインターカレートされ、また、閉塞形チューブ状炭素分子を使用した分子アレイでは、リチウム・イオンはそのチューブ状炭素分子のエンド・キャップに形成されている三角形の細孔へ入り込んでインターカレートされる。このインターカレーションによって形成されるフラーレン層間化合物(fullerene intercalation compound: FIC)を、例えば、リチウム・イオンを含有する非プロトン性の有機溶媒電解液、及びLiCoO2製の正極(カソード)と組合せることで、優れたリチウム・イオン二次電池を構成し得る。尚、このリチウム・イオン二次電池は、1996年度、IEEE、VLSI回路シンポジウムにおいて「The Development of Lithium Ion Secondary Batteries」という演題でなされた西氏の講演で説明されたタイプの二次電池であり、これを図13に示した。同図において、負極50は、多数のSWNT51を整列させた分子アレイで構成されている。この二次電池のその他の構成要素は、正極52、電解液53、リチウム・イオン54、及び電子55である。 This nanotube molecular array can be a molecular array composed of open tubular carbon molecules with open ends, or a molecular array composed of closed tubular carbon molecules with closed ends. it can. In either case, the individual tubular carbon molecules provide structurally stable pores for intercalating lithium ions (incorporating in the form of intercalation compounds). That is, in a molecular array using an open tubular carbon molecule, lithium ions enter and intercalate into the tubular carbon molecule, and in a molecular array using a closed tubular carbon molecule, lithium ions • Ions enter and intercalate into the triangular pores formed in the end caps of the tubular carbon molecules. Combining the fullerene intercalation compound (FIC) formed by this intercalation with, for example, an aprotic organic solvent electrolyte containing lithium ions and a positive electrode (cathode) made of LiCoO 2 Thus, an excellent lithium ion secondary battery can be constituted. In addition, this lithium ion secondary battery is a secondary battery of the type explained in the lecture of Mr. Nishi made in 1996 at the IEEE, VLSI circuit symposium entitled "The Development of Lithium Ion Secondary Batteries" This is shown in FIG. In the figure, the negative electrode 50 is composed of a molecular array in which a large number of SWNTs 51 are aligned. Other components of the secondary battery are a positive electrode 52, an electrolytic solution 53, lithium ions 54, and electrons 55.

本発明にかかる分子アレイのFICから成るリチウム収容媒体は、充電容量が大きく(例えば600 mA h/g以上)、充電中の安定性に優れ、しかも優れたサイクル特性を有するものである。そのため、このリチウム収容媒体を使用することによって、高い安全性を有する優れた蓄電池を構成することができる。   The lithium-containing medium comprising the molecular array FIC according to the present invention has a large charge capacity (for example, 600 mA h / g or more), excellent stability during charging, and excellent cycle characteristics. Therefore, an excellent storage battery having high safety can be configured by using this lithium-containing medium.

上述の負極は、最大電流が大きく、充電容量が大きく、抵抗が小さく、優れた可逆性を有するものであり、ナノエンジニアリングによって、分子構造上の完全性を備えた炭素分子で形成される電極である。この負極は、金属材料的特性を有するフラーレン・ナノチューブ分子を、ネイル・ベッド形のアレイを成すように整列させて形成したメンブレン(膜体)を備えており、隣り合うナノチューブどうしの間の空間や、各ナノチューブの内部空間である細孔の奥に、リチウム・イオンが収容されるようにしたものである。また、端部が開いたナノチューブを使用する場合には、その開いた端部に対して施す化学的修飾処理を最適化することで、負極と電解液との間の界面の特性を良好なものにすることができる。この修飾処理によって付加する修飾体は、酸化還元反応が発生する界面を、安定した界面として提供することのできる有機体とすることが好ましい。また一般的に、修飾体として使用する有機体は、その構造が、使用している電界液に類似したものであることが好ましい。この修飾処理に使用するエージェントの好適例はポリ酸化エチレンであり、また特に、ポリ酸化エチレンのオリゴマーとすることが好ましい。   The negative electrode described above is an electrode formed from carbon molecules having a large maximum current, a large charge capacity, a low resistance, and an excellent reversibility, and having a complete molecular structure by nanoengineering. is there. This negative electrode has a membrane (film body) formed by aligning fullerene and nanotube molecules having metallic material properties so as to form a nail bed type array. In the interior of each nanotube, lithium ions are accommodated inside the pores. In addition, when using nanotubes with an open end, the chemical modification treatment applied to the open end is optimized to improve the characteristics of the interface between the negative electrode and the electrolyte. Can be. The modified substance added by this modification treatment is preferably an organic substance that can provide an interface where a redox reaction occurs as a stable interface. In general, it is preferable that the organic substance used as the modified substance has a structure similar to that of the electrolysis solution used. A preferred example of the agent used for the modification treatment is polyethylene oxide, and it is particularly preferable to use an oligomer of polyethylene oxide.

電極としての用途には、ナノエンジニアリングを用いて形成したナノチューブ・メンブレンの電気化学反応が利用される。これに関して重要な点は、ナノチューブ分子の端部や側面部分に対して修飾処理を施すことによって、リチウム・イオン二次電池に使用する電解液に適合する最適の界面が形成されるようにしていることである。これによって電池の電極にリチウム・イオンが取り付き易くなるため、エネルギ密度を増大させることができる。更に、同様に重要な点として、これによって、これまで常に悩まされていた、いわゆるSEI(固体−電解液中間相)問題を克服できるということがある。このSEI問題が発生すると、電極の容量が著しく低下し、また電極の可逆性が著しく悪化する。   For the use as an electrode, an electrochemical reaction of a nanotube membrane formed by using nano engineering is used. The important point in this regard is that the end surfaces and side surfaces of the nanotube molecules are modified so that an optimal interface suitable for the electrolyte used in the lithium ion secondary battery is formed. That is. This facilitates the attachment of lithium ions to the battery electrode, thereby increasing the energy density. Furthermore, it is equally important that it overcomes the so-called SEI (solid-electrolyte intermediate phase) problem that has always been plagued. When this SEI problem occurs, the capacity of the electrode is significantly reduced, and the reversibility of the electrode is significantly deteriorated.

Li+ は、蓄電池に用いるイオンとして、優れた特性を有するものである。軽量のカウンター・イオンとしてLi+ を凌ぐ特性を有するイオンは、プロトン以外にはなく、またLi+ には、使用する電解質を、非常に多くの種類の固体及び液体の電解質のうちから選択できるという利点、並びに、正極材料を、これも非常に多くの種類の材料のうちから選択できるという利点がある。正極材料として使用可能な材料のうちの主なものは、インターカレーション・サイトが3次元の網状構造を成している様々な金属酸化物であり、このインターカレーション・サイトとは、電池が放電した状態にあるときにLi+が入り込んでいる場所のことをいう。初期の再充電可能なリチウム電池では、負極材料として金属リチウムを使用していたが、そのような電池には、以下に列挙する短所が付随していた。 Li + has excellent characteristics as ions used in storage batteries. That ions having properties superior to Li + as counter-ions of the lighter is not in addition to protons, and the Li + is the electrolyte used can be selected very out of the electrolyte of many kinds of solid and liquid The advantage is that the positive electrode material can also be selected from a very large variety of materials. The main materials that can be used as the positive electrode material are various metal oxides in which the intercalation sites form a three-dimensional network structure. The place where Li + enters when it is in a discharged state. Early rechargeable lithium batteries used metallic lithium as the anode material, but such batteries were associated with the disadvantages listed below.

−再充電の際にデンドライトが成長するため、電極を構成しているリチウムが次第に失われて行く。
−有機溶剤を使用しているため、リチウムの激しい反応性が安全上の問題となる。
-Dendrites grow during recharging, so that the lithium making up the electrodes is gradually lost.
-Because of the use of organic solvents, severe lithium reactivity is a safety issue.

−上述したようにリチウムのデンドライトが成長するため、セパレータが突き破られて正極と負極とが短絡することがある。
これら問題のうち、安全上の問題に対する解決法の1つとして見出された方法が、負極材料を、金属リチウムから、リチウム−炭素層間化合物に代えるというものであり、これによって、いわゆる「ロッキングチェア」電池が開発された。ロッキングチェア電池では、Li+ が還元されてLi になるということがなく、電池が充電と放電とを反復する際に、炭素材料を用いて形成した負極のインターカレーション・サイトと、金属材料を用いて形成した正極との間を、単にLi+ が往復するだけである。第1世代のリチウム・イオン二次電池では、その炭素材料として黒鉛が使用されていたが、黒鉛が選択された主な理由は、当時既に、リチウムと黒鉛との間の固相化学反応について十分に解明されていたからである。また、好都合なことに、黒鉛中のLi+ のポテンシャルは、Li のポテンシャルのMVの数十倍以内であるため、金属リチウムの代わりに黒煙を用いても、それによる重量及び体積の増大は僅かでしかなく、電池電圧も大して低下しないということも理由となっていた。
-As mentioned above, since lithium dendrite grows, the separator may be broken and the positive electrode and the negative electrode may be short-circuited.
Among these problems, a method found as one of the solutions to the safety problem is to replace the negative electrode material from lithium metal to lithium-carbon intercalation compound. The battery was developed. In a rocking chair battery, Li + is not reduced to Li 0, and when the battery repeats charging and discharging, a negative electrode intercalation site formed using a carbon material, and a metal material Li + simply reciprocates between the positive electrode formed by using. In the first generation lithium-ion secondary battery, graphite was used as the carbon material, but the main reason for the choice of graphite was already the solid-state chemical reaction between lithium and graphite. It was because it was elucidated. Fortunately, the potential of Li + in graphite is within tens of times the MV of the potential of Li 0 , so even if black smoke is used instead of metallic lithium, the increase in weight and volume is caused thereby. The reason is that the battery voltage is not significantly reduced.

しかしながら、黒煙を使用するようにしたという、まさにそのことによって、以下に示す新たな技術上の問題が発生した。
−常温下でのLi+ を移動させる輸送特性に優れた電解液(例えば、プロピレンカーボネートにLiClO4を溶解した溶液)は、Li+ に対して溶媒和を生じることから、Li+と共に黒鉛層間化合物を形成する。そのため、黒鉛の剥離状裂壊を発生させ、寸法安定性を損ない、早期故障を誘発する。
However, the fact that black smoke is used has caused the following new technical problems.
- electrolyte having excellent transport properties for moving the Li + at room temperature (e.g., a solution obtained by dissolving LiClO 4 in propylene carbonate) from causing the solvated against Li +, graphite intercalation compounds with Li + Form. Therefore, exfoliation of graphite is generated, dimensional stability is impaired, and early failure is induced.

−常温下での黒鉛中のLi+ の拡散性は比較的低い。これは、黒鉛格子の中である1つの六角構造に囲まれた位置からそれに隣接する六角構造に囲まれた位置へジャンプして拡散する際の障壁が(類似した構造の格子と比べて)比較的大きいために、拡散が抑制されているからである。 -Li + diffusion in graphite at room temperature is relatively low. This is because the barrier when jumping from a position surrounded by one hexagonal structure in a graphite lattice to a position surrounded by a hexagonal structure adjacent to it is compared (compared to a lattice with a similar structure). This is because diffusion is suppressed due to the large size.

これら2つの問題のうち第1の問題は、Li+ と共に黒鉛層間化合物を形成することのない新たな電解液(例えば、ジメチルカーボネートとエチレンカーボネートとを混合した混合液にLiPF6を溶解した電解液)を開発することで克服されたが、しかしながらこのような電解液は、イオンを移動させる輸送能力が劣っているということがあった。また、第2の問題を克服するためには、微細に分割された形態の(即ち、粉末、破砕片、繊維状、多孔質等の)黒鉛を使用する必要があるが、そのようにすると表面積が著しく増大するため、それによって、新たな一連の問題が発生してしまう。それら問題のうちには、例えば、最初の充電半サイクルで負極に黒鉛層間化合物を形成する際に、表面薄層(いわゆる「固体−電解液中間相: SEI」)が形成されてしまうために、容量低下が生じるという問題がある。この問題を克服するためには、電池を製造する際に、正極のリチウム含有材料の使用量を、理論量よりも、SEIの形成によって消費されるリチウム量だけ多くしておかねばならないが、そのようにしてもやはり容量が低下する。このSEIについては余り多くのことは分かっていないが、ただし(電解液の分解によって生じる)炭酸塩が、SEIの重要な成分となっていることだけは一般に認められている。また、SEIに関して産業界で広く採用されている基準は、SEIの形成による容量低下が、全てのリチウムが利用されたときの容量の10 %を超えないようにするというものである。 The first of these two problems is a new electrolytic solution that does not form a graphite intercalation compound with Li + (for example, an electrolytic solution in which LiPF 6 is dissolved in a mixed solution of dimethyl carbonate and ethylene carbonate). However, such electrolytes have inferior transport ability to move ions. Moreover, in order to overcome the second problem, it is necessary to use graphite in a finely divided form (that is, powder, crushed pieces, fibrous form, porous form, etc.). Increases significantly, thereby creating a new set of problems. Among these problems, for example, when a graphite intercalation compound is formed on the negative electrode in the first charging half cycle, a thin surface layer (so-called “solid-electrolyte intermediate phase: SEI”) is formed. There is a problem that the capacity is reduced. In order to overcome this problem, the amount of the lithium-containing material used for the positive electrode must be increased by the amount of lithium consumed by the formation of SEI rather than the theoretical amount when manufacturing the battery. Even so, the capacity decreases. Not much is known about this SEI, but it is generally accepted that carbonate (produced by the decomposition of the electrolyte) is an important component of SEI. Also, a widely adopted industry standard for SEI is to ensure that the capacity loss due to SEI formation does not exceed 10% of the capacity when all lithium is used.

更にその後の研究によって、その他の様々な形態の炭素(ナノ結晶炭素)が利用できることが発見された。それらのうちには、カーボン・ブラック、石炭の焼成物、石油ピッチの焼成物、ポリマーの焼成物、天然原料(砂糖、堅果の果皮、等々)の焼成物、炭素とその他の元素(ホウ素、ケイ素、酸素、水素)との「合金」等がある。更には、酸化スズ等の全く新しい系も、利用可能であることが分かった。これら材料のうちの幾つかは、そのリチウム収容能力が黒鉛よりも大きいが、その「収容能力の増大分」の微視的発生原因については殆ど何も解明されていない。概して、これら材料は、そのサイクル特性が黒鉛よりもはるかに劣っており、また、これら材料のうち、水素を含有している材料はいずれも、電池電圧とリチウム濃度との関係が、充電半サイクルと放電半サイクルとで大きく異なっており、即ち顕著なヒステリシス特性を示している。これは、電池の特性としては、極めて不都合な特性である。そして、このヒステリシス特性の発生原因についても、殆ど何も解明されていない。これら材料の主たる利点は、これら材料が本来的に細粒ないし細片の形状であるため、これら材料の内部におけるリチウム・イオンの移動が速やかに行われるということにある。これは、リチウム・イオン二次電池が大電流の用途(例えば、電気自動車等)に使用されていて、電池性能がその用途における重要な要因である場合に、絶対的に必要とされる条件である。   Further research has found that various other forms of carbon (nanocrystalline carbon) can be used. Among them, carbon black, calcined coal, calcined petroleum pitch, calcined polymer, calcined natural raw materials (sugar, nut peel, etc.), carbon and other elements (boron, silicon) , Oxygen, hydrogen) and the like. Furthermore, it has been found that completely new systems such as tin oxide can be used. Some of these materials have a lithium capacity that is greater than that of graphite, but little has been clarified about the microscopic causes of their “increased capacity”. In general, these materials are much inferior in cycle characteristics to graphite, and any of these materials that contain hydrogen has a relationship between battery voltage and lithium concentration that has a charge half cycle. And the discharge half cycle are greatly different, that is, exhibit a remarkable hysteresis characteristic. This is a very inconvenient characteristic as a battery characteristic. Also, almost nothing has been elucidated about the cause of this hysteresis characteristic. The main advantage of these materials is that they are essentially in the form of fine grains or strips, so that lithium ions move quickly inside these materials. This is an absolutely necessary condition when lithium ion secondary batteries are used in high current applications (eg, electric vehicles) and battery performance is an important factor in that application. is there.

本発明にかかる負極は、最初から最後までナノエンジニアリングを用いて、分子レベルの精度をもって製造されるものである。この負極は、金属リチウムの電気化学的ポテンシャルと同程度の電気化学的ポテンシャルをもって、リチウムを収容するものであり、体積あたりのリチウム収容容量が大きく、デンドライトが成長するという問題を生じることがなく、金属リチウムだけで形成した負極に付随している安全上の問題も生じることがない。この負極においては、充放電の際のリチウム・イオンの移動が高速で行われ、しかも、充電状態ないし放電状態がいかなるレベルにあるときでも、構造的及び化学的な完全性が維持される。更に加えて、この負極と電解液との間の界面が、所望の状態となるように設計することができるため、Li0 ⇔ Li+で表される酸化還元の化学反応を、高度の可逆性をもって行わせることができ、また、非常に小さな実効抵抗をもって行わせることができる。 The negative electrode according to the present invention is manufactured with nano-level engineering from the beginning to the end with molecular level accuracy. This negative electrode accommodates lithium with an electrochemical potential comparable to that of metallic lithium, has a large lithium capacity per volume, and does not cause the problem of dendritic growth. There is no safety problem associated with the negative electrode formed only of metallic lithium. In this negative electrode, lithium ions move at high speed during charging and discharging, and structural and chemical integrity is maintained regardless of the level of charge or discharge. In addition, since the interface between the negative electrode and the electrolyte can be designed to be in the desired state, the redox chemical reaction represented by Li 0 ⇔ Li + is highly reversible. And can be performed with a very small effective resistance.

このような負極の具体的な設計例を上げるならば、例えば、金メッキ銅板等の金属製支持電極に、多数のフラーレン・ナノチューブを、ネイル・ベッドのような六方格子のアレイを形成するように整列させて付着させたものである。図14から明らかなように、この構造によれば、還元状態のリチウムであるLi0 が、ナノチューブどうしの間に画成されている空間の奥や、ナノチューブそれ自体の内部の中空の空間の奥に収容され、このことがこの構造の利点となっている。即ち、リチウムの酸化還元の化学反応が行われる領域が、主として、電極の表面に露出しているナノチューブの先端部分だけに限局され、しかも、このナノチューブの先端部分に修飾処理が施されているため、その酸化還元反応を、高度の可逆性を有するものとすることができる。
5.3次元の自己整列SWNT構造
本発明にかかる自己整列構造(SAM)のうちに、その構造の構成要素とするSWNT分子に修飾処理を施した上で、多数のそのようなSWNT分子を一緒にしておくことにより、自然発生的にその構造が構成されるようにした、3次元の自己整列構造がある。その1つの可能な実施の形態は、先に説明したSAM、即ち2次元単層構造を、その3次元の自己整列構造を形成するための出発材料、即ちテンプレートとして使用するというものである。この自己整列構造の構成要素とするSWNT分子のエンド・キャップに単機能の修飾体を付加すると、それら分子が同一方向に延在して、それら分子の端部どうしが突き合わされたように整列して3次元構造を構成する傾向が生じる。これに対して、SWNT分子に多機能の修飾体を付加した場合や、各SWNT分子上の離れた複数の位置に夫々に修飾体を付加した場合には、対称性を持った構造が構成されることもあれば、対称性を持たない真の意味で3次元的な構造が構成されることもある。
To give a specific design example of such a negative electrode, for example, a large number of fullerene nanotubes are aligned on a metal support electrode such as a gold-plated copper plate so as to form an array of hexagonal lattices such as a nail bed. It was made to adhere. As is clear from FIG. 14, according to this structure, Li 0 which is reduced lithium is deep in the space defined between the nanotubes or in the hollow space inside the nanotube itself. This is an advantage of this structure. In other words, the region where the chemical reaction of the oxidation and reduction of lithium is performed is limited mainly to the tip portion of the nanotube exposed on the surface of the electrode, and the modification processing is applied to the tip portion of the nanotube. The oxidation-reduction reaction can be highly reversible.
5. Three-dimensional self-aligned SWNT structure In the self -aligned structure (SAM) according to the present invention, a SWNT molecule as a constituent element of the structure is modified, and a number of such SWNT molecules are combined together. There is a three-dimensional self-aligned structure in which the structure is configured spontaneously. One possible embodiment is to use the previously described SAM, i.e. a two-dimensional monolayer structure, as a starting material, i.e. a template, to form the three-dimensional self-aligned structure. When a single-functional modification is added to the end caps of SWNT molecules that are components of this self-aligned structure, the molecules extend in the same direction and align as if the ends of the molecules are abutted. Tend to constitute a three-dimensional structure. On the other hand, when a multifunctional modification is added to the SWNT molecule, or when a modification is added to each of the SWNT molecules at multiple positions on the SWNT molecule, a symmetrical structure is constructed. In some cases, a true three-dimensional structure without symmetry is formed.

先に説明した方法で製造した試料中のカーボン・ナノチューブに対して修飾処理を施す際に、各ナノチューブに、複数の特定機能エージェント(functionally-specific agents: FSA)を結合させるようにしてもよく、その結合の形態は、イオン結合と共有結合とのどちらとすることも可能である。また、それら複数のFSAの結合位置については、各ナノチューブ上の任意の1箇所にそれらをまとめて結合させる場合と、各ナノチューブ上の任意の一連の箇所にそれらを個別に結合させる場合とがあり得る。FSAを付加することで、ナノチューブ群の自己整列によって、幾何学的な構造が構成されるようにすることができる。複数通りの長さのナノチューブを組合せて1つの構造を構成させることも可能であり、また、互いに異なった種類のFSAを付加したナノチューブを組合せて1つの構造を構成させることも可能である。更に、FSAの働きにによって自己整列させるばかりでなく、ファン・デル・ワールス力によって自己整列させることも可能であり、ファン・デル・ワールス力は、修飾処理を施したフラーレン分子どうしの間、修飾処理を施していないフラーレン分子どうしの間、それに、修飾処理を施したフラーレン分子と修飾処理を施していないフラーレン分子との間の、いずれにも作用して自己整列させることができる。また、FSAの選択結合性を利用することによって、特定のサイズないし特定の種類のナノチューブ(対象ナノチューブ)だけを整列させ、対象外ナノチューブは、たとえ存在していても整列構造から排除するということも可能である。従って、1つの実施の形態として、特定の長さのナノチューブを整列させるようなFSAを選択するという方法がある。また、このような選択性を有する複数のFSAを組合せることによって、2通り以上の異なったサイズないし種類のカーボン・ナノチューブを、一定の方向に延在するように整列させることも可能である。   When the carbon nanotubes in the sample manufactured by the method described above are modified, a plurality of functionally-specific agents (FSA) may be bound to each nanotube. The form of the bond can be either an ionic bond or a covalent bond. In addition, with regard to the bonding positions of these multiple FSAs, there are cases where they are bonded together at an arbitrary position on each nanotube and cases where they are individually bonded at an arbitrary series of positions on each nanotube. obtain. By adding FSA, a geometric structure can be formed by self-alignment of the nanotube group. A single structure can be formed by combining nanotubes having a plurality of lengths, and a single structure can be formed by combining nanotubes to which different types of FSA are added. In addition to self-alignment by the action of FSA, it is also possible to self-align by van der Waals force, and van der Waals force is modified between the modified fullerene molecules. Self-alignment can be performed between fullerene molecules that have not been treated, and between fullerene molecules that have undergone modification treatment and fullerene molecules that have not undergone modification treatment. Also, by utilizing the selective binding of FSA, only specific size or specific type of nanotubes (target nanotubes) can be aligned, and non-target nanotubes can be excluded from the alignment structure even if they exist. Is possible. Thus, one embodiment is to select a FSA that aligns nanotubes of a specific length. Further, by combining a plurality of FSAs having such selectivity, it is possible to align two or more different sizes or types of carbon nanotubes so as to extend in a certain direction.

FSAは、修飾処理を施していないカーボン・ナノチューブと、修飾処理を施したカーボン・ナノチューブとの、いずれにも作用を及ぼし得るものであり、このFSAの作用を利用して、整列して1つの構造を構成しようとするカーボン・ナノチューブの延在方向及びサイズを制御することによって、カーボン・ナノチューブ群から特定の3次元構造を構築することができる。このようにFSAの作用を利用した、自己整列ナノチューブ構造の3次元的な幾何学的構造の制御によって、機械的特性、電気的特性、化学的特性、ないし光学的特性に優れた、これまでにない独自の3次元ナノチューブ材料を合成し得る可能性が得られる。そのような3次元ナノチューブ材料の特性は、どのようなFSAを使用するかによって、また、複数のFSAを使用する場合には、それらFSAの間にどのような相互作用が生じるかによって、様々なものとなり得る。   FSA can affect both carbon nanotubes that have not been modified and carbon nanotubes that have been modified. Using this FSA action, one can align and A specific three-dimensional structure can be constructed from a group of carbon nanotubes by controlling the extending direction and size of the carbon nanotubes to be structured. Thus, by controlling the three-dimensional geometric structure of the self-aligned nanotube structure using the action of FSA, the mechanical properties, electrical properties, chemical properties, and optical properties have been improved. The possibility of synthesizing a unique three-dimensional nanotube material that does not exist is obtained. The properties of such 3D nanotube materials vary depending on what FSA is used and, if multiple FSAs are used, what interactions occur between the FSAs. Can be a thing.

更に、自己整列フラーレン構造が完成した後に、その構造の一部を化学的ないし物理的に改変したり、或いは、その構造に対して、物理的処理、化学的処理、電気的処理、光学的処理、及び/または生物学的処理を施すことによって、その自己整列フラーレン構造の特性を変化させることができる。そのための方法としては、例えば、その自己整列フラーレン構造に、別の分子をイオン結合または共有結合によって結合させるという方法や、その構造が完成したために不要となったFSAをその構造からという方法、それに、生物学的処理や光学的処理によってその構造の配列の一部を改変するという方法がある。このような構造改変、及び/または、修飾処理によって、その自己整列フラーレン構造の、電気的機能、物理的機能、電磁気的機能、ないし化学的機能を変化させ、或いは、その自己整列フラーレン構造にそれら機能を付与することができ、また更に、その自己整列フラーレン構造とその他のデバイスとの間の相互作用を、変化させ、或いは新たに付与することができる。   Furthermore, after the self-aligned fullerene structure is completed, a part of the structure is chemically or physically modified, or the structure is subjected to physical processing, chemical processing, electrical processing, optical processing. And / or biological treatment can change the properties of the self-aligned fullerene structure. As a method for that, for example, a method in which another molecule is bonded to the self-aligned fullerene structure by ionic bond or covalent bond, a method in which FSA that is no longer needed after the structure is completed, or a method in which the structure is completed, There is a method of modifying a part of the arrangement of the structure by biological treatment or optical treatment. Such structural modification and / or modification process changes the electrical function, physical function, electromagnetic function, or chemical function of the self-aligned fullerene structure, or changes them to the self-aligned fullerene structure. Functionality can be imparted, and further, the interaction between the self-aligned fullerene structure and other devices can be altered or newly imparted.

この幾何学的な自己整列構造は、様々な優れた電気的特性を提供し得るものであり、その具体例を挙げるならば、例えば、電気回路としての動作特性、特定の導電テンソル特性、電磁放射に対する特定の応答特性、ダイオード接合部特性、電流制御用の3端子デバイスとしての特性、メモリ素子を構成するキャパシタとしての特性、通常のキャパシタとしての特性、インダクタとしての特性、導通素子としての特性、それにスイッチとしての特性等がある。   This geometric self-aligned structure can provide various excellent electrical characteristics. For example, the operating characteristics as an electric circuit, specific conductive tensor characteristics, electromagnetic radiation, etc. Specific response characteristics, diode junction characteristics, characteristics as a three-terminal device for current control, characteristics as a capacitor constituting a memory element, characteristics as a normal capacitor, characteristics as an inductor, characteristics as a conduction element, It has characteristics as a switch.

この幾何学的な自己整列構造は、更に、様々な電磁気的特性を提供し得るものであり、それら電磁気的特性には、例えば、電磁気エネルギを電流に変換する変換素子としての特性、アンテナとしての特性、アンテナ・アレイとしての特性、電磁波のコヒーレントな干渉を発生させて様々な波長の電磁波に分解するアレイとしての特性、電磁波の伝播状態を選択的に変化させるアレイとしての特性、ないしは、光ファイバとの間で相互作用を生じる素子としての特性などがある。これら電磁気的特性は、使用するFSAによって異なったものとなり、また、複数のFSAを使用する場合には、それらFSAの間の相互作用によって様々な特性となる。例えば、分子アレイを構成している個々の分子の長さ、位置、及び配向方向を、FSAを利用して適当に定めることによって、それら分子の近傍の電磁場によってそれら分子の内部に夫々に誘起される誘導電流どうしの位相関係が、所定の位相関係になるようにすることができる。またこの場合、それら分子の内部に夫々に誘起される電誘導流は、その電磁場の位相角及び周波数の空間分布に応じた挙動を示すものとなる。また、それら分子の内部に夫々に誘起される誘導電流どうしの位相関係は、その分子アレイの構造にも影響される。更に加えて、FSAを利用して、個々のナノチューブまたはナノチューブ群と、外部に存在するものとの間の、様々な相互作用を強化することも可能であり、ここでいう相互作用は、例えば、応力、歪み、電気信号、電流、ないしは電磁気相互作用を何らかの形で伝達させる作用である。このような相互作用によって、この自己整列ナノ構造と、その他の既知の有用なデバイスとの間の「インターフェース」が提供される。   This geometric self-alignment structure can further provide various electromagnetic characteristics, such as a characteristic as a conversion element that converts electromagnetic energy into a current, and an antenna as an antenna. Characteristics, characteristics as an antenna array, characteristics as an array that decomposes into electromagnetic waves of various wavelengths by generating coherent interference of electromagnetic waves, characteristics as an array that selectively changes the propagation state of electromagnetic waves, or optical fiber There is a characteristic as an element that causes an interaction with the. These electromagnetic characteristics differ depending on the FSA used, and when a plurality of FSAs are used, various characteristics are obtained depending on the interaction between the FSAs. For example, by appropriately determining the length, position, and orientation of the individual molecules that make up the molecular array using FSA, they are induced inside the molecules by electromagnetic fields in the vicinity of the molecules, respectively. The phase relationship between the induced currents can be a predetermined phase relationship. Further, in this case, the electric induction flows induced inside the molecules exhibit behaviors according to the spatial distribution of the phase angle and frequency of the electromagnetic field. In addition, the phase relationship between the induced currents induced inside each molecule is also affected by the structure of the molecule array. In addition, it is possible to use FSA to reinforce various interactions between individual nanotubes or groups of nanotubes and those that are present externally. It is an action that transmits stress, strain, electrical signal, current, or electromagnetic interaction in some form. Such interactions provide an “interface” between this self-aligned nanostructure and other known useful devices.

更に、FSAを適当に選択することによって、優れた化学的特性ないし電気化学的特性を有する幾何学的構造を、自己整列によって構成させることができ、そのような化学的特性ないし電気化学的特性には、例えば、化学反応ないし電気化学反応における触媒として作用する場合の特性、特定の化学物質の吸収特性、特定の化学物からのアタックに対する耐性、エネルギ収容特性、それに耐腐蝕性などがある。   Furthermore, by appropriately selecting FSA, a geometric structure having excellent chemical or electrochemical characteristics can be formed by self-alignment, and such chemical characteristics or electrochemical characteristics can be achieved. For example, there are characteristics when acting as a catalyst in a chemical reaction or electrochemical reaction, absorption characteristics of a specific chemical substance, resistance to attack from a specific chemical, energy accommodation characteristics, and corrosion resistance.

FSAを利用して自己整列によって構成させた構造の、有用な生物学的特性の具体例としては、生化学反応の触媒として作用する場合の特性、特定の生化学物質やエージェントないしは構造の吸収サイトないし反応サイトに関する特性、薬剤ないし治療剤としての効果に関する特性、生体組織との間に特定の相互作用を生じることまたは特定の相互作用を生じないことに関する特性、生物学的系をある形態で成長させるためのエージェントとしての特性、それに、既知の生物学的系の電気的機能、化学的機能、物理的機能、または光学的機能との間で相互作用を生じるエージェントとしての特性などがある。   Specific examples of useful biological properties of structures constructed by self-alignment using FSA include properties when acting as a catalyst for biochemical reactions, absorption sites for specific biochemicals, agents or structures Characteristics related to reaction sites, characteristics related to effects as drugs or therapeutic agents, characteristics related to the occurrence of specific interaction or non-specific interaction with living tissue, growth of biological systems in some form There are characteristics as an agent for causing the function to occur, and characteristics as an agent that causes an interaction with the electrical function, chemical function, physical function, or optical function of a known biological system.

更に、FSAを利用して自己整列によって構成させる構造は、有用な物理的特性を備えたものとすることができる。その具体例としては、比重に対する弾性の比である弾性応力テンソルを大きな値とし得ることがあり、また、これに限られず、更にその他の有用な物理的特性を備えたものとすることもできる。更に、この自己整列構造は、有用な光学的特性を備えたものとすることができ、有用な光学的特性のうちには、例えば、光吸収スペクトル特性、光透過スペクトル特性、それに偏光状態を変化させる特性などがある。   Furthermore, a structure configured by self-alignment using FSA can have useful physical properties. As a specific example thereof, there is a case where the elastic stress tensor, which is the ratio of elasticity to specific gravity, can be set to a large value, and is not limited thereto. In addition, the self-aligned structure can have useful optical properties, such as light absorption spectral properties, light transmission spectral properties, and changing polarization state. There is a characteristic to make it.

この自己整列構造や前述のフラーレン分子を、各々単独で、または両者を組合せて利用することによって(自己整列構造、フラーレン分子、または両者の組合せの種々の形態を総称して「分子/構造」と呼ぶことにする)、有用な特性を有する様々なデバイスを製作することができる。例えば、ある1つの分子/構造を物理的手段、化学的手段、静電気的手段、または磁気的手段を介して別の構造に結合することによって、その1つの分子/構造と、その分子/構造に結合した別の構造との間の、或いは、その1つの分子/構造と、その分子/構造の近傍に存在しているものとの間で、物理的手段、化学的手段、電気的手段、光学的手段、または生物学的手段を介した情報伝達を可能にすることができる。そのような情報伝達の具体例としては、磁気相互作用による物理的情報伝達、電解質の反応または溶液中の化学エージェントの移動による化学的情報伝達、電子の電荷の移動による電気的情報伝達、それに、生物学的エージェントとの相互作用または生物学的エージェントの受渡による光学的情報伝達などがあり、エージェントを介した情報伝達は、分子/構造と、そのエージェントが反応するものとの間で行われることになる。
6.SWNTアンテナ
フラーレン・ナノチューブは、従来の導体製アンテナ素子の代わりに使用することができる。例えば、(n,n) ナノチューブを、その他の材料と組合せて使用することで、ライト・ハーベスティング・アンテナとして機能するショットキー・バリアを形成することができる。その1つの実施の形態は、 (10,10) ナノチューブの一端に金を、他端にリチウムを、いずれもイオウ架橋を介して結合することによって、ナチュラル・ショットキー・バリアを形成するというものである。これによって、光導電性によって電流が発生させることができる。 (10,10) ナノチューブは、アンテナと同様に機能して、ポンプ作用によって電子を電極に注入するように機能し、またその際に、そのナノチューブと金属との接触部が整流ダイオードとしての性質を有するために電子の逆流が阻止される。
By utilizing this self-aligned structure or the above-mentioned fullerene molecule alone or in combination, the various forms of self-aligned structure, fullerene molecule, or a combination of both are collectively referred to as “molecule / structure”. A variety of devices with useful properties can be fabricated. For example, one molecule / structure and one molecule / structure can be attached to another molecule / structure by binding it to another structure via physical, chemical, electrostatic, or magnetic means. Physical means, chemical means, electrical means, optics between or between other bonded structures, or between one molecule / structure and something in the vicinity of that molecule / structure It is possible to enable information transmission via an artificial or biological means. Specific examples of such information transmission include physical information transmission by magnetic interaction, chemical information transmission by reaction of an electrolyte or chemical agent in a solution, electrical information transmission by movement of an electron charge, For example, there is optical communication by interaction with a biological agent or delivery of a biological agent, and information transmission through the agent is performed between the molecule / structure and the one to which the agent reacts. become.
6). SWNT antenna fullerenes / nanotubes can be used instead of conventional conductor antenna elements. For example, (n, n) nanotubes can be used in combination with other materials to form a Schottky barrier that functions as a light harvesting antenna. One embodiment is to form a natural Schottky barrier by bonding gold at one end of the (10,10) nanotube and lithium at the other end, both via a sulfur bridge. is there. Thereby, current can be generated by photoconductivity. (10,10) Nanotubes function in the same way as antennas and function to inject electrons into the electrodes by a pumping action. Therefore, backflow of electrons is prevented.

アンテナを形成するには、ナノチューブ分子の長さを調節して、その最終的な電気的長さが所望の長さになるようにする。この場合、ナノチューブ分子の電気的長さの選択は、そのナノチューブ分子の内部を流れる電流がそのナノチューブ分子の近傍領域の電磁場と相互作用を持つことにより、その電磁場のエネルギがそのナノチューブ分子の内部電流に変換され、また逆に、そのナノチューブ分子の内部電流がその電磁場のエネルギに変換されるようにする。更に、ナノチューブ分子の電気的長さを選択する際には、アンテナ回路に誘起される様々な周波数の電流のうち、所望の周波数領域に含まれる周波数の電流が最大になるように選択するか、または、アンテナ回路に発生する様々な周波数の電圧のうち、所望の周波数領域に含まれる周波数の電圧が最大になるように選択し更に、電流と電圧のどちらも程々に大きくなるように、適当な折り合いをつけるような設計とすることもある。   To form an antenna, the length of the nanotube molecule is adjusted so that its final electrical length is the desired length. In this case, the electrical length of the nanotube molecule is selected by the fact that the current flowing inside the nanotube molecule interacts with the electromagnetic field in the vicinity of the nanotube molecule, so that the energy of the electromagnetic field becomes the internal current of the nanotube molecule. And conversely, the internal current of the nanotube molecule is converted to the energy of the electromagnetic field. Furthermore, when selecting the electrical length of the nanotube molecule, the current of various frequencies induced in the antenna circuit is selected so that the current of the frequency included in the desired frequency region is maximized, Or, the voltage of various frequencies generated in the antenna circuit is selected so that the voltage of the frequency included in the desired frequency region is maximized, and the current and voltage are appropriately increased so as to increase moderately. Sometimes it is designed to make a compromise.

フラーレン・ナノチューブ分子アンテナは更に、ある種の回路の負荷として利用することもできる。その場合には、このアンテナに流れ込んだ電流が、所望の電場及び磁場に変換されるようにすればよい。ナノチューブの長さを調節することによって、所望の伝播特性を有するものとすることができる。更に、幾本ものナノチューブを束にして使用することによって、アンテナ素子の直径を調節することも可能である。   The fullerene-nanotube molecular antenna can also be used as a load on certain circuits. In that case, the current flowing into the antenna may be converted into a desired electric field and magnetic field. By adjusting the length of the nanotube, it can have the desired propagation characteristics. Furthermore, the diameter of the antenna element can be adjusted by using a number of nanotubes in bundles.

更に、以上のようにナノチューブ分子で形成したアンテナ素子を、多数組合せて、アンテナ・アレイを構成することも可能である。そのためには、ナノチューブ分子の長さ、位置、及び配向方向を適切に選択することによって、複数のナノチューブ分子の夫々の内部を流れる電流が、所定の位相関係をもってコヒーレントに作用するようにし、それによって、それらナノチューブ分子の近傍領域に電磁場を発生させ、或いは近傍領域の電磁場を変化させるようにすればよい。この場合、複数のナノチューブ分子の夫々の内部を流れる電流のコヒーレントな作用によって、それら電流によって発生する電磁場の空間分布、角度分布、及び周波数分布が、決定され、変化させられ、制御され、ないしは選定される。また、別の実施の形態として、複数のナノチューブ分子の内部に誘起される電流が、そのアンテナ・アレイの形態によって決まる所定の位相関係を持つようにすることによって、それら電流によって発生する二次的電磁場が、適当な空間分布、角度分布、及び周波数分布を持ってそのアンテナ・アレイから放射されるような形態とすることもでき、この場合に、放射される電磁場の空間分布、角度分布、及び周波数分布は、アンテナ・アレイ及びアンテナ素子の形態によって決定されるものである。このようなアンテナ・アレイを形成するための方法としては、例えば、前述の自己整列単層形成法などを用いればよい。
7.フラーレン分子エレクトロニクス
フラーレン分子には、従来の導電素子の替わりに用いるという用途もある。例えば、フラーレン分子または自己整列させたフラーレン分子群を用いて電気回路を構成し、その電子回路内の電荷の搬送をフラーレン分子に行わせるようにすることができる。この場合、フラーレン分子には、その電気回路内の、電荷の流れを変化させ或いは制御する機能素子どうしの間の電荷の搬送や、その電気回路内の、オブジェクトどうしの間の電荷の搬送を行わせる。ここでいうオブジェクトとは、その内部の電流の流れが何らかの有用な機能を果たすものであり、有用な機能とは、例えば、そのオブジェクトの周囲の電場の分布を変化させる機能、スイッチの電気接点としての機能、それに、電磁波に対してそのオブジェクトが反応することによって実現される機能などである。
Furthermore, an antenna array can be configured by combining a large number of antenna elements formed of nanotube molecules as described above. For this purpose, by appropriately selecting the length, position, and orientation direction of the nanotube molecules, the current flowing inside each of the plurality of nanotube molecules can act coherently with a predetermined phase relationship, thereby The electromagnetic field may be generated in the vicinity region of the nanotube molecules, or the electromagnetic field in the vicinity region may be changed. In this case, due to the coherent action of the current flowing inside each of the plurality of nanotube molecules, the spatial distribution, angular distribution, and frequency distribution of the electromagnetic field generated by these currents are determined, changed, controlled, or selected. Is done. In another embodiment, the current induced in the plurality of nanotube molecules has a predetermined phase relationship determined by the shape of the antenna array, thereby generating secondary currents generated by the currents. The electromagnetic field can also be configured to radiate from its antenna array with an appropriate spatial, angular and frequency distribution, in which case the spatial distribution, angular distribution, and The frequency distribution is determined by the form of the antenna array and antenna element. As a method for forming such an antenna array, for example, the self-aligned single layer forming method described above may be used.
7). Fullerene molecular electronics Fullerene molecules also have applications that are used in place of conventional conductive elements. For example, fullerene molecules or self-aligned fullerene molecule groups can be used to form an electric circuit, and charge transfer in the electronic circuit can be performed by the fullerene molecules. In this case, fullerene molecules carry charge between functional elements that change or control the flow of charge in the electric circuit, and carry charge between objects in the electric circuit. Make it. The object here means that the current flow inside it performs some useful function. For example, the useful function is a function that changes the electric field distribution around the object, or an electrical contact of the switch. And the function realized by the object reacting to electromagnetic waves.

具体的な構成例としては、例えば、ナノチューブ分子を自己整列させて、全波整流用のブリッジ回路を形成することができる。このようなデバイスは、各々が正方形の1つの辺を成す4個のナノチューブ分子と、各々がその正方形の1つずつの角に配置される4個のバッキー・ボールとで構成することができる。先ず、それらバッキー・ボール及びナノチューブ分子に修飾処理を施して、夫々に特定機能エージェントを付加する。付加した特定機能エージェントの働きによって、バッキー・ボールをナノチューブ分子に結合する架橋が形成され、またブリッジが所要の形態に構成される。   As a specific configuration example, for example, a bridge circuit for full-wave rectification can be formed by self-aligning nanotube molecules. Such a device can be composed of four nanotube molecules, each forming one side of a square, and four bucky balls each placed at one corner of the square. First, the bucky ball and the nanotube molecule are modified to add a specific function agent to each. By the action of the added specific function agent, a bridge that connects the bucky ball to the nanotube molecule is formed, and the bridge is configured in a required form.

また、前述の自己整列法を用いて、フラーレン・ダイオードを構成することができる。このダイオードは、例えば、2個のバッキー・チューブと1個のバッキー・カプセルとで構成することができる。その場合に、先ず、バッキー・カプセルに修飾処理を施して、これを双極性イオンにする。具体的には、バッキー・カプセルに、トリエチルアミン陽イオン等の陽性基を2個、及び、CO2-陰イオン等の陰性基を2個付加することによって、双極性イオンにすることができる。更に、1つの実施の形態では、そのバッキー・カプセルの両端の各々に、ジスルフィド架橋を介して (10,10) バッキー・チューブを1個ずつ結合する。この構成では、イオウが特定機能エージェントとしての役割を果たすことになる。
8.プローブ及びマニピュレータ
更に、本発明にかかるSWNT分子を使用して、ナノスケールのプローブやマニピュレータも製作することができる。その具体例としては、例えば、AFM装置及びSTM装置のプローブ・チップや、AFM装置のカンチレバーなどを挙げることができる。また、そのようなプローブに前述の修飾処理を施しておけば、選択的に基板に固着する性質を有するセンサないしセンサ・アレイとして機能させることができる。このようなデバイスは、医薬品等の生物的活性物質の効力検定を分子レベルで実行する高速のスクリーニング効力検定などに利用することができる。更に、本発明にかかる導電性SWNT分子は、電気化学的プローブとしても利用することができる。
Further, a fullerene diode can be formed by using the above-described self-alignment method. The diode can be composed of, for example, two bucky tubes and one bucky capsule. In that case, the bucky capsule is first modified to make it a bipolar ion. Specifically, a bipolar ion can be formed by adding two positive groups such as triethylamine cation and two negative groups such as CO 2 -anion to a bucky capsule. Further, in one embodiment, one (10,10) bucky tube is attached to each end of the bucky capsule via a disulfide bridge. In this configuration, sulfur serves as a specific function agent.
8). Probes and Manipulators Further, nanoscale probes and manipulators can be produced using the SWNT molecules according to the present invention. Specific examples thereof include a probe tip of an AFM apparatus and an STM apparatus, a cantilever of an AFM apparatus, and the like. Further, if the above-described modification treatment is applied to such a probe, it can function as a sensor or sensor array having a property of selectively adhering to a substrate. Such a device can be used for high-speed screening efficacy tests and the like in which efficacy tests for biologically active substances such as pharmaceuticals are performed at the molecular level. Furthermore, the conductive SWNT molecule according to the present invention can also be used as an electrochemical probe.

同様に、SWNT分子で構成したプローブ状のアセンブリを、修飾処理を施したものも、またそうでないものも、例えばナノ鉗子等のナノデバイスの材料取扱い及び製造に効果を有するツールとして利用することができる。更に、この種の分子ツールは、MEMS(マイクロ・エレクトロ・メカニカル・システム)を製造するためや、NANO-MEMSの構成部品ないし回路部品を接続するために利用することもできる。
9.カーボン・ナノチューブを含有する複合材料
複合材料とは、2種類以上の異種成分材料で構成された材料であり、様々なものが公知となっている。一般的に、複合材料は、その複合材料の全体形状を画成する母材と、その複合材料の内部構造を決定する耐力材とで構成されている。複合材料に応力が作用したならば、母材が変形することによって、その応力が耐力材に分散して伝達される。
Similarly, a probe-like assembly composed of SWNT molecules, whether modified or not, can be used as an effective tool for material handling and manufacturing of nanodevices such as nanoforceps. it can. Furthermore, this type of molecular tool can also be used to manufacture MEMS (micro electro mechanical systems) and to connect NANO-MEMS components or circuit components.
9. A composite material containing carbon nanotubes A composite material is a material composed of two or more kinds of different component materials, and various materials are known. In general, a composite material is composed of a base material that defines the overall shape of the composite material and a load bearing material that determines the internal structure of the composite material. If stress acts on the composite material, the stress is dispersed and transmitted to the load-bearing material by the deformation of the base material.

複合材料は通常、非常に大きな強度を有するが、大抵の場合、その強度は等方的なものではなく、複合材料の平面に平行な方向の応力に対しては大きな強度を発揮するのに対して、その平面に垂直な方向の応力に対する強度はそれよりはるかに小さい。このような特性があるため、多層構造の複合材料は、層間剥離を発生し易い。層間剥離を発生するのは、多層構造の複合材料の少なくとも1つの層が、それまで接合していた層から剥がれることによるものであり、その結果、その複合材料の内部に空隙が発生する。この空隙は検出することが極めて困難であり、応力が反復して印加されているうちに、何の前触れもなく突然に、壊滅的な破壊に至ることになる。   Composite materials usually have a very high strength, but in most cases the strength is not isotropic, while it exhibits a high strength against stress in a direction parallel to the plane of the composite material. Thus, the strength against stress in the direction perpendicular to the plane is much smaller. Due to such characteristics, a multilayered composite material is likely to cause delamination. The delamination occurs because at least one layer of the composite material having a multilayer structure is peeled off from the previously joined layer, and as a result, voids are generated inside the composite material. This void is extremely difficult to detect and can lead to catastrophic failure without any prior notice as stress is repeatedly applied.

カーボン・ナノチューブは、複合材料における耐力材として利用することができる。上に説明したように、複合材料は一般的に、2種類以上の異種成分材料で構成された材料であり、通常、その複合材料の全体形状を画成する母材と、その複合材料の内部構造を決定する少なくとも1つの耐力材とを含んでいる。これまで母材の材料として使用されてきた種々の公知の材料は、いずれも、本発明の複合材料の母材の材料として用いることができる(その種の材料については、例えば、Mel M. Schwartz著「Composite Materials Handbook(第2版、1992年刊)」を参照されたい)。公知の母材の材料のうちの幾つかを具体的に示すならば、熱硬化性または熱可塑性の種々の樹脂(ポリマー)、様々な金属材料、セラミック材料、サーメット材料などを挙げることができる。   Carbon nanotubes can be used as load bearing materials in composite materials. As explained above, a composite material is generally a material composed of two or more different types of component materials, usually a matrix that defines the overall shape of the composite material, and the interior of the composite material. And at least one load bearing material that determines the structure. Any of various known materials that have been used as the base material can be used as the base material of the composite material of the present invention (for example, Mel M. Schwartz (See “Composite Materials Handbook (2nd edition, published in 1992)”). Specific examples of some of the known base material materials include various thermosetting or thermoplastic resins (polymers), various metal materials, ceramic materials, cermet materials, and the like.

母材の材料として有用な熱硬化性樹脂には、フタル酸系ポリエステル樹脂、マレイン酸系ポリエステル樹脂、ビニルエステル樹脂、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、シアネート樹脂、ビスマルイミド樹脂(bismaleimide)、ナディック・エンド・キャップト・ポリイミド樹脂(nadic end-capped polyimide)(例えばPMR−15)がある。また、有用な熱可塑性樹脂には、ポリスルホン樹脂、ポリアミド樹脂、ポリカーボネート樹脂、ポリ酸化エチレン樹脂、ポリスルフィド樹脂、ポリエーテル−エーテル−ケトン樹脂、ポリエーテル−スルホン樹脂、ポリアミド−イミド樹脂、ポリエーテルイミド樹脂、ポリイミド樹脂、ポリアリレート樹脂、それに液晶ポリエステル樹脂がある。1つの好適な実施例では、母材の材料としてエポキシ樹脂を使用している。   Thermosetting resins useful as a base material include phthalic polyester resins, maleic polyester resins, vinyl ester resins, epoxy resins, phenol resins, cyanate resins, bismaleimide resins, nadic end caps. There is a nadic end-capped polyimide (for example, PMR-15). In addition, useful thermoplastic resins include polysulfone resins, polyamide resins, polycarbonate resins, polyethylene oxide resins, polysulfide resins, polyether-ether-ketone resins, polyether-sulfone resins, polyamide-imide resins, polyetherimide resins. , Polyimide resin, polyarylate resin, and liquid crystal polyester resin. In one preferred embodiment, epoxy resin is used as the base material.

母材の材料として有用な金属材料には、種々のアルミニウム合金があり、例えば「アルミニウム6061」、「アルミニウム2024」、それに「アルミニウム713」等のアルミニウム・ブレーズがある。母材の材料として有用なセラミック材料には、アルミノ珪酸リチウム等のガラスセラミック、アルミナやムライト等の酸化物セラミック、窒化ケイ素等の窒化物セラミック、それに、炭化ケイ素等の炭化物セラミックがある。母材の材料として有用なサーミック材料には、炭化物系サーミック(炭化タングステン、炭化クロム、炭化チタン等)、耐火性サーミック(タングステン−トリア、バリウム−カーボネート−ニッケル等)、クロム−アルミナ、ニッケル−マグネシア、それに、鉄−炭化ジルコニウムがある。   Examples of metal materials useful as a base material include various aluminum alloys such as “aluminum 6061”, “aluminum 2024”, and “aluminum 713”. Ceramic materials useful as a base material include glass ceramics such as lithium aluminosilicate, oxide ceramics such as alumina and mullite, nitride ceramics such as silicon nitride, and carbide ceramics such as silicon carbide. Thermic materials useful as a base material include carbide-based thermic (tungsten carbide, chromium carbide, titanium carbide, etc.), refractory thermic (tungsten-tria, barium-carbonate-nickel, etc.), chromium-alumina, nickel-magnesia And there is iron-zirconium carbide.

本発明にかかるカーボン・ナノチューブから成る耐力材の形態は、本明細書に説明した様々な形態、並びに公知の様々な形態のうちの、任意の形態のものとすることができる。ただし好ましいのは、フラーレン・ナノチューブ(即ち、分子構造上の完全性を備えたカーボン・ナノチューブ)を用いることである。フラーレン・ナノチューブのうちには、単層の連続した六方グラーフィンのシートが欠陥を持つことなく接合して構成されたチューブの端部に半球状のフラーレン・キャップが結合した形状のものがある。この場合、両端に夫々半球状キャップを備えたものを、真性シングル・ウォール・フラーレン・ナノチューブと呼ぶことがあり、また、そのような両端を閉塞したナノチューブに対して切断処理や侵蝕処理を施して端部を除去したものも、シングル・ウォール・フラーレン・ナノチューブと呼ぶことがある。また更に、複数のシングル・ウォール・フラーレン・ナノチューブを入れ子式に重ね合わせた形態のものを、マルチ・ウォール・フラーレン・ナノチューブと呼び、そのようなフラーレン・ナノチューブも存在する。アーク法で成長させたマルチ・ウォール・ナノチューブ(MWNT)も、徐々にフラーレンと呼び得る理想的なものに近付いてきてはいるが、その分子構造は、なお不完全である。アーク法で成長させたMWNTは、その多層構造の側壁部分にかなりの構造欠陥が存在しており、それら構造欠陥の密度は、100 nmごとに1個以上の多数に及んでいる。これに対して、先に説明したレーザ/オーブン法で生成したシングル・ウォール・カーボン・ナノチューブは、分子構造上の完全性を備えていると認められる。従って、レーザ/オーブン法で生成したシングル・ウォール・カーボン・ナノチューブは、フラーレン・ナノチューブとなり、そのようなカーボン・ナノチューブから形成したカーボン・ファイバは、真性のフラーレン・ファイバとなる。   The form of the load-bearing material composed of carbon nanotubes according to the present invention may be any of the various forms described in the present specification and various known forms. However, it is preferable to use fullerene nanotubes (ie, carbon nanotubes with molecular structural integrity). Some fullerene nanotubes have a shape in which a hemispherical fullerene cap is bonded to the end of a tube formed by joining single-layer continuous hexagonal graphene sheets without defects. In this case, those with hemispherical caps at both ends are sometimes called intrinsic single-wall fullerene nanotubes, and the nanotubes whose ends are blocked are cut or eroded. What removed the edge part may be called a single wall fullerene nanotube. Furthermore, a form in which a plurality of single-wall fullerene nanotubes are nested is called a multi-wall fullerene nanotube, and such fullerene nanotubes also exist. Multi-wall nanotubes (MWNTs) grown by the arc method are gradually approaching the ideals that can be called fullerenes, but their molecular structure is still imperfect. The MWNT grown by the arc method has considerable structural defects in the side wall portion of the multilayer structure, and the density of the structural defects reaches one or more of every 100 nm. In contrast, single wall carbon nanotubes produced by the laser / oven method described above are recognized to have molecular structural integrity. Accordingly, single wall carbon nanotubes produced by the laser / oven method become fullerene nanotubes, and carbon fibers formed from such carbon nanotubes become intrinsic fullerene fibers.

単層フラーレン・ナノチューブのうちには、金属材料的特性を備えたもの(アームチェア形、即ち(n,n) 形の形態のもの)もあれば、金属材料的特性を備えていない螺旋構造のものもある。これらのいずれも、適当な長さに切断して、短尺のチューブ形分子の形態にして利用することができる。切断して形成された短尺のナノチューブ(切断ナノチューブ)は、分子スケールでの強化、補強という、在来の技術では得られない利点を提供するものである。これに対して、ナノチューブの長さがミクロン・スケールに近付くと、分子スケールでは剛性を有するチューブ状分子の特性を持ちながらも、可撓性が大きくなってくる。   Some single-walled fullerene nanotubes have metallic material characteristics (armchair type, that is, (n, n) form), while others have helical structure that does not have metallic material characteristics. There are also things. Any of these can be used in the form of a short tube-shaped molecule by cutting into an appropriate length. Short nanotubes (cut nanotubes) formed by cutting provide advantages that cannot be obtained by conventional techniques, such as strengthening and reinforcement on a molecular scale. On the other hand, when the length of the nanotube approaches the micron scale, the flexibility becomes large while having the characteristic of a tubular molecule having rigidity at the molecular scale.

複数本のカーボン・ナノチューブが束になった構造を本明細書ではロープと呼んでいるが、約103本程度までのカーボン・ナノチューブから成るロープも、複合材料の耐力材として有用である。前述した方法で製作したカーボン・ナノチューブのロープは、互いに絡まり合ってミクロン・スケールのループを多く形成する物理的形状となるため、ロープどうしの間で、またロープと母材の材料との間で、あたかもマジックテープ(登録商標)のような相互作用が働き、しかも分子レベルでは、剛性の高いチューブが束になったバンドルとしての構造が維持されている。 A structure in which a plurality of carbon nanotubes are bundled is called a rope in this specification, but a rope made of up to about 10 3 carbon nanotubes is also useful as a load-bearing material for a composite material. The carbon nanotube ropes produced by the method described above have a physical shape that entangles with each other to form many micron-scale loops, so between the ropes and between the rope and the base material. In addition, an interaction as if it was a magic tape (registered trademark) works, and at the molecular level, a structure as a bundle of highly rigid tubes is maintained.

巨大カーボン・ナノチューブ・ファイバ(106本以上の多数のナノチューブから成るファイバ)も、本発明にかかる複合材料の耐力材として有用である。耐力材として用いる巨大ファイバとしては、先に説明した一様連続形のファイバと、ランダム形のファイバとのいずれも使用可能である。更に、ロープやファイバを耐力材として使用する場合に、先に説明した方法でそれらを切断して、所望の長さのロープないしファイバにしたものを使用するようにしてもよく、或いは、ロープないしファイバが絡まり合ってループを多数形成したフェルト状の形態のものを使用するようにしてもよい。 Giant carbon nanotube fibers (fiber consisting of 10 multiple of more than six nanotubes) are also useful as strength materials of the composite material according to the present invention. As the giant fiber used as the load-bearing material, any of the above-described uniform continuous fiber and random fiber can be used. Furthermore, when ropes or fibers are used as load bearing materials, they may be cut into ropes or fibers of a desired length by the method described above, or ropes or fibers may be used. A felt-like shape in which fibers are entangled to form many loops may be used.

本発明によれば更に、以上に説明した様々な形態のカーボン・ナノチューブ材料のうちの2種類以上のものを、組合せて使用することも考えられる。その場合に、それら材料を混合して、母材中の同一領域に配合するようにしてもよく、また、それら材料を母材中の別々の領域に夫々に配合するようにしてもよい。使用するカーボン・ナノチューブ材料の形態は、その複合材料がいかなる性質のものであるかに応じて、またその複合材料を最終的にいかなる特性を有するものにしたいかに応じて、選択することになる。また、使用するカーボン・ナノチューブ材料は、先に説明した方法で洗浄処理及び精製処理を施したものであることが好ましい。   According to the present invention, it is also conceivable to use a combination of two or more of the various forms of carbon nanotube materials described above. In that case, the materials may be mixed and blended in the same region in the base material, or the materials may be blended in separate regions in the base material. The form of carbon nanotube material used will be selected depending on the nature of the composite material and depending on what properties the composite material will ultimately have. Moreover, it is preferable that the carbon nanotube material to be used has been subjected to washing treatment and purification treatment by the method described above.

複合材料に使用するナノチューブ、ロープ、ないしファイバには、先に説明した方法で修飾処理を施したものとしてもよい。カーボン・ナノチューブのエンド・キャップに修飾処理を施すことによって、カーボン・ナノチューブどうしの結合状態、ないしはカーボン・ナノチューブと母材の材料との間の結合状態を強化することができる。一般的に、真性カーボン・ナノチューブの側壁部分は、完全に均一な構造となっており(即ち、黒鉛の格子構造に類似した六方格子構造を成す炭素のアレイで構成されている)、そのため、側壁部分に欠陥を導入して結合サイトを形成することによって、母材の材料に対する結合付着特性を改善することができる。その具体例を挙げるならば、側壁部分にホウ素原子等を不純物として導入するようにすればよい。こうして形成した壁部の欠陥が結合サイトとなって、ナノチューブと母材の材料との間に働く物理力ないし化学力による相互作用が強化される。更に、このようにして形成した欠陥即ち結合サイトは、ナノチューブと母材の材料との間の化学反応を促進することによって、最終的に形成される複合材料の特性に影響を及ぼすこともあり得る。また、ホウ素原子を導入する他に、先に説明したように、カーボン・ナノチューブの格子の一部を、窒化ホウ素で置換するという方法もある。   The nanotube, rope, or fiber used for the composite material may be modified by the method described above. By applying the modification treatment to the end caps of the carbon nanotubes, the bonding state between the carbon nanotubes or the bonding state between the carbon nanotubes and the base material can be strengthened. In general, the sidewall portion of the intrinsic carbon nanotube has a completely uniform structure (ie, an array of carbon having a hexagonal lattice structure similar to the lattice structure of graphite), and therefore the sidewall By introducing defects in the portion to form a binding site, the bond adhesion characteristics of the base material to the material can be improved. As a specific example, boron atoms or the like may be introduced as impurities into the side wall portion. The defects formed in the wall portion thus formed serve as a binding site, and the interaction by the physical force or chemical force acting between the nanotube and the base material is strengthened. In addition, defects or binding sites formed in this way may affect the properties of the final composite material by promoting a chemical reaction between the nanotube and the matrix material. . In addition to introducing boron atoms, as described above, there is a method in which a part of the lattice of the carbon nanotube is replaced with boron nitride.

本発明にかかるカーボン・ナノチューブと、その他の有機材料または無機材料から成るファイバ状の耐力材とを組合せて、複合材料における耐力材として用いるようにしてもよい。この用途に使用することのできる有機材料としては、例えばセルロースがある。また無機材料としては、例えば、カーボン、ガラス(Dタイプ、Eタイプ、及びSタイプのガラスがある)、黒鉛、酸化ケイ素、炭素鋼、酸化アルミニウム、ベリリウム、酸化ベリリウム、ホウ素、炭化ホウ素、窒化ホウ素、クロム、銅、鉄、ニッケル、炭化ケイ素、窒化ケイ素、デュポン社が製造している「FP」という商品名のアルミナ糸、3M社が製造している「Nextel」という商品名のアルミナ−ボリア−シリカ及びジルコニア−シリカ、ICI社が製造している「Saffil HT」という商品名のジルコニア及びアルミナ、石英、モリブデン、「Rene41」、ステンレス鋼、ホウ化チタン、タングステン、それに、酸化ジルコニウムなどがある。   The carbon nanotube according to the present invention may be combined with a fiber-shaped load-bearing material made of another organic material or inorganic material and used as a load-bearing material in a composite material. An example of an organic material that can be used for this purpose is cellulose. Examples of inorganic materials include carbon, glass (D-type, E-type, and S-type glasses), graphite, silicon oxide, carbon steel, aluminum oxide, beryllium, beryllium oxide, boron, boron carbide, boron nitride. , Chromium, copper, iron, nickel, silicon carbide, silicon nitride, alumina yarn with the product name “FP” manufactured by DuPont, and alumina-boria with the product name “Nextel” manufactured by 3M There are silica and zirconia-silica, zirconia and alumina, quartz, molybdenum, “Rene41”, trade name “Saffil HT” manufactured by ICI, stainless steel, titanium boride, tungsten, and zirconium oxide.

本発明にかかる複合材料を製造するための方法としては、母材の材料と耐力材とを組合せるための公知の様々な材料のうちの、任意の方法を採用することができる。カーボン・ナノチューブ材料は、カーボン・ナノチューブの1本1本がばらばらに分離した形態のものも、また、複数のカーボン・ナノチューブが束になってロープを構成している形態のものも、水や有機溶剤等の液体担体に分散させることによって、母材の材料への配合を容易にすることができる。巨大カーボン・ナノチューブ・ファイバを配合する際の取扱い方は、カーボン・ファイバやグラファイト・ファイバを配合する際の従来の一般的な取扱い方と同様にすることができる。   As a method for producing the composite material according to the present invention, any of various known materials for combining a base material and a load-bearing material can be employed. Carbon nanotube materials include those in which individual carbon nanotubes are separated separately, and those in which a plurality of carbon nanotubes are bundled to form a rope, such as water and organic By dispersing in a liquid carrier such as a solvent, the base material can be easily blended into the material. The handling method when compounding the giant carbon nanotube fiber can be the same as the conventional general handling method when compounding the carbon fiber or the graphite fiber.

カーボン・ナノチューブから成る耐力材を、母材の材料の前駆物質(ポリマー溶液、焼成前のセラミック粒子、等々)と均一に混合した上で、在来の技法を用いてそれを複合材料として完成させるようにしてもよい。また、カーボン・ナノチューブ材料から、耐力層ないし耐力構成材(例えば、フェルト状材料や、バッキー・ペーパー等)を一旦形成し、その形成したものに、プレポリマー溶液を含浸させて、複合材料を形成するという方法もある。   The carbon nanotube-bearing material is uniformly mixed with the matrix material precursors (polymer solution, pre-fired ceramic particles, etc.) and then completed as a composite using conventional techniques. You may do it. In addition, a load-bearing layer or load-bearing component (for example, felt-like material, bucky paper, etc.) is once formed from a carbon / nanotube material, and the formed material is impregnated with a prepolymer solution to form a composite material. There is also a way to do it.

カーボン・ナノチューブから成る耐力材を用いて、在来の複合材料の特性を改善することも可能である。その1つの具体例は、ファイバ材料層に母材ポリマー材料を含浸させることで、それらファイバ材料と母材材料とを一体化した複合材料である。この種の複合材料でよく知られたものには、例えば、黒鉛ファイバの織物の層を、母材のエポキシ系材料と一体化して形成した複合材料がある。この複合材料において、そのエポキシ系材料と黒鉛材料との境界面だけに、3次元的に絡まり合って多数のループを形成しているカーボン・ナノチューブのロープないしファイバを配合するという方法があり、それによって、エポキシ系材料と黒鉛材料とから成る層状複合材料の層間剥離に対する耐性を大幅に向上させることができる。また、エポキシ系材料にカーボン・ナノチューブ材料を分散させた後に、そのエポキシ系材料を含浸させるようにしてもよい(或いは、エポキシ系材料の反応成分のうちの1つに、予めカーボン・ナノチューブ材料を混合しておくようにしてもよい)。更に、カーボン・ナノチューブ材料を液体担体中に分散させたものを、噴霧等の塗布法によって、黒鉛ファイバ層を積層するごとに、その層に塗布するようにしてもよい。   It is also possible to improve the properties of conventional composite materials using a load bearing material made of carbon nanotubes. One specific example is a composite material in which a fiber material layer is impregnated with a matrix polymer material to integrate the fiber material and the matrix material. A well-known composite material of this type is, for example, a composite material formed by integrating a woven layer of graphite fiber with a base epoxy material. In this composite material, there is a method of blending a carbon nanotube rope or fiber which is entangled three-dimensionally and forms many loops only at the interface between the epoxy material and the graphite material. Thus, the resistance to delamination of the layered composite material composed of the epoxy material and the graphite material can be greatly improved. In addition, after the carbon nanotube material is dispersed in the epoxy material, the epoxy material may be impregnated (or the carbon nanotube material is preliminarily added to one of the reaction components of the epoxy material. May be mixed). Further, a carbon nanotube material dispersed in a liquid carrier may be applied to the graphite fiber layer every time it is laminated by an application method such as spraying.

例えば (10,10) ナノチューブ等の、単層フラーレン・ナノチューブは、複合材料の成分としてはこれまで使用されていなかった独自のものである。見ようによっては、単層フラーレン・ナノチューブという材料は、ポリプロピレン、ナイロン、ケブラー、それにDNA等と同様の巨大分子ポリマーであって、単に新規な材料であるだけと思われるかもしれない。しかしながら、単層フラーレン・ナノチューブは、その直径がDNAの二重螺旋の直径と同程度でありながら、曲げに対する剛性も、引張に対する強度も、比べものにならないほど大きい。長鎖を成すポリマーの特性を表す性質の1つに、持続距離(通常のブラウン運動をする条件下において、鎖の方向が実質的に変化するために要する移動距離)がある。ポロプロピレンでは、この持続距離は約1 nmに過ぎず、DNAの二重螺旋では約50 nmである。これらに対して、孤立して存在している1本の (10,10) フラーレン・ナノチューブでは、持続距離が1000 nm以上になる。従って、複合材料の連続相を形成するために用いられる通常のポリマー分子の持続距離を基準として判断するならば、フラーレン・ナノチューブは、十分な剛性を有するパイプであるといえる。   For example, single-walled fullerene nanotubes, such as (10,10) nanotubes, are unique to components that have not been used so far. In some cases, the single-walled fullerene / nanotube material is a macromolecular polymer similar to polypropylene, nylon, kevlar, and DNA, and may simply be considered a novel material. However, single-walled fullerene nanotubes have a diameter that is comparable to the diameter of a DNA double helix, but the rigidity against bending and the strength against tension are incomparably large. One of the properties representing the characteristics of a polymer that forms a long chain is a sustained distance (a movement distance required for the chain direction to substantially change under conditions of normal Brownian motion). For polypropylene, this persistence distance is only about 1 nm, and for DNA double helix it is about 50 nm. In contrast, a single (10,10) fullerene nanotube that exists in isolation has a sustained distance of 1000 nm or more. Therefore, if judged based on the sustained distance of normal polymer molecules used to form a continuous phase of a composite material, it can be said that fullerene nanotubes are pipes having sufficient rigidity.

更に、孤立して存在している1本の (10,10) フラーレン・ナノチューブは、その長さがミクロン単位で表されるほどの長さになると、大きな可撓性を示すようになり、容易に他のナノチューブと絡まり合って多くのループを形成するようになる。このようにナノチューブどうしが絡まり合い、多数のループを形成することによって、複合材料の内部構造に関する、2つの新たな可能性が得られている。即ち、(1)連続相を形成している母材材料がそれらループの中に入り込むことにより、サブミクロン単位の長さのスケールで、ナノチューブが連続相の母材材料に緊密に「結合」することができる。また、(2)ナノチューブと連続相の母材材料とを混合したものを、母材材料が硬化する前に流動させて剪断変形させることにより、ループどうしを更に複雑に絡まり合わせ、ナノチューブに引張力が加わった状態にすることができる。これによって、絡まり合ったフラーレン・ナノチューブを含有する複合材料の、靱性、強度、及び層間剥離に対する耐性を向上させることができる。   In addition, a single (10,10) fullerene nanotube that exists in isolation is very flexible when its length is expressed in microns. It becomes entangled with other nanotubes to form many loops. Two new possibilities for the internal structure of the composite material have been obtained by entanglement of the nanotubes and the formation of multiple loops. That is, (1) the matrix material forming the continuous phase enters these loops, so that the nanotubes are tightly “bonded” to the matrix material of the continuous phase on a submicron length scale. be able to. In addition, (2) by mixing and mixing nanotubes and a continuous phase matrix material before the matrix material hardens and shearing them, the loops are entangled in a more complex manner, and the tensile force is applied to the nanotubes. Can be added. Thereby, the toughness, strength, and resistance to delamination of the composite material containing entangled fullerene nanotubes can be improved.

C60やC70などのフラーレンは、フリー・ラジカルを良好に吸着する効果的な吸着物質であることが知られている。同様に、 (10,10) ナノチューブ等のフラーレン・ナノチューブも、その壁部にフリー・ラジカルを化学吸着する性質が有り、化学吸着することのできるフリー・ラジカルには、例えば、メチル基、フェニル基、メトキシル基、フェノキシル基、水酸基、等々がある。分子量の小さなフラーレンの場合と同様に、フラーレン・ナノチューブにおいても、フリー・ラジカルを化学吸着することによって、網構造の強度が低下するということは殆どない(加熱によってラジカルは解離されるが、その際には、フラーレンの表面に吸着されていたラジカルが放出されるだけであり、フラーレンの構造自体は無傷のまま維持される)。従って、フラーレン・ナノチューブを含有した複合材料を形成する際には、その複合材料の連続相を形成するポリマー材料に、加熱されることによって、ないしは紫外線照射による光分解によって、フリー・ラジカルを生成する基を付加しておけば、フラーレン・ナノチューブとポリマー材料とを共有結合させることができる。例えば、アゾ・ビス・イソブチロニトリルに含まれているようなアゾ架橋は、光照射によって活性化されてフリー・ラジカルを生成するラジカル源として、非常に効果的なものである。 Fullerenes such as C 60 and C 70 are known to be an effective adsorbent materials to better adsorb free radicals. Similarly, fullerene nanotubes such as (10,10) nanotubes also have the property of chemisorbing free radicals on their walls. Examples of free radicals that can be chemisorbed include methyl and phenyl groups. Methoxyl group, phenoxyl group, hydroxyl group, and so on. As in the case of fullerenes with low molecular weights, fullerenes and nanotubes rarely reduce the strength of the network structure due to chemical adsorption of free radicals. Only the radicals adsorbed on the surface of the fullerene are released, and the fullerene structure itself is kept intact). Therefore, when forming a composite material containing fullerene / nanotube, free radicals are generated by heating or photolysis by ultraviolet irradiation to the polymer material forming the continuous phase of the composite material. If a group is added, the fullerene nanotube and the polymer material can be covalently bonded. For example, azo bridges such as those contained in azo bisisobutyronitrile are very effective as radical sources that are activated by light irradiation to generate free radicals.

本発明が提供するカーボン・ファイバは、これまでにない独特の特性を有するものであり、その特性ゆえに、複合材料のための新規な強化材として利用し得るものとなっている。例えば、ファイバ材料とポリマー材料とを複合した異方性を有する複合材料を形成することができる。そのためには、例えば、金属材料的特性を有するカーボン・ナノチューブ・ファイバ(例えば (n,n) SWNTで形成したファイバ)を、プレポリマー溶液(例えば、ポリメタクリル酸メチル)中に分散させ、外部から電界を印加してそれらナノチューブ・ファイバを整列させた後に、プレポリマーを重合させるようにすればよい。更に、このように金属材料的特性を有するカーボン・ナノチューブを使用することによって、導電性材料を形成することも可能となっている。   The carbon fiber provided by the present invention has unprecedented unique characteristics, and can be used as a new reinforcing material for composite materials. For example, a composite material having anisotropy in which a fiber material and a polymer material are combined can be formed. For this purpose, for example, carbon nanotube fibers (for example, fibers formed of (n, n) SWNT) having metallic material properties are dispersed in a prepolymer solution (for example, polymethyl methacrylate), and externally. The prepolymer may be polymerized after an electric field is applied to align the nanotube fibers. Furthermore, it is also possible to form a conductive material by using carbon nanotubes having such metal material characteristics.

以上に説明した、カーボン・ナノチューブを含有した複合材料の用途は多岐にわたり、全てを列挙することはできないが、それらのうちの幾つかを具体的に述べるならば、先ず、これまで黒鉛ファイバやケブラー等の高強度繊維が使用されていた様々な用途は、それらの全てが、カーボン・ナノチューブを含有した複合材料の用途となり得るものである。更に具体的に述べるならば、乗用車、トラック、鉄道車両等をはじめとする様々な車両の構造材や車体用板材としての用途がある。また、タイヤにも適用することができる。また、航空機の部品としての用途もあり、例えば、機体フレーム、スタビライザ、翼表面材、ラダー、フラップ等に使用することができ、更にヘリコプタに関しては、そのロータ・ブレード、ラダー、エレベータ、エルロン、スポイラ、乗降ドア、エンジン・ポッド、それに胴体の構成部材等に適用することができる。また、宇宙飛行体に関しては、ロケット、宇宙船、人工衛星等に適用することができる。ロケット・ノズルにも適用することができる。海洋関係の用途としては、船舶の船体、ホバークラフト、水中翼船、ソナー・ドーム、アンテナ、フロート、ブイ、マスト、スパー、甲板室、フェアリング、タンク等の用途がある。また、スポーツ用品関係の用途としては、ゴルフカート、ゴルフクラブのシャフト、サーフボード、ハングライダーのフレーム、槍投げ競技用の槍、ホッケーのスティック、セイルプレーン、セイルボード、スキーのポール、遊具、釣り竿、スキー及び水上スキー、弓、矢、ラケット、棒高跳びの棒、スケートボード、バット、ヘルメット、自転車のフレーム、カヌー、カタマラン、オール、パドル、及びその他の様々な物品に適用することができる。また、家具関係の用途としては、椅子、ランプ、テーブル、及びその他の様々な現代家具に適用することができる。更にその他の用途としては、例えば、弦楽器の共鳴板、身体防護用、車両防護用、ないし物品防護用の種々の軽量防護用品、ハンマの握り棒や梯子等の工具類、生体適合性インプラント、人工骨、各種補綴物、電気回路板、それにあらゆる種類のパイプ等に適用することができる。   The composite materials containing carbon nanotubes described above have a wide range of uses, and it is not possible to list all of them. However, if some of them are described in detail, first, graphite fiber and Kevlar The various uses for which high-strength fibers such as these are used can all be used for composite materials containing carbon nanotubes. More specifically, it can be used as a structural material for various vehicles such as passenger cars, trucks, railway vehicles, etc. and as a plate material for vehicle bodies. It can also be applied to tires. It can also be used as aircraft parts, for example, it can be used for airframes, stabilizers, wing surface materials, ladders, flaps, etc., and helicopters can be used for rotor blades, ladders, elevators, ailerons, spoilers. It can be applied to passenger doors, engine pods, and fuselage components. As for the spacecraft, it can be applied to rockets, spacecrafts, artificial satellites and the like. It can also be applied to rocket nozzles. Marine applications include ship hull, hovercraft, hydrofoil, sonar dome, antenna, float, buoy, mast, spar, deck room, fairing, tank, etc. In addition, sports equipment-related applications include golf carts, golf club shafts, surfboards, hangrider frames, kite throwing kites, hockey sticks, sailplanes, sailboards, ski poles, play equipment, fishing rods, skis And water skis, bows, arrows, rackets, pole vault sticks, skateboards, bats, helmets, bicycle frames, canoes, catamarans, oars, paddles, and various other items. Moreover, it can apply to a chair, a lamp | ramp, a table, and various other modern furniture as a use regarding furniture. Other uses include, for example, stringed instrument resonance plates, various lightweight protective equipment for body protection, vehicle protection, and article protection, tools such as hammer grips and ladders, biocompatible implants, artificial It can be applied to bones, various prostheses, electric circuit boards, and all kinds of pipes.

具体例
本発明を更によく理解できるように、幾つかの具体例を以下に示す。ただし、本発明の範囲は、以下に具体例として開示する特定の実施の形態に限定されるものではなく、それらはあくまでも、説明のための具体例である。
具体例1.オーブン/レーザ気化工程
この具体例の気化工程で使用した装置は、図1を参照して説明したオーブン/レーザ気化装置であり、この装置については、Haufler et al.著、"Carbon Arc Generation of C60" Mat. Res. Soc. Symp. Porc., Vol. 206, p. 627 (1991) にも、また、米国特許第5,300,203号にも記載されている。走査レーザ・ビームを発生させるレーザとしては、Nd:YAGレーザを使用した。このレーザ・ビームをモータ駆動式の全反射板によって制御し、石英管の中に配置した金属−黒鉛複合材料のターゲットの表面に合焦させて、その照射スポットの直径が6 〜 7 nmになるように設定した。レーザ・ビームによるターゲットの表面の走査を、コンピュータで制御して、ターゲットの表面が常に、凹凸のない滑らかな面に保たれるようにした。レーザ装置は、波長が0.532μmのパルス・ビームを射出するように、また、1個のパルスのエネルギが300 mJになるように設定した。また、パルス射出速度は10 Hzになるように設定し、パルス持続時間は10ナノ秒(ns)になるように設定した。
Specific Examples Some specific examples are provided below to provide a better understanding of the present invention. However, the scope of the present invention is not limited to the specific embodiments disclosed as specific examples below, and these are merely specific examples for explanation.
Specific Example 1 Oven / Laser Vaporization Process The apparatus used in the vaporization process of this example is the oven / laser vaporization apparatus described with reference to FIG. 1, which is described by Haufler et al., “Carbon Arc Generation of C”. 60 "Mat. Res. Soc. Symp. Porc., Vol. 206, p. 627 (1991) and also in US Pat. No. 5,300,203. An Nd: YAG laser was used as the laser for generating the scanning laser beam. This laser beam is controlled by a motor-driven total reflection plate and focused on the surface of a metal-graphite composite target placed in a quartz tube, resulting in an irradiation spot diameter of 6-7 nm. It was set as follows. The scanning of the surface of the target with a laser beam was controlled by a computer so that the surface of the target was always kept smooth with no irregularities. The laser device was set to emit a pulse beam having a wavelength of 0.532 μm, and the energy of one pulse was set to 300 mJ. The pulse injection speed was set to 10 Hz, and the pulse duration was set to 10 nanoseconds (ns).

ターゲットは、直径1インチ(約25.4 mm)の石英管の中に、黒鉛棒で支持して配設し、この石英管の内部を、最初にその圧力が10 mTorrに低下するまで抜気した後に、アルゴンを注入して、それ以後、アルゴンの圧力を500 Torrに維持するようにした。また、アルゴンの体積流量を、50標準立方センチメートル毎秒(sccm)に設定した。石英管の直径が1インチであるため、体積流量がこの値のときに、その石英管の中を流れるアルゴンの流速は、0.5〜10 cm/secの範囲内の値を取り、従ってその流れは層流になる。石英管を高温加熱炉の中に配設し、この高温加熱炉は、その最高温度を1200℃に設定した。この高温加熱炉は、長さ12インチのリンドバーグ炉であり、この具体例1における幾つかの実験を行う間、その温度を1000〜1200℃に維持した。レーザを照射して気化させたターゲットの材料は、それが気化したターゲットの近傍領域から、流動するアルゴンに乗って運ばれ、水冷コレクタの表面に蒸着する。この水冷コレクタは銅製であり、ターゲットの下流側の、加熱炉の出口のすぐ外側に配設した。   The target is placed in a quartz tube with a diameter of 1 inch (about 25.4 mm) supported by a graphite rod, and after the inside of this quartz tube is first evacuated until its pressure drops to 10 mTorr. Argon was injected, and thereafter the argon pressure was maintained at 500 Torr. Also, the argon volume flow was set at 50 standard cubic centimeters per second (sccm). Since the diameter of the quartz tube is 1 inch, when the volume flow rate is this value, the flow rate of argon flowing through the quartz tube takes a value within the range of 0.5 to 10 cm / sec. Laminar flow. The quartz tube was placed in a high temperature furnace, and the maximum temperature of this high temperature furnace was set to 1200 ° C. This high-temperature heating furnace was a Lindberg furnace having a length of 12 inches, and the temperature was maintained at 1000 to 1200 ° C. during several experiments in this specific example 1. The target material vaporized by irradiating the laser is carried on the flowing argon from the vicinity of the vaporized target and deposited on the surface of the water-cooled collector. This water-cooled collector was made of copper, and was arranged on the downstream side of the target, just outside the heating furnace outlet.

ターゲットは、複数の成分材料を均一に混合した複合材料を、ロッド状の形状に成形したものであり、以下の3工程に従って製作した。(1)高純度の金属材料ないし金属酸化物材料を、室温下で、下記の割合で、Carbone of America社製の粉末黒鉛及びDylon社製のカーボン・セメントと混合して調整したペーストを、直径0.5インチの円筒形の成形用鋳型の中に充填し、(2)ペーストを充填した成型用鋳型を、加熱板を備えたCarvey社製の静圧プレスに装着して、それに一定の圧力を印加した状態で、130℃で、4〜5時間に亘って焼成処理を行い、(3)焼成したロッド(成形用鋳型が円筒形状であるためロッド状になる)を、更に流動アルゴン雰囲気中で、810℃で、8時間に亘って焼き固めた。試験を実行するごとに、新しいターゲットを用意して、先ずそのターゲットを、流動アルゴン雰囲気中で、1200℃で、加熱状態に維持するようにした。この加熱状態に維持する時間は一定ではなかったが、多くの場合、12時間とした。このように加熱状態に維持した後に、試験作業を開始し、同一のターゲットに対する試験動作を複数回反復して行った。試験動作を反復する際には、各試験動作の開始直前に、その都度、更に2時間に亘ってターゲットを1200℃に加熱した状態に維持するようにした。   The target was formed by molding a composite material in which a plurality of component materials were uniformly mixed into a rod shape, and was manufactured according to the following three steps. (1) A paste prepared by mixing a high-purity metal material or metal oxide material with room temperature at the following ratio with powder graphite made by Carbone of America and carbon cement made by Dylon. Filled into a 0.5-inch cylindrical mold, (2) Mount the paste-filled mold on a Carvey hydrostatic press equipped with a heating plate, and apply a certain pressure to it. In this state, firing is performed at 130 ° C. for 4 to 5 hours, and (3) the fired rod (which becomes a rod shape because the molding mold has a cylindrical shape) is further flowed in a flowing argon atmosphere. Baked for 8 hours at 810 ° C. Each time the test was run, a new target was prepared, and the target was first maintained at 1200 ° C. in a flowing argon atmosphere. The time for maintaining this heated state was not constant, but in most cases, it was 12 hours. After maintaining the heating state in this way, the test work was started, and the test operation for the same target was repeated a plurality of times. When the test operation was repeated, the target was kept heated to 1200 ° C. for an additional 2 hours each time immediately before the start of each test operation.

この具体例においては、ターゲットを形成する混合材料中の金属材料成分の種類及び濃度を、以下のように様々に設定した。コバルト(1.0原子%)、銅(0.6原子%)、ニオブ(0.6原子%)、ニッケル(0.6原子%)、プラチナ(0.2原子%)、コバルトとニッケルの組合せ(夫々、0.6原子%/0.6原子%)、コバルトとプラチナの組合せ(夫々、0.6原子%/0.2原子%)、コバルトと銅の組合せ(夫々、0.6原子%/0.5原子%)、そしてニッケルとプラチナの組合せ(夫々、0.6原子%/0.2原子%)。混合材料の残余成分はその殆どが黒鉛であり、カーボン・セメントを僅かに含有している。これらターゲット材料で形成した夫々のターゲットを、レーザで気化させ、その都度、水冷コレクタの表面に付着した煤を回収して、その煤に対して超音波処理を施した。この超音波処理は、煤をメタノール溶媒中に分散させて、常温、常圧下で、1時間に亘って実行した(メタノール以外の、その他の良好な溶媒としては、1,2−ジクロロエタンや、1−ブロモ,1、2−ジクロロエタンや、N,N−ジメチルホルムアミドなどがある)。回収した生成物に対して、夫々にメタノール中で30〜60分に亘って超音波処理を施したところ、ただ1つの例外を除いて、いずれも均一な懸濁液が得られた。その例外とは、コバルト、ニッケル、及び黒鉛から成る混合材料を、気化及び蒸着させて得たサンプルであり、このサンプルの蒸着物はゴム状であって、メタノール中で2時間に亘って超音波処理を施した後にも、その僅かな部分が十分に分散せずに残った。以上のようにして得られた煤を、続いて、ビーム・エネルギが100keVの透過型電子顕微鏡(JEOL 2010型)を用いて調べた。   In this specific example, the types and concentrations of the metal material components in the mixed material forming the target were variously set as follows. Cobalt (1.0 atomic%), copper (0.6 atomic%), niobium (0.6 atomic%), nickel (0.6 atomic%), platinum (0.2 atomic%), combination of cobalt and nickel (each 0.6 atomic% / 0.6 atomic%) ), A combination of cobalt and platinum (0.6 atomic% / 0.2 atomic%, respectively), a combination of cobalt and copper (0.6 atomic% / 0.5 atomic%, respectively), and a combination of nickel and platinum (0.6 atomic% / 0.2, respectively) atom%). Most of the remaining components of the mixed material are graphite, and contain a small amount of carbon cement. Each target formed with these target materials was vaporized with a laser, and each time the soot adhered to the surface of the water-cooled collector was collected, and the soot was subjected to ultrasonic treatment. This sonication was carried out for 1 hour at room temperature and normal pressure by dispersing soot in a methanol solvent (other good solvents other than methanol include 1,2-dichloroethane, 1 -Bromo, 1,2-dichloroethane, N, N-dimethylformamide, etc.). The recovered products were each sonicated in methanol for 30-60 minutes, all with uniform exceptions, with one exception. The exception is a sample obtained by vaporizing and vapor-depositing a mixed material consisting of cobalt, nickel, and graphite. The vapor-deposited sample is rubbery and ultrasonicated in methanol for 2 hours. Even after the treatment, a small portion thereof remained without being sufficiently dispersed. The soot obtained as described above was then examined using a transmission electron microscope (JEOL 2010 type) having a beam energy of 100 keV.

上に列挙したターゲット材料には、金属成分としてVIII族遷移金属を1種類だけ含有する材料と、2種類のVIII族遷移金属の組合せを含有する材料とがあるが、それら材料の各々について、その材料をロッド状に成形して製作したターゲット(直径0.5インチ)を評価するための実験を、前述した試験装置を用いて行い、生成された単層・カーボン・ナノチューブの収率及び品質を調べた。どの材料で製作したターゲットを使用した場合も、その反応生成物中に、マルチ・ウォール・カーボン・ナノチューブの存在は認められなかった。収率は、オーブンの温度が高いほど上昇する傾向が認められ、この傾向は、使用したオーブンの上限温度(1200℃)に至るまで変わらなかった。オーブン温度を1200℃に設定したときには、金属成分として1種類の金属だけを含有する材料のうちでは、ニッケルを含有するものが、単層・カーボン・ナノチューブの収率が最大であり、コバルトを含有するものがそれに続いた。プラチナを含有するものは、僅かな個数の単層・カーボン・ナノチューブしか生成せず、更に、黒鉛に銅だけを混入した混合材料や、黒鉛にニオブだけを混入した混合材料では、単層・カーボン・ナノチューブの生成は認められなかった。一方、触媒金属成分として2種類のVIII族遷移金属を組合せたものを黒鉛に混合した材料のうちでは、単層・カーボン・ナノチューブの収率に関しては、コバルト/ニッケルの組合せと、コバルト/プラチナの組合せの、2通りの組合せが略々肩を並べており、その他の触媒金属の組合せから抜きん出た成績であった。金属成分を組合せるこれら2通りの組合せは、そのいずれもが、金属成分としてVIII族遷移金属を1種類しか使用していない材料の場合と比べて、単層・カーボン・ナノチューブの収率が10〜100倍になることが分かった。更に、ニッケル/プラチナの組合せを黒鉛に混入した混合材料も、1種類の金属成分しか含有していない混合材料と比べれば、単層・カーボン・ナノチューブの収率が大きくなることが分かった。コバルト/銅の組合せを黒鉛に混入した混合材料は、単層・カーボン・ナノチューブの生成量が僅かであった。   The target materials listed above include materials that contain only one type of group VIII transition metal as a metal component and materials that contain a combination of two types of group VIII transition metals. An experiment to evaluate a target (diameter 0.5 inch) made by molding the material into a rod shape was conducted using the test equipment described above, and the yield and quality of the produced single-walled carbon nanotubes were examined. . The presence of multi-walled carbon nanotubes in the reaction product was not observed when using targets made of any material. The yield tended to increase as the oven temperature increased, and this trend did not change until the upper limit temperature of the oven used (1200 ° C.). When the oven temperature is set to 1200 ° C, among the materials containing only one kind of metal as the metal component, the one containing nickel has the highest yield of single-walled carbon nanotubes and contains cobalt What followed was what it did. Those containing platinum produce only a small number of single-walled carbon nanotubes. In addition, in mixed materials in which only copper is mixed into graphite or mixed materials in which only niobium is mixed into graphite, single-layered carbon・ Nanotube formation was not observed. On the other hand, among the materials obtained by mixing two kinds of group VIII transition metals as catalyst metal components with graphite, the single-wall, carbon, and nanotube yields are the combination of cobalt / nickel and cobalt / platinum. Two combinations of the combinations were almost in line with each other, and the results were extracted from other combinations of catalytic metals. Each of these two combinations of metal components has a single-wall, carbon, and nanotube yield of 10 compared to a material that uses only one group VIII transition metal as the metal component. It turned out to be ~ 100 times. Further, it was found that the mixed material in which the nickel / platinum combination was mixed with graphite also had a higher yield of single-walled carbon nanotubes than the mixed material containing only one metal component. The mixed material in which the combination of cobalt / copper was mixed with graphite produced a small amount of single-walled carbon / nanotubes.

コバルト/ニッケルの組合せを黒鉛に混入した混合材料を使用した場合、並びに、コバルト/プラチナの組合せを黒鉛に混入した混合材料を使用した場合にはいずれも、水冷コレクタの表面に蒸着した生成物が、ゴム状物質のシートのような外観を呈していた。この蒸着物を、損傷させないように慎重に、水冷コレクタの表面から除去して回収した。コバルト/プラチナの組合せを混入した混合材料から成るターゲットを使用した場合には、生成される単層・カーボン・ナノチューブの収率が、そのターゲットから気化した炭素成分の全体に対して15重量%になるとの評価値が得られた。また、コバルト/ニッケルの組合せを混入した混合材料から成るターゲットを使用した場合には、生成される単層・カーボン・ナノチューブの収率が、気化した炭素成分に対して50重量%以上になることが分かった。   In the case of using a mixed material in which the combination of cobalt / nickel is mixed with graphite, and in the case of using a mixed material in which the combination of cobalt / platinum is mixed in graphite, the product deposited on the surface of the water-cooled collector is not Appears like a sheet of rubbery material. The deposited material was carefully removed from the surface of the water-cooled collector and collected without being damaged. When a target made of a mixed material mixed with a cobalt / platinum combination is used, the yield of single-walled carbon nanotubes produced is 15% by weight based on the total carbon component vaporized from the target. The evaluation value was obtained. In addition, when a target made of a mixed material mixed with a cobalt / nickel combination is used, the yield of the produced single-walled carbon nanotubes should be 50% by weight or more based on the vaporized carbon component. I understood.

図15A〜図15Eに示した画像は、黒鉛にコバルト及びニッケルを混入(夫々、0.6原子%/0.6原子%)したターゲット材料を、オーブン温度を1200℃に設定して気化させて生成した、単層・カーボン・ナノチューブの透過電子顕微鏡写真の画像である。図15Aに示したのは、中倍率画像(スケール・バーは100 nmを示している)であり、殆ど至る所に、複数本の単層・カーボン・ナノチューブが束になったバンドルが形成されており、また、それらバンドルが更に別の単層・カーボン・ナノチューブと絡み合っているのが見て取れる。図15Bに示したのは、複数本の単層・カーボン・ナノチューブが束になった1本のバンドルの高倍率画像であり、この1本のバンドルを構成している複数本の単層・カーボン・ナノチューブは、その全てが互いに略々平行に延在している。それら単層・カーボン・ナノチューブは、その直径がいずれも約1 nmであり、隣り合う単層・カーボン・ナノチューブの間の間隔もこれと略々同じ値となっている。それら単層・カーボン・ナノチューブどうしは、ファン・デル・ワールス力によって互いにくっつき合っている。   The images shown in FIG. 15A to FIG. 15E are generated by vaporizing a target material in which cobalt and nickel are mixed in graphite (0.6 atomic% / 0.6 atomic%, respectively) at an oven temperature of 1200 ° C. It is an image of a transmission electron micrograph of a layer, a carbon, and a nanotube. FIG. 15A shows a medium-magnification image (scale bar indicates 100 nm). A bundle of a plurality of single-walled carbon nanotubes is formed almost everywhere. It can also be seen that these bundles are intertwined with other single-walled carbon nanotubes. FIG. 15B shows a high-magnification image of a single bundle in which a plurality of single-walled carbon nanotubes are bundled, and a plurality of single-layer carbons constituting this single bundle. -All the nanotubes extend substantially parallel to each other. These single-walled carbon nanotubes are about 1 nm in diameter, and the spacing between adjacent single-walled carbon nanotubes is almost the same as this. These single-walled, carbon, and nanotubes are attached to each other by van der Waals forces.

図15Cに示した画像では、単層・カーボン・ナノチューブのバンドルどうしが幾本も重なりあっており、この画像からも、同一のバンドルを構成している複数本の単層・カーボン・ナノチューブが、互いに略々平行に延在しているという性質が見て取れる。また更に、この画像からは、単層・カーボン・ナノチューブのバンドルどうしが互いに重なり合う性質や、バンドルが屈曲する性質も見て取れる。図15Dは、様々な形態の単層・カーボン・ナノチューブのバンドルを示しており、それらバンドルは、様々な角度で、また様々な円弧を描いて屈曲している。また、それらバンドルの屈曲部のうちに、比較的鋭い角度で屈曲したものがあることから、単層・カーボン・ナノチューブのバンドルが、大きな強度及び可撓性を有するものであることが分かる。図15Eは、バンドルの断面を示しており、このバンドルは、互いに略々平行に延在する7本の単層・カーボン・ナノチューブで構成されている。アーク放電法によって単層・カーボン・ナノチューブをはじめとする種々のカーボン・ナノチューブを成長させた場合には、一般的に、成長させたナノチューブの表面が無定形炭素によって覆われていることが観察されるが、図15A〜図15Eの透過型電子顕微鏡画像からは、カーボン・ナノチューブがそのような無定形炭素によって覆われていないことが分かる。図15A〜図15Eの画像からは更に、蒸着物の圧倒的大部分が単層・カーボン・ナノチューブであることも見て取れる。単層・カーボン・ナノチューブの収率は、気化した炭素成分の約50 %であると推定される。残りの50 %は、主として、マルチ・レイヤ・フラーレン(いわゆるフラーレン・オニオン)等の種々のフラーレン、及び/または、無定形炭素になっていると推定される。   In the image shown in FIG. 15C, a plurality of single-walled carbon / nanotube bundles overlap each other. From this image, a plurality of single-walled carbon nanotubes constituting the same bundle are It can be seen that they extend substantially parallel to each other. Furthermore, from this image, it can be seen that single-wall, carbon, and nanotube bundles overlap each other and that the bundle bends. FIG. 15D shows various forms of single-walled carbon-nanotube bundles that are bent at various angles and with various arcs. Further, since some of the bent portions of the bundles are bent at a relatively sharp angle, it is understood that the single-walled carbon nanotube bundle has high strength and flexibility. FIG. 15E shows a cross section of the bundle, which is composed of seven single-walled carbon nanotubes that extend substantially parallel to each other. When various carbon nanotubes such as single-walled carbon nanotubes are grown by the arc discharge method, it is generally observed that the surface of the grown nanotubes is covered with amorphous carbon. However, the transmission electron microscope images of FIGS. 15A-15E show that the carbon nanotubes are not covered by such amorphous carbon. Further, it can be seen from the images in FIGS. 15A to 15E that the overwhelming majority of the deposited material is single-walled carbon nanotubes. The yield of single-walled carbon nanotubes is estimated to be about 50% of the vaporized carbon component. It is estimated that the remaining 50% is mainly composed of various fullerenes such as multi-layer fullerenes (so-called fullerene onions) and / or amorphous carbon.

図15A〜図15Eに示した透過型電子顕微鏡画像は、コバルト/ニッケルの組合せを触媒金属として混入したターゲットを使用して、図1に示したレーザ気化装置の水冷コレクタの表面に蒸着させた生成物であるカーボン・ナノチューブ試料画像である。一般的に、単層・カーボン・ナノチューブは、複数本がまとまってバンドルを形成して存在しており、1本のバンドルを構成している単層・カーボン・ナノチューブどうしは、それらの略々全長に亘ってファン・デル・ワールス力によって互いにくっつき合い、互いに略々平行に延在している。単層・カーボン・ナノチューブがまとまってバンドルを形成している姿は、「高速道路」の構造に似たところがあり、単層・カーボン・ナノチューブのバンドルどうしは、高速道路の十字交叉接続部のような形でランダムに交わり、相互に接続している。図15A〜図15Eに示した画像から判断すると、低温の水冷コレクタの表面に着地した時点で既に、多くの単層・カーボン・ナノチューブが、それら画像に示されたように互いに寄り添って延在しているものと思われ、そうであるからには、気相中に非常な高密度で単層・カーボン・ナノチューブが存在している可能性が高いと考えられる。また更に、単層・カーボン・ナノチューブどうしが、それら画像に示されたようにきれいに揃っているということは、それらカーボン・ナノチューブが水冷コレクタの表面に着地する以前には、それらカーボン・ナノチューブの周囲に、それらカーボン・ナノチューブの表面を覆うようなその他の形態の炭素は殆ど存在していなかったと考えられる。単層・カーボン・ナノチューブの成長が、石英管の内壁の表面等で行われるのではなく、気相中で行われていることの証拠は、同じ方法を用いて生成したマルチ・ウォール・カーボン・ナノチューブに関する従来の研究論文において既に明示されている。これについては、Guo et al., "Self-Assembly of Tubular Fullerens," J. Phys. Chem., Vol. 99, p. 10694 (1995)、並びに、Saito et al., "Extension of Single-Wall Carbon Nanotubes via Formation of Small Particles Condensed Near An Evaporation Source," Chem. Phys. Lett., Vol. 236, p. 419 (1995) を参照されたい。以上に説明した実験において、単層・カーボン・ナノチューブの収率が高い値を示したことは、特に注目すべき点であり、なぜならば、溶媒中に分散させることのできたフラーレンの収率が、約10%もあったからである。尚、煤状生成物中のその他の炭素の大部分は、種々のジャイアント・フラーレン並びに種々のマルチ・レイヤ・フラーレンであった。
具体例2.長尺の単層・カーボン・ナノチューブを生成するためのレーザ気化工程
この具体例では、図1を参照して説明したレーザ気化装置と同様のレーザ気化装置を使用して、長尺の単層・カーボン・ナノチューブを生成した。使用したこのレーザ気化装置は、オーブン内に配設した石英管に、その内径を横断するようにタングステン・ワイヤを張設した点が、図1のレーザ気化装置と異なっている。タングステン・ワイヤを張設した位置は、ターゲットの下流側の端部から更に1 cmないし3 cm下流に下った位置とした(ターゲットの気化表面を画成している側の端部からは、13〜15 cm下った位置になる)。石英管の中を流すアルゴンは、圧力を500 Torrとし、その流量を、石英管の内部における流速が1 cm/sec. になるような流量に設定した。オーブンの温度は1200℃に維持した。ターゲットの材料は、炭素材料にVIII族遷移元素を1〜3原子%混入した材料とした。
The transmission electron microscope images shown in FIGS. 15A to 15E are generated by using a target mixed with a cobalt / nickel combination as a catalyst metal and deposited on the surface of the water-cooled collector of the laser vaporizer shown in FIG. It is a carbon nanotube sample image which is a thing. In general, single-walled carbon nanotubes are bundled together to form a bundle, and the single-walled carbon nanotubes that make up one bundle are almost the full length of them. They are attached to each other by van der Waals forces and extend substantially parallel to each other. The appearance of bundles of single-walled carbon and nanotubes is similar to the structure of a “highway”, and single-walled carbon and nanotube bundles are like cross-connects on highways. In a random manner and connected to each other. Judging from the images shown in FIG. 15A to FIG. 15E, many single-walled carbon nanotubes already extend close to each other as shown in the images when landing on the surface of the low-temperature water-cooled collector. It seems that there is a high possibility that single-walled carbon nanotubes exist at a very high density in the gas phase. Still further, the single-walled carbon nanotubes are neatly aligned as shown in the images, indicating that the carbon nanotubes had a perimeter before they landed on the surface of the water-cooled collector. In addition, it is considered that there was almost no other form of carbon covering the surface of the carbon nanotube. Evidence that the growth of single-walled carbon nanotubes is not performed on the inner wall surface of the quartz tube, but in the gas phase, is evidence that the multi-wall carbon This has already been demonstrated in previous research papers on nanotubes. Guo et al., “Self-Assembly of Tubular Fullerens,” J. Phys. Chem., Vol. 99, p. 10694 (1995) and Saito et al., “Extension of Single-Wall Carbon. See Nanotubes via Formation of Small Particles Condensed Near An Evaporation Source, "Chem. Phys. Lett., Vol. 236, p. 419 (1995). In the experiments described above, the high yields of single-walled carbon nanotubes were particularly noteworthy because the yield of fullerene that could be dispersed in the solvent was Because there was about 10%. The majority of other carbons in the soot-like product were various giant fullerenes and various multi-layer fullerenes.
Specific Example 2 In this specific example, a laser vaporizer similar to the laser vaporizer described with reference to FIG. 1 is used to produce a long single-layer carbon-nanotube. Carbon nanotubes were produced. The laser vaporizer used is different from the laser vaporizer shown in FIG. 1 in that a tungsten wire is stretched across a quartz tube disposed in an oven so as to cross its inner diameter. The position where the tungsten wire was stretched was a position further 1 to 3 cm downstream from the downstream end of the target (from the end defining the vaporization surface of the target, 13 ~ 15 cm down). The argon flowing through the quartz tube was set at a pressure of 500 Torr, and the flow rate was set so that the flow rate inside the quartz tube was 1 cm / sec. The oven temperature was maintained at 1200 ° C. The target material was a carbon material mixed with 1-3 atom% of a group VIII transition element.

レーザの出力設定は具体例1の場合と同じとし、10〜20分間に亘ってレーザ照射を行った。その結果、タングステン・ワイヤに、涙滴形状の蒸着物が形成され、その蒸着物は、部分によって、3〜5 mmの大きさにまで成長した。この蒸着物が成長する様子は、あたかも、タングステン・ワイヤに睫毛が生えて行くようであった。この蒸着物を調べたところ、数百万本の単層・カーボン・ナノチューブから成るバンドルが形成されていた。
具体例3.2本のレーザ・ビームを使用する気化工程
具体例1に関して説明したのと同じ方法で、黒鉛を主成分とするロッド状のターゲットを形成した。その材料は、黒鉛と、黒鉛セメントと、1.2原子%の金属混合粉末とを混合したものであり、金属混合粉末の組成は、50原子%のコバルト粉末と50原子%のニッケル粉末とから成るものであった。この材料をプレスで成形して、ターゲットに仕上げ、これらは具体例1に関して説明したのと同じ方法で行った。このように黒鉛ロッドとして製作したターゲットを、図2に示した装置と同様の構成で、ただしタングステン・ワイヤ32を装備していない装置に装着した。黒鉛ロッドとして製作したターゲットを装着した石英管をオーブンの中に配置し、オーブンを1200℃に加熱した。石英管の中に、触媒を使用した不純物除去を行って水蒸気及び酸素を除去したアルゴン・ガスを流し、その圧力は約500 Torrとし、その流量は約50 sccm(標準立方センチメートル毎分)とした。ただし、アルゴン・ガスの流量は必ずしもこの値にしなければならない訳ではなく、直径1インチの石英管を使用するのであれば、1〜500 sccmの範囲内の流量とすることができ、また、10〜100 sccmの範囲内の流量とすることが好ましい。第1レーザ装置は、波長が0.532μmのパルス・ビームを出力するように設定し、そのパルス1個あたりのエネルギを250 mJに設定した。また、そのパルス出射速度を10Hzとし、パルス持続時間を5〜10 nsとした。第2レーザ装置は、第1レーザ装置から出射されたパルスが停止してから50 nsが経過した時点で、ターゲットへパルスを出射するように設定した。更に、この第2レーザ装置は、波長が1.064μmのパルス・ビームを射出するように設定し、そのパルス1個あたりのエネルギを300 mJに設定した。また、そのパルス出射速度を10Hzとし、パルス持続時間を5〜10 nsとした。第1レーザ装置は、ターゲットの表面に直径 5 mmの照射スポットが形成されるように合焦状態を設定し、第2レーザ装置は、ターゲットの表面にその光強度分布がガウス分布をなす直径7 mmの照射スポットが形成されるように合焦状態を設定した。更に、ターゲットの表面において、第1レーザ装置の照射スポットの中心と第2レーザ装置の照射スポットの中心とが一致するようにした。第2レーザ装置がターゲットを照射してから、約10分の1秒が経過したならば、再び第1レーザ装置からの出射と第2レーザ装置からの出射とを続けざまに行わせるようにし、以上のプロセスを気化工程の終了時まで反復して実行した。
The laser output setting was the same as in Example 1, and laser irradiation was performed for 10 to 20 minutes. As a result, a teardrop-shaped deposit was formed on the tungsten wire, and the deposit grew to a size of 3 to 5 mm depending on the portion. The growth of this deposit seemed to grow eyelashes on the tungsten wire. When this deposited material was examined, a bundle consisting of millions of single-walled carbon nanotubes was formed.
Specific Example 3. Vaporization Step Using Two Laser Beams A rod-shaped target containing graphite as a main component was formed by the same method as that described with respect to Specific Example 1. The material is a mixture of graphite, graphite cement, and 1.2 atomic% metal mixed powder, and the composition of the metal mixed powder consists of 50 atomic% cobalt powder and 50 atomic% nickel powder. Met. This material was pressed to finish the target, which was done in the same manner as described for Example 1. The target manufactured as a graphite rod in this manner was mounted on a device having the same configuration as the device shown in FIG. A quartz tube equipped with a target manufactured as a graphite rod was placed in an oven, and the oven was heated to 1200 ° C. Argon gas from which water and oxygen were removed was flowed into the quartz tube by removing impurities using a catalyst, the pressure was about 500 Torr, and the flow rate was about 50 sccm (standard cubic centimeter per minute). However, the flow rate of the argon gas does not necessarily have to be this value. If a quartz tube having a diameter of 1 inch is used, the flow rate can be in the range of 1 to 500 sccm. A flow rate in the range of ~ 100 sccm is preferred. The first laser device was set to output a pulse beam having a wavelength of 0.532 μm, and the energy per pulse was set to 250 mJ. The pulse emission speed was 10 Hz, and the pulse duration was 5 to 10 ns. The second laser device was set to emit a pulse to the target when 50 ns had elapsed after the pulse emitted from the first laser device stopped. Further, the second laser device was set to emit a pulse beam having a wavelength of 1.064 μm, and the energy per pulse was set to 300 mJ. The pulse emission speed was 10 Hz, and the pulse duration was 5 to 10 ns. The first laser device sets the in-focus state so that an irradiation spot with a diameter of 5 mm is formed on the surface of the target, and the second laser device has a diameter 7 whose light intensity distribution forms a Gaussian distribution on the surface of the target. The in-focus state was set so that an irradiation spot of mm was formed. Further, the center of the irradiation spot of the first laser device and the center of the irradiation spot of the second laser device are made to coincide with each other on the surface of the target. When about one-tenth of a second has passed after the second laser device irradiates the target, the emission from the first laser device and the emission from the second laser device are repeated again and again. This process was repeated until the end of the vaporization step.

こうしてターゲットの表面をレーザ照射によって気化させて試料を生成させ、生成した試料をターゲットの下流で回収した。この試料の生成速度は、回収したばかりの未処理の状態(生試料の状態)の重量で、約30 mg/hrであった。生試料の状態の生成物は、様々な方向に延在する単層・カーボン・ナノチューブが集合した固まりから成るものであった。また、この生試料の状態の生成物の固まりは、その大部分が、直径10〜20 nm、長さ10〜1000μmのカーボン・ファイバから成るものであった。   Thus, the surface of the target was vaporized by laser irradiation to generate a sample, and the generated sample was collected downstream of the target. The production rate of this sample was about 30 mg / hr in terms of the weight of the untreated state (raw sample state) just collected. The product in the raw sample state consisted of a lump of single-walled carbon nanotubes extending in various directions. The bulk of the product in the state of the raw sample was composed of carbon fibers having a diameter of 10 to 20 nm and a length of 10 to 1000 μm.

この生試料の状態の生成物を約2 mg取り、それを5 mlのメタノール中に投入して、室温下で、約0.5時間に亘って超音波処理を施した。こうして超音波処理を施した生成物の透過型電子顕微鏡(TEM)解析を行ったところ、その大部分は、単層・カーボン・ナノチューブのロープであった。それらロープは、10〜1000本の単層・カーボン・ナノチューブが寄り添って延在する(ただし所々に枝が出ている)バンドルであり、どのロープも、その全長に亘って直径が略々一定していた。また、それらロープは100μm以上の長さであり、同一直径の複数本の単層・カーボン・ナノチューブで構成されていた。更に、超音波処理後の生成物のうちの約70〜90重量%が、ロープの形態を呈していた。1本のロープを構成している複数本の単層・カーボン・ナノチューブの夫々の端部は、全て、そのロープの末端部分の100 nmの範囲内に先端が位置していた。1本のロープを構成している複数本の単層・カーボン・ナノチューブの99%以上が、そのロープの一端から他端までの全長において、一様に連続して延在し、その炭素格子に欠陥を含まないものであるように見えた。
具体例4.単層・カーボン・ナノチューブ試料を99%以上の純度にまで精製する精製工程
米国特許出願第08/687,665号に記載されているレーザ生成法により生成した試料を、以下の方法で精製することで、ナノチューブの濃度を高めた製品が得られた。レーザ生成法によって生成した単層・ナノチューブの生試料(推定収率は70%であった)を、2.6 Mの硝酸水溶液に投入し、24時間に亘って還流を行った。この還流は、圧力を1気圧、温度を1200℃にして行った。続いてその溶液を、ポア・サイズが5ミクロンのテフロン(登録商標)濾紙を用いて濾過し(Millipore社製の Type LS濾紙を使用した)、この濾過によって回収した単層・ナノチューブを、新しい硝酸水溶液(2.6 M)に投入し、24時間に亘って還流を行った。続いてその溶液を、再び濾過して、単層・ナノチューブ試料を回収し、この濾過工程によって回収した試料を、エタノールにNaOHを飽和させた溶液中に投入し、室温下で、12時間に亘って超音波処理を施した。続いて、そのエタノール溶液を濾過して、単層・ナノチューブ試料を回収し、その回収した試料を、6 MのHCl水溶液に投入し、12時間に亘って還流を行って中和した。更に、その酸溶液を濾過してナノチューブ試料を回収し、回収した試料を、1気圧のH2ガス中で、850℃で、2時間に亘って焼成した(直径1インチの石英管の中にH2ガスを流し、その流量は1〜10 sccmとした)。以上によって、70 mgの精製試料が得られた。TEM解析、SEM解析、及びラマン分光解析を行って詳しく調べたところ、この精製試料は99%以上の純度を有することが判明した。また、僅かに含まれる不純物の大部分は、カーボン・カプセルに閉じ込められたニッケルないしコバルトの粒子であった。
具体例5.SWNTを切断して短尺のチューブ状炭素分子を得る工程
濾過工程及び焼成工程を実行することで、具体例1で説明したSWNT試料を精製して、バッキー・ペーパーを得た(厚さは約100μmであった)。このバッキー・ペーパーに、Texas A&Mの超伝導サイクロトロン装置を用いて2 GeVのAu+33イオン・ビームを100分間に亘って照射した。照射を終了したバッキー・ペーパーには、10〜100 nmの大きさの弾痕穴が無数に空いており、それら弾痕穴の平均密度は、ナノチューブの長さ100 nmにつき1個存在する程度の密度であった。こうしてイオン・ビームを照射したバッキー・ペーパーを、2.6 Mの硝酸水溶液に投入し、24時間に亘って還流を行うことで、高速イオン照射によって生成された無定形炭素を除去した。続いて、濾過を行ってナノチューブを回収し、それをエタノールに水酸化カリウムを溶解した溶液中に投入し、12時間に亘って超音波処理を施した。更に、再び濾過を行って回収したナノチューブに対して、真空中で、温度1100℃で、焼成処理を施すことによって、切断されたナノチューブの両端を閉塞させた。
About 2 mg of the product in the form of this raw sample was taken, put into 5 ml of methanol, and sonicated at room temperature for about 0.5 hour. A transmission electron microscope (TEM) analysis of the product thus subjected to ultrasonic treatment was conducted, and most of the product was a single-walled carbon nanotube rope. These ropes are bundles of 10-1000 single-walled carbons and nanotubes that extend close to each other (but branches in some places), and each rope has a substantially constant diameter over its entire length. It was. These ropes were 100 μm or more in length and were composed of a plurality of single-walled carbon nanotubes having the same diameter. In addition, about 70-90% by weight of the product after sonication was in the form of a rope. The ends of all of the single-walled carbon nanotubes constituting the single rope were all located within the range of 100 nm of the end portion of the rope. More than 99% of the single-walled carbon nanotubes that make up one rope extend uniformly and continuously over the entire length from one end of the rope to the other. It appeared to be free of defects.
Specific Example 4 A purification process for purifying a single-walled carbon nanotube sample to a purity of 99% or more By purifying a sample generated by the laser generation method described in US Patent Application No. 08 / 687,665 by the following method, A product with increased concentration of nanotubes was obtained. A single-walled / nanotube raw sample (estimated yield was 70%) generated by the laser generation method was put into a 2.6 M nitric acid aqueous solution and refluxed for 24 hours. This reflux was performed at a pressure of 1 atm and a temperature of 1200 ° C. The solution was then filtered using a Teflon filter paper with a pore size of 5 microns (using Millipore Type LS filter paper), and the single-walled nanotubes recovered by this filtration were converted to fresh nitric acid. The solution was poured into an aqueous solution (2.6 M) and refluxed for 24 hours. Subsequently, the solution is filtered again to collect a single-walled / nanotube sample. The sample collected by this filtration step is put into a solution in which NaOH is saturated in ethanol, and is allowed to stand at room temperature for 12 hours. And sonicated. Subsequently, the ethanol solution was filtered to recover a single-walled / nanotube sample, and the recovered sample was put into a 6 M HCl aqueous solution and neutralized by refluxing for 12 hours. Further, the acid solution was filtered to collect a nanotube sample, and the collected sample was baked in 1 atmosphere of H 2 gas at 850 ° C. for 2 hours (into a 1 inch diameter quartz tube). H 2 gas was flowed and the flow rate was 1-10 sccm). As a result, a purified sample of 70 mg was obtained. Detailed examination by TEM analysis, SEM analysis, and Raman spectroscopic analysis revealed that this purified sample had a purity of 99% or more. Further, most of the impurities contained slightly were nickel or cobalt particles confined in the carbon capsule.
Specific Example 5 Step of cutting SWNT to obtain short tubular carbon molecules By performing the filtration step and the firing step, the SWNT sample described in Example 1 was purified to obtain a bucky paper (thickness was about 100 μm). Met). The bucky paper was irradiated with a 2 GeV Au +33 ion beam for 100 minutes using a Texas A & M superconducting cyclotron device. The irradiated bucky paper has an infinite number of bullet holes with a size of 10 to 100 nm, and the average density of these holes is such that there is one for every 100 nm of nanotube length. there were. The bucky paper irradiated with the ion beam was put into a 2.6 M nitric acid aqueous solution and refluxed for 24 hours to remove amorphous carbon generated by fast ion irradiation. Subsequently, filtration was performed to collect the nanotubes, which were put into a solution of potassium hydroxide dissolved in ethanol and subjected to ultrasonic treatment for 12 hours. Furthermore, both ends of the cut nanotubes were closed by subjecting the nanotubes collected by filtration again to a firing treatment in vacuum at a temperature of 1100 ° C.

続いてその試料をトルエン中に分散させて、超音波処理を施した。こうして得られたチューブ状分子をSEM及びTEMを用いて調べたところ、その平均長さは約50〜60 nmであることが判明した。
具体例6.SWNTアレイを形成するアレイ形成工程
以上に説明した方法を用いて、長さが50〜60 nmの (10,10) ナノチューブ分子を約106個生成した。それら分子に修飾処理を施して、各分子の一端に -SH基を付加することによって、金メッキ基板上にSWNT分子から成るSAM分子アレイが形成されるようにした。このSAM分子アレイにおいては、チューブ状のSWNT分子の長手方向軸心が互いに平行に揃っており、また、それら分子の先端によって、それら分子の長手軸の方向に垂直な平面が形成されていた。
具体例7.一様連続形の巨大カーボン・ファイバの成長工程
具体例6に説明したアレイを使用することで、図6及び図7に示した装置において、一様連続形の巨大カーボン・ファイバを成長させることができる。先ず、そのアレイを構成している複数本のナノチューブの先端(それら先端は、それらナノチューブの長手方向軸心に対して垂直な平面を形成している)を開く。金メッキ基板の表面にナノチューブの2次元アレイが形成されている場合には、その2次元アレイを正極として、0.1 MのKOH水溶液中で電解侵蝕処理を行うことによって、それらナノチューブの先端を開くことができる。
Subsequently, the sample was dispersed in toluene and subjected to ultrasonic treatment. When the tubular molecules thus obtained were examined using SEM and TEM, the average length was found to be about 50 to 60 nm.
Specific Example 6 Array Forming Step for Forming SWNT Array Using the method described above, about 10 6 (10,10) nanotube molecules having a length of 50-60 nm were generated. These molecules were modified and a -SH group was added to one end of each molecule to form a SAM molecule array consisting of SWNT molecules on a gold-plated substrate. In this SAM molecular array, the longitudinal axes of the tubular SWNT molecules are aligned in parallel with each other, and a plane perpendicular to the longitudinal direction of the molecules is formed by the tips of the molecules.
Specific Example 7 Uniform Continuous Giant Carbon Fiber Growth Process Using the array described in Example 6, the device shown in FIGS. 6 and 7 can grow uniform continuous giant carbon fiber. it can. First, the tips of a plurality of nanotubes constituting the array are opened (the tips form a plane perpendicular to the longitudinal axis of the nanotubes). When a two-dimensional array of nanotubes is formed on the surface of a gold-plated substrate, the tips of the nanotubes can be opened by performing electrolytic erosion treatment in 0.1 M KOH aqueous solution using the two-dimensional array as a positive electrode. it can.

続いて、真空蒸着法を用いて、Ni/Coの金属クラスタを、そのSAMナノチューブ・アレイを構成している夫々のナノチューブの開いた端部に載るように形成した。この場合、その金属クラスタを、直径が1 nmになるように形成することが好ましく、そのようにすれば、ナノチューブ・アレイを構成している夫々のナノチューブの開いた端部に、1本のナノチューブに1個ずつのNi/Coクラスタのナノ粒子を載せることができる。   Subsequently, Ni / Co metal clusters were formed on the open ends of each nanotube constituting the SAM nanotube array by vacuum deposition. In this case, the metal cluster is preferably formed to have a diameter of 1 nm, so that one nanotube is formed at the open end of each nanotube constituting the nanotube array. One Ni / Co cluster nanoparticle can be placed on each.

続いて、Ni/Coナノ粒子で上端の開口を閉塞したそれらナノチューブから成るナノチューブ・アレイを、真空中で、600℃に加熱する高温処理を行い、この高温処理によって、カーボン・ナノチューブ及びNi/Coナノ粒子以外の、その他全てのものを消滅させる。この高温処理を完了した後に、エチレン・ガスを流し始めると、それらナノチューブが、それらの整列した長手軸心方向に伸び始め、巨大な直径のカーボン・ファイバが形成される。Ni/Co触媒粒子の殆どが不活性化したならば、電気化学的エッチング処理によって、夫々のナノチューブの上端を開き、それらナノチューブと基板とから成るアセンブリの全体を再度洗浄し、そして、上述の蒸着工程を再度実行してNi/Co触媒粒子をナノチューブの上端に載せた上で、アレイの成長工程を再開すればよい。以上の方法により、直径が約1μmの一様連続形のカーボン・ファイバが得られ、これを、室温下で、連続的に巻取ローラに巻取って回収すればよい。
具体例8.フラーレン・パイプ及びフラーレン・カプセルの生成工程
先ず、直径が2.5 cmで、長さが5 cmの円筒形のターゲットを装置に装着して、単層フラーレン・ナノチューブを調製した。このターゲットは、炭素材料を主成分とする材料(コバルト及びニッケルを1:1の割合で混合した混合金属材料を2原子%含有している)で製作したものであり、このターゲットを、直径10 cmの溶融シリカ管の中に配設した。溶融シリカ管の中にアルゴンを流し(圧力は500 Torr、流速は2 cm sec-1とした)、溶融シリカ管を1100℃に加熱し、その中でターゲットを、その円筒形の主軸を中心として回転させるようにした。2本のパルス・レーザ・ビーム(Nd:YAG、1064 nm、パルス1個あたりエネルギ1 J、パルス射出速度30回/秒、遅延時間40 ns)を、回転しているドラム形ターゲットの外周面に、直径が7 mmの照射スポットが形成されるように合焦状態を設定して、コンピュータ制御によって左右に偏向させることで、ドラム形ターゲットの長手方向に走査させるようにし、ターゲット表面への入射角が変化するようにすることで、ターゲットの表面に深いくぼみが形成されるのを回避するようにした。この方法によって、2日間の連続運転で20 gもの試料が得られた。高収量であることが、この方法の利点である。
Subsequently, the nanotube array composed of the nanotubes whose upper end opening was closed with Ni / Co nanoparticles was subjected to a high-temperature treatment in a vacuum at 600 ° C. By this high-temperature treatment, carbon nanotubes and Ni / Co Eliminate everything else except the nanoparticles. After completing this high temperature treatment, when the ethylene gas begins to flow, the nanotubes begin to extend in the direction of their aligned longitudinal axes, forming a huge diameter carbon fiber. If most of the Ni / Co catalyst particles are deactivated, an electrochemical etching process opens the top of each nanotube, cleans the entire assembly of nanotubes and substrate again, and deposits as described above. The process may be performed again to place Ni / Co catalyst particles on top of the nanotubes and the array growth process may be resumed. By the above method, a uniform continuous carbon fiber having a diameter of about 1 μm can be obtained, which can be continuously wound around a winding roller and collected at room temperature.
Specific Example 8 Production Process of Fullerene Pipe and Fullerene Capsule First, a cylindrical target having a diameter of 2.5 cm and a length of 5 cm was attached to the apparatus to prepare single-wall fullerene nanotubes. This target is made of a material mainly composed of a carbon material (containing 2 atomic% of a mixed metal material in which cobalt and nickel are mixed at a ratio of 1: 1), and this target has a diameter of 10 Arranged in a cm fused silica tube. Argon was flowed into the fused silica tube (pressure was 500 Torr, flow rate was 2 cm sec -1 ), the fused silica tube was heated to 1100 ° C, and the target was centered on its cylindrical main axis. It was made to rotate. Two pulse laser beams (Nd: YAG, 1064 nm, energy 1 J per pulse, pulse injection speed 30 times / second, delay time 40 ns) on the outer surface of the rotating drum target The focus state is set so that an irradiation spot with a diameter of 7 mm is formed, and it is deflected to the left and right by computer control so that it can be scanned in the longitudinal direction of the drum target, and the incident angle to the target surface By changing so as to avoid the formation of deep depressions on the surface of the target. By this method, as much as 20 g of sample was obtained by continuous operation for 2 days. A high yield is an advantage of this method.

以上の装置によって生成した生試料に対して、続いて精製処理を施した。この精製処理は、生試料を硝酸水溶液に投入し、還流を行った後に、Triton X-100界面活性剤を溶解したpH = 10の水溶液で洗浄するという方法で行った。この方法で精製して得られる精製フラーレン・ファイバの正味収率は、生試料の段階での初期品質に左右されるが、通常は、10〜20重量%の範囲内の値となる。フラーレン・ファイバは、その側壁が分子レベルでの完全性を備えているという特質を有するため、還流処理によって破壊されてしまうということがない。   The raw sample produced by the above apparatus was subsequently subjected to purification treatment. This purification treatment was performed by pouring the raw sample into an aqueous nitric acid solution and refluxing, followed by washing with an aqueous solution of pH = 10 in which Triton X-100 surfactant was dissolved. The net yield of the purified fullerene fiber obtained by purification by this method depends on the initial quality at the stage of the raw sample, but is usually a value in the range of 10 to 20% by weight. Fullerene fibers have the property that their sidewalls have molecular integrity, so they are not destroyed by the reflux process.

以上によって得られたフラーレン・ロープは、互いに高度に絡まり合ったものであった。それら絡まり合ったフラーレン・ロープによって、至る所にフラーレン・トロイド(これは「クロップ・サークル(ミステリー・サークル)」とも呼ばれている)が形成されているのが認められた。これは、フラーレン・ロープどうしが連なってエンドレスになっていることを示唆している。フラーレン・ロープどうしが連なるのは、レーザ/オーブン生成法でフラーレン・ナノチューブを生成する際に、高収率の成長プロセスがアルゴン雰囲気中で進行し、その成長プロセスの進行中に、あるフラーレン・ロープの「成長中」の先端と、別のフラーレン・ロープの側面との間に、ファン・デル・ワールス力が働くからである。成長するフラーレン・ロープは、既存のフラーレン・ロープ(案内ロープ)の側面に寄り添って成長しようとするため、同一の案内ロープの側面に沿って、互いに逆方向から2本のフラーレン・ロープが成長してくると、それらロープの成長中の先端どうしが衝突し、それらが接続することによって先端が消滅する。ロープの成長が一次元的であるため、この先端どうしの衝突は避けようがない。   The fullerene ropes obtained as described above were highly entangled with each other. These entangled fullerene ropes were found to form fullerene toroids (also called “crop circles”). This suggests that the fullerene ropes are endless. The fullerene ropes are connected to each other because when a laser / oven method is used to produce fullerene nanotubes, a high-yield growth process proceeds in an argon atmosphere. This is because Van der Waals forces act between the “growing” tip of the wing and the side of another fullerene rope. Since the growing fullerene rope tries to grow close to the side of the existing fullerene rope (guide rope), two fullerene ropes grow from opposite directions along the side of the same guide rope. When they come, the growing tips of the ropes collide, and the tips disappear when they connect. Since the growth of the rope is one-dimensional, this collision between the tips is inevitable.

このように互いに絡まり合って略々エンドレスになっているフラーレン・ロープ群に端部を形成した。端部を形成するための技法には、鋏でロープを切断するという方法から、相対論的速度を有する高速の金イオンをロープ群に打ち込むという方法まで、数多くの方法があるが、この具体例では、例えばH2SO4/HNO3等の、強い酸化性を有する酸の存在下で超音波処理を行うことによってロープを切断する方法を採用した。超音波により発生するキャビテーションによって、ロープの表面に位置するナノチューブに局部的損傷が発生し、その局部的損傷によって活性化されたナノチューブが、強い酸化性を有する酸から化学的アタックを受けるようになる。酸がそのナノチューブをアタックしているうちに、そのナノチューブは完全に切断され、切断されたならば、その切断によって形成された開いた端部から侵蝕されて徐々に短くなって行く。このとき、温度はそれほど高温にしていないため、ナノチューブの開いた端部は閉じることができない。更に、ロープの表面に位置するナノチューブが切断されたならば、その下に位置していたナノチューブが露出し、その露出したナノチューブがキャビテーションによって損傷を受けるということが繰り返され、ついにはロープ全体が切断される。以上の方法でロープを切断した。また、このようにロープを切断することによって切断されたナノチューブの切片(切断ナノチューブ)を、更に、強い酸化性を有する酸に暴露することによって、分子レベルでの完全性を備えた切断ナノチューブだけを残すと共に、それら切断ナノチューブを化学的に清浄な状態にした。 In this way, end portions were formed in the fullerene rope group which is intertwined with each other and is almost endless. There are many methods for forming the end, from cutting the rope with scissors to driving high-speed gold ions having a relativistic velocity into the rope group. Then, for example, a method of cutting the rope by sonication in the presence of an acid having strong oxidizing properties such as H 2 SO 4 / HNO 3 was adopted. The cavitation generated by ultrasonic waves causes local damage to the nanotubes located on the surface of the rope, and the activated nanotubes are subjected to chemical attack from highly oxidizing acids. . While the acid is attacking the nanotube, the nanotube is completely cut and, if cut, is eroded from the open ends formed by the cut and gradually shortens. At this time, since the temperature is not so high, the open end of the nanotube cannot be closed. Furthermore, if the nanotube located on the surface of the rope is cut, the underlying nanotube is exposed and the exposed nanotube is repeatedly damaged by cavitation, and finally the entire rope is cut. Is done. The rope was cut by the above method. In addition, by exposing the section of the nanotubes cut by cutting the rope in this way (cut nanotubes) to an acid having strong oxidizing properties, only the cut nanotubes with integrity at the molecular level can be obtained. At the same time, the cut nanotubes were chemically cleaned.

端部が開いた切断ナノチューブの長さ分布は、その酸に暴露する時間を長くするほど短い側へと移動する。切断ナノチューブを、温度70℃の、濃硫酸と濃硝酸を3:1の割合で混合した溶液中に投入して調べたところ、切断ナノチューブの平均短縮速度は約130 nm hr-1であった。また、温度70℃の、濃硫酸と過酸化水素30%水溶液とを4:1の割合で混合した溶液(いわゆる「ピラニア」)中での平均短縮速度は約200 nm hr-1であった。この侵蝕速度は、ナノチューブのキラル・インデックス (n,m) によって異なり、それは、「アームチェア形」ナノチューブ (n = m) はいずれも、その化学的特性が「ジグザグ形」ナノチューブ (m = 0) の化学的特性とは明らかに相違しており、また、それほど顕著な相違ではないにしても、中間螺旋角のナノチューブ (n≠m) の化学的特性も、それらの化学的特性とは相違しているからである。 The length distribution of the cut nanotubes with open ends moves to the shorter side as the time of exposure to the acid increases. When the cut nanotubes were put into a solution in which concentrated sulfuric acid and concentrated nitric acid were mixed at a ratio of 3: 1 at a temperature of 70 ° C., the average shortening rate of the cut nanotubes was about 130 nm hr −1 . The average shortening speed in a solution (so-called “piranha”) in which concentrated sulfuric acid and a 30% aqueous hydrogen peroxide solution were mixed at a ratio of 4: 1 at a temperature of 70 ° C. was about 200 nm hr −1 . The rate of this erosion depends on the chiral index (n, m) of the nanotube, which means that every “armchair” nanotube (n = m) has a chemical property of “zigzag” nanotube (m = 0) The chemical properties of nanotubes with intermediate helical angles (n ≠ m) differ from their chemical properties, if not clearly, and if not so significantly. Because.

以上のようにして得られた切断フラーレン・ナノチューブの試料を、硫酸ドデシルナトリウム等の界面活性剤、またはTriton X-100等の非イオン系界面活性剤を加えた水に投入すると、その界面活性剤の働きによって安定コロイド懸濁液が得られる。このようにして得られた懸濁液中のフラーレン・ナノチューブを、その長さに従って分離した。   When the cut fullerene / nanotube sample obtained as described above is put into water containing a surfactant such as sodium dodecyl sulfate or a nonionic surfactant such as Triton X-100, the surfactant is added. As a result, a stable colloidal suspension is obtained. The fullerene nanotubes in the suspension thus obtained were separated according to their length.

分離して得られた切断ナノチューブを、黒鉛の表面に付着させて、そのAFM画像解析を行ったところ、個々に独立して存在しているナノチューブも少なくはないものの、大部分のナノチューブはファン・デル・ワールス力によってくっつき合っていることが判明した。長さが100 nm以上のナノチューブは、その端部を半球状フラーレン・エンド・キャップで閉塞することができる。そして、真空中で、温度1000〜1200℃で、アニール処理を施すことで、閉じたフラーレン・カプセルを形成することができる。
具体例9.フラーレン・パイプ及びフラーレン・カプセルの生成工程及び精製工程
図16A〜図16Cについて説明すると、図16Aは生試料の状態のSWNTフェルト試料のSEM画像であり、図16B及び図16Cは、同じSWNTフェルト試料を精製試料にしたもののSEM画像である。生試料は精製工程の出発物質であり、この生試料が余りにも低品質であることがそれらの図から見て取れるが、このことは、以下に説明する精製工程の有効性を裏付けるものである。この精製工程では、先ず、生試料のサンプル(8.5 mg)を、2.6 Mの硝酸水溶液1.2リットルの中に投入し、45時間に亘って還流を行った。この水溶液をPTFE遠心装置の試験管に移し、2400 Gの加速度が加わるように設定して2時間に亘って遠心装置を回転させた。上澄みの酸を捨てて脱イオン水を加え、強く振盪して固形成分を再び懸濁させ、再び遠心分離にかけて液体成分を捨て去り、固形成分を回収した。続いて、1.8リットルの水に20 mlのTriton X-100界面活性剤を加え、水酸化ナトリウムでpH調整を行ってpH 10にした水溶液に、その固体成分を投入して再び懸濁させた。この懸濁液を接線方向流濾過システム(米国、カリフォルニア州、Laguna Hillsに所在のSpectrum社製のMiniKros Lab Systemを使用した)のリザーバへ移した。このとき使用したフィルタ・カートリッジ(Spectrum社製のM22M 600 0.1Nフィルタ・カートリッジ)は、混成セルロース・エステルの中空ファイバを用いたものであり、中空ファイバの直径は0.6 mm、その細孔の直径は200 nm、その全表面積は5600 cm2であった。緩衝液として0.2重量%のTriton X-100水溶液を44リットル用意し、そのうちの初期に使用する34リットルは水酸化ナトリウムで塩基性(pH 10)に調整し、終期に使用する10リットルはpH 7に調整しておいた。フィルタ・カートリッジへの流入圧は6 psiに維持するようにした。また、その流出口に装備した制御弁によって、流出速度を70 ml min-1までに制限するようにした。以上の設定で濾過を行った結果、精製SWNTの安定懸濁液が得られた。この精製SWNTのSEM画像は、通常、図16Bに示したようなものとなる。この懸濁液を濾過して固形成分を回収し、それによって、絡まり合ったSWNTから成るペーパー状物質が得られた。このペーパー状物質は、その外観も手触りも、カーボン・ペーパーによく似ていた。図16CのSEM画像は、この「バッキー・ペーパー」を破いたときの破れ目を示したものであり、この画像からは、バッキー・ペーパーを破る過程で、SWNTロープを形成しているファイバの方向がかなりの程度まで揃うことが分かる。出発物質である余りにも低品質の粗製SWNTに対する、この精製SWNTの総合収率は、9重量%であった。
The cut nanotubes obtained by separation were attached to the surface of the graphite, and AFM image analysis was performed. Many nanotubes exist independently, but most of the nanotubes are fan- It turned out that they were sticking with each other due to their power. A nanotube having a length of 100 nm or more can be capped at its end with a hemispherical fullerene end cap. And a closed fullerene capsule can be formed by performing annealing treatment at a temperature of 1000 to 1200 ° C. in a vacuum.
Specific Example 9 Production Process and Purification Process of Fullerene Pipe and Fullerene Capsule Referring to FIGS. 16A to 16C, FIG. 16A is a SEM image of a SWNT felt sample in a raw state, and FIGS. 16B and 16C are the same SWNT felt sample. Is an SEM image of the purified sample. The raw sample is the starting material for the purification process, and it can be seen from these figures that the raw sample is too low quality, which confirms the effectiveness of the purification process described below. In this purification step, first, a raw sample (8.5 mg) was put into 1.2 liters of a 2.6 M nitric acid aqueous solution and refluxed for 45 hours. This aqueous solution was transferred to a test tube of a PTFE centrifuge, and the centrifuge was rotated for 2 hours while setting an acceleration of 2400 G. The supernatant acid was discarded, deionized water was added, and the solid component was suspended again by shaking vigorously, and the liquid component was discarded by centrifugation again to recover the solid component. Subsequently, 20 ml of Triton X-100 surfactant was added to 1.8 liters of water, and the solid components were put into an aqueous solution adjusted to pH 10 with sodium hydroxide and suspended again. This suspension was transferred to the reservoir of a tangential flow filtration system (using a Spectrum MiniKros Lab System, Laguna Hills, California, USA). The filter cartridge used at this time (M22M 600 0.1N filter cartridge manufactured by Spectrum) uses a hollow fiber of hybrid cellulose ester, the diameter of the hollow fiber is 0.6 mm, and the pore diameter is 200 nm, the entire surface area was 5600 cm 2. Prepare 44 liters of 0.2 wt% Triton X-100 aqueous solution as a buffer solution, of which 34 liters used at the beginning are adjusted to basic (pH 10) with sodium hydroxide, and 10 liters used at the end are pH 7 It was adjusted to. The inlet pressure to the filter cartridge was maintained at 6 psi. In addition, the outflow rate was limited to 70 ml min -1 by a control valve installed at the outflow port. As a result of filtration with the above settings, a stable suspension of purified SWNT was obtained. The SEM image of this purified SWNT is usually as shown in FIG. 16B. The suspension was filtered to recover the solid components, thereby obtaining a paper-like material consisting of entangled SWNTs. This paper-like material looked like carbon paper in both appearance and feel. The SEM image in Fig. 16C shows the break when this "Bucky Paper" is broken. From this image, the direction of the fiber forming the SWNT rope is shown in the process of breaking the Bucky Paper. It can be seen that it is aligned to a considerable extent. The overall yield of this purified SWNT relative to the starting material too low quality crude SWNT was 9% by weight.

図17は、安定コロイド懸濁液中の切断フラーレン・ナノチューブ(パイプ)を電着法を用いて高配向熱分解黒鉛(HOPG)の表面に付着させたものの、テーピング・モードAFM画像である。この画像中の切断フラーレン・ナノチューブは、その延在方向が互いに120℃の角度を成す傾向を示している。これは、それら切断ナノチューブが、それらの下に存在している黒鉛格子の向きに沿って延在しているからである。それら切断ナノチューブの高さを、AFM測定したところ、それらは直径が1〜2 nmのナノチューブであり、約半数は単独で存在しているが、残りの半数はファン・デル・ワールス力によってくっつき合い、集団を形成して存在していることが分かった。かかる切断ナノチューブは、2段階の工程を経て調製したものであり、2段階の工程とは、切断工程及びポリッシュ工程である。典型的な具体例は次の通りである。先ず、容量100 mlの試験管に、濃硫酸と濃硝酸を3:1の割合で混合した混合酸を40 ml入れ、その中に10 mgの精製SWNTから成る「バッキー・ペーパー」(図16Bに示したもの)を投入し、35〜40℃の温度で、24時間に亘って、水浴中で超音波処理を施して(この処理はCole Palmer社製のB3-R型超音波処理装置を、55 kHzに設定して行った)懸濁させた。こうして得られた懸濁液を200 mlの水で希釈し、ポア・サイズが100 nmのフィルタ・メンブレン(米国、マサチューセッツ州、Bedfordに所在のMilLipore 社製のVCTP型メンブレン)を用いて濾過することにより、切断SWNTナノチューブのうちの比較的長いものを、そのフィルタ・メンブレン上に捕捉した。更に、捕捉したナノチューブを10 mMのNaOH水溶液で洗浄した。続いて、こうして得られた切断ナノチューブに対して、ポリッシュ処理(化学的洗浄処理)を施した。このポリッシュ処理においては、先ず、濃硫酸と過酸化水素30%水溶液を4:1の割合で混合した溶液中に、切断ナノチューブを投入し、70℃で、30分間に亘って攪拌して懸濁させた。続いて、ポア・サイズが100 nmのフィルタ・メンブレンを用いて再び濾過を行い、洗浄を行い、0.5重量%のTriton X-100界面活性剤を加えた水中に分散させて、0.1 mg/mlの濃度の切断ナノチューブの懸濁液を調製した。新たに開裂させたHOPG基板上に(米国、オハイオ州、Clevelandに所在のAdvanced Ceramics社製の基板を使用した)、このナノチューブ懸濁液を20μl滴下し、その液滴をVitronのOリング(外径4 mm、厚さ1.7 mm)で囲み、更に、そのOリング上にステンレス鋼製の電極をかぶせてその懸濁液を封止し、1.1 Vの安定電圧を6分間に亘って印加した。ナノチューブは、水中に分散して懸濁しているときには負に帯電しているため、印加された電界によってHOPGの表面へ移動させられる。こうして電着が完了した後に、HOPGの表面にナノチューブが付着したものを、スピン式コーティング装置に装着し、その表面をメタノールで洗浄することによって、水及びTriton X-100界面活性剤を除去した。   FIG. 17 is a taping mode AFM image of a cut fullerene nanotube (pipe) in a stable colloidal suspension attached to the surface of highly oriented pyrolytic graphite (HOPG) using an electrodeposition method. The cut fullerene nanotubes in this image tend to extend at an angle of 120 ° C. with respect to each other. This is because the cut nanotubes extend along the direction of the graphite lattice underlying them. When the height of the cut nanotubes was measured by AFM, they were nanotubes with a diameter of 1 to 2 nm. About half of them existed alone, but the other half were joined together by van der Waals forces. , Found that they exist in a group. Such a cut nanotube is prepared through a two-stage process, and the two-stage process is a cutting process and a polishing process. A typical example is as follows. First, 40 ml of a mixed acid prepared by mixing concentrated sulfuric acid and concentrated nitric acid in a ratio of 3: 1 is placed in a test tube having a capacity of 100 ml, and “Bucky paper” (in FIG. (Shown) was subjected to ultrasonic treatment in a water bath at a temperature of 35 to 40 ° C. for 24 hours (this treatment was carried out using a B3-R type ultrasonic treatment device manufactured by Cole Palmer, (It was set at 55 kHz) and suspended. The resulting suspension is diluted with 200 ml of water and filtered using a filter membrane with a pore size of 100 nm (MilLipore VCTP membrane, Bedford, Massachusetts, USA) As a result, relatively long ones of the cut SWNT nanotubes were captured on the filter membrane. Furthermore, the captured nanotube was washed with 10 mM NaOH aqueous solution. Subsequently, the cut nanotubes thus obtained were subjected to a polishing treatment (chemical cleaning treatment). In this polishing treatment, first, the cut nanotubes are put into a solution in which concentrated sulfuric acid and a 30% aqueous solution of hydrogen peroxide are mixed at a ratio of 4: 1, and stirred at 70 ° C. for 30 minutes to be suspended. I let you. Subsequently, it was filtered again using a filter membrane having a pore size of 100 nm, washed, and dispersed in water containing 0.5% by weight of Triton X-100 surfactant. A suspension of concentrated nanotubes was prepared. On a newly cleaved HOPG substrate (using a substrate made by Advanced Ceramics, Cleveland, Ohio, USA), 20 μl of this nanotube suspension was dropped, and the droplet was added to the Vitron O-ring (outside The suspension was sealed by covering a stainless steel electrode on the O-ring, and a stable voltage of 1.1 V was applied for 6 minutes. Since the nanotubes are negatively charged when dispersed and suspended in water, the nanotubes are moved to the surface of the HOPG by the applied electric field. After the electrodeposition was completed in this manner, the HOPG surface with nanotubes attached thereto was mounted on a spin coating apparatus, and the surface was washed with methanol to remove water and Triton X-100 surfactant.

図18は、切断フラーレン・ナノチューブである「パイプ」を水中に分散させた懸濁液の、フィールド・フロー・フラクショネーション(FFF)の結果を示したグラフである。Triton X-100の0.5 % 水溶液中に、切断ナノチューブを0.07 mg/mgの濃度で分散させた懸濁液を調製し、十字流型FFF装置(米国、ユタ州、Salt Lake Cityに所在のLLC社製のF-1000-FO型FFフラクショネーション装置を使用した)に、この懸濁液を20μl注入した。このFFF装置の運転条件は、Triton X-100の0.007 %水溶液を移動相とし、その流量を2 ml min-1に設定し、また、十字流の流量を0.5 ml min-1に設定した。図18A中の、実線の曲線(左側縦軸)は、溶出するナノチューブの量を、光の散乱度、即ち、混濁度(光の波長は632.8 nmとした)で表し、その値を溶出開始時からその時点までに注入した溶離液の総注入体積量に対して示した曲線である。また、白抜きの丸印(右側縦軸)は、ナノチューブの回転運動半径の測定値をプロットしたものであり、それら測定値は、角度16段階切換式の光散乱装置を用いて測定した(米国、カリフォルニア州、Santa Barbaraに所在のWyatt Technology社製のDAWN DSPを使用した)。図18B、図18C、及び図18Dは、夫々、FFF溶出液の、第1分画、第3分画、及び第4分画のナノチューブ長さ分布を示したグラフであり、それら分布は、図17に示したような、懸濁液中のフラーレン・ナノチューブを電着によってHOPGの表面に付着させたもののAFM画像を利用して求めたものである。 FIG. 18 is a graph showing the results of field flow fractionation (FFF) of a suspension in which “pipe” which is a cut fullerene nanotube is dispersed in water. A suspension in which a cut nanotube was dispersed at a concentration of 0.07 mg / mg in a 0.5% aqueous solution of Triton X-100 was prepared, and a cross-flow FFF device (LLC, Salt Lake City, Utah, USA) was prepared. 20 μl of this suspension was injected into an F-1000-FO type FF fractionation apparatus manufactured by the same manufacturer). The operating condition of this FFF apparatus was a 0.007% aqueous solution of Triton X-100 as a mobile phase, the flow rate was set to 2 ml min -1 , and the cross flow rate was set to 0.5 ml min -1 . The solid curve (left vertical axis) in FIG. 18A represents the amount of nanotubes to be eluted by the light scattering degree, that is, the turbidity (the light wavelength is 632.8 nm), and this value is shown at the start of elution. 5 is a curve showing the total injection volume of the eluent injected up to that point. The white circle (right vertical axis) is a plot of measured values of the radius of rotation of the nanotubes, and these measured values were measured using a 16-degree switching light scattering device (USA) DAWN DSP manufactured by Wyatt Technology, Santa Barbara, California, was used). FIG. 18B, FIG. 18C, and FIG. 18D are graphs showing the nanotube length distributions of the first fraction, the third fraction, and the fourth fraction of the FFF eluate, respectively. As shown in FIG. 17, the fullerene nanotubes in the suspension were deposited on the surface of the HOPG by electrodeposition, and were obtained using an AFM image.

図19はAFM画像であり、1本のフラーレン・ナノチューブの「パイプ」の両端に1個ずつ、直径が10 nmの球形の金粒子を連結鎖によって結合したものを示している。この画像に示したナノチューブは、ナノチューブとコロイド状金粒子(Sigma Chemical社製のものを使用した)とを混合した懸濁液から、電着法を用いて、HOPG黒鉛の表面に付着させたものである。この画像中に不規則な形状の模様として現れているのは、懸濁液を安定化するために用いたTriton X-100界面活性剤の残滓の付着痕である。ナノチューブと金粒子との間の連結鎖は、ナノチューブの開いた両端の各々に共有結合したアルキルチオール鎖によって構成されている。ナノチューブの開いた両端は、前段階の処理工程で酸による侵蝕が施されているため、多くのカルボキシル基が結合していると考えられ、それらカルボキシル基を、SOCl2と反応させて、夫々のカルボキシル基に対応したカルボン酸塩化物に転換させるようにした。この修飾処理を施したナノチューブを、続いて、トルエン中に溶解したNH2-(CH2)16-SHに暴露することで、好適な連結鎖を形成することができた。この連結鎖は、その中のチオール基が、金粒子と強力に共有結合する結合サイトとなっている。入念なAFM画像解析の結果、この修飾処理を施したナノチューブの大部分は、その両端の少なくとも一方に、1個の金粒子が結合されていることが確認された。
具体例10.カーボン・ナノチューブを配合した複合材料
1リットルのジクロロエタンに「Epon」という商品名のエポキシ材料を10 g溶解したものに、1 gの精製単層フラーレン・ナノチューブを分散させて、懸濁液を調製した。この懸濁液に硬化剤を投入し、溶剤分を真空ロータリ・エバポレータで除去した。こうして得られたフラーレン・ナノチューブとエポキシ材料とから成る複合材料を、24時間に亘って100℃に維持することで硬化させた。
FIG. 19 is an AFM image showing one fullerene / nanotube “pipe”, one spherical gold particle having a diameter of 10 nm, connected by a connecting chain. The nanotubes shown in this image are the ones attached to the surface of HOPG graphite by electrodeposition from a suspension of nanotubes and colloidal gold particles (made by Sigma Chemical). It is. Appearing as irregularly shaped patterns in this image are traces of residues of Triton X-100 surfactant residue used to stabilize the suspension. The connecting chain between the nanotube and the gold particle is constituted by an alkyl thiol chain covalently bonded to each of the open ends of the nanotube. The open ends of the nanotubes were corroded by acid in the previous processing step, so it is considered that many carboxyl groups were bonded, and these carboxyl groups were reacted with SOCl 2 to react with each. Conversion was made to a carboxylic acid chloride corresponding to the carboxyl group. The modified nanotubes were subsequently exposed to NH 2 — (CH 2 ) 16 —SH dissolved in toluene to form suitable linking chains. This linking chain is a binding site in which the thiol group in the linking chain is strongly covalently bonded to the gold particle. As a result of careful AFM image analysis, it was confirmed that most of the nanotubes subjected to this modification treatment have one gold particle bonded to at least one of both ends thereof.
Specific Example 10 Composite material containing carbon nanotubes
A suspension was prepared by dispersing 1 g of purified single-walled fullerene nanotubes in 10 g of an epoxy material having the trade name “Epon” dissolved in 1 liter of dichloroethane. A curing agent was added to this suspension, and the solvent content was removed with a vacuum rotary evaporator. The composite material composed of the fullerene nanotubes and the epoxy material thus obtained was cured by maintaining at 100 ° C. for 24 hours.

別法として、カーボン・ファイバ及びフラーレン・ナノチューブを共に配合した複合材料を製作することも可能である。この場合には、上述の、ジクロロエタン、エポキシ材料、及びナノチューブから成る懸濁液を大型容器に入れておき、1本ないし複数本の一様連続形カーボン・ファイバ、またはカーボン・ファイバを織って製作した1本ないし複数本のカーボン・ファイバ・テープを、その懸濁液にくぐらせて、懸濁液を含浸させる。続いて、懸濁液を含浸させたカーボン・ファイバないしカーボン・ファイバ・テープを、所望の形状の型枠に巻き付け、更にそれを、カーボン・ファイバ−エポキシ複合材料の業界では公知の方法(これについては例えば、D.L. Chung著、Carbon Fiber Composites (1994) を参照されたい)に従って、オートクレーブの中で硬化させることによって、層間剥離に対する優れた耐性を有する複合材料が得られる。この複合材料中のフラーレン・ナノチューブは、多層のカーボン・ファイバ層の、層間のエポキシ材料の強度を高める役割を果たしている。また、カーボン・ファイバを、織物テープ層の材料として使用するばかりでなく、エポキシ材料相の中に絡み合った状態で配合するナノチューブの強化材もカーボン・ファイバ製のものとすれば、それによっても優れた複合材料が得られる。   Alternatively, it is possible to fabricate a composite material containing both carbon fiber and fullerene nanotubes. In this case, the suspension of dichloroethane, epoxy material, and nanotube described above is placed in a large container, and one or a plurality of uniform continuous carbon fibers or carbon fibers are woven. One or more carbon fiber tapes are passed through the suspension and impregnated with the suspension. Subsequently, the carbon fiber or carbon fiber tape impregnated with the suspension is wound around a form having a desired shape, and this is further processed by a method known in the carbon fiber-epoxy composite industry (about this). (See, for example, DL Chung, Carbon Fiber Composites (1994)). By curing in an autoclave, a composite material having excellent resistance to delamination is obtained. The fullerene nanotubes in this composite material serve to increase the strength of the epoxy material between the layers of the multi-layer carbon fiber layer. In addition to using carbon fiber as a material for the fabric tape layer, if the nanotube reinforcement compounded in an entangled state in the epoxy material phase is also made of carbon fiber, it will be excellent Composite material is obtained.

当業者であれば、以上の詳細な説明から、本明細書中に開示した方法、装置、組成物、及び製造物の変更実施形態ないし改変実施形態にも、容易に想到し得ることはいうまでもなく、請求項の範囲は、そのような変更実施形態や改変実施形態をも包含するように記載したものである。   From the above detailed description, it goes without saying that those skilled in the art can easily conceive modified or modified embodiments of the methods, apparatuses, compositions, and products disclosed herein. Rather, the scope of the claims is intended to cover such modified and modified embodiments.

本発明を実施するための装置の略図である。1 is a schematic diagram of an apparatus for carrying out the present invention. 複合棒材ターゲを蒸気化するための二つの異なるレーザーパルスを使用する本発明を実施するための装置の略図である。1 is a schematic diagram of an apparatus for practicing the present invention that uses two different laser pulses to vaporize a composite bar target. 本発明による精製した単層カーボンナノチューブの透過型電子顕微鏡法(TEM)のスペクトルであり;FIG. 2 is a transmission electron microscopy (TEM) spectrum of a purified single-walled carbon nanotube according to the present invention; 本発明による精製した単層カーボンナノチューブの走査型電子顕微鏡法(SEM)のスペクトルであり;FIG. 2 is a scanning electron microscopy (SEM) spectrum of purified single-walled carbon nanotubes according to the present invention; 本発明による精製した単層カーボンナノチューブのラマンスペクトルであり;FIG. 3 is a Raman spectrum of a purified single-walled carbon nanotube according to the present invention; 本発明による均一な単層カーボンナノチューブ分子配列の一部を模式的に表すものであり;Schematically represents a portion of a uniform single-walled carbon nanotube molecular array according to the present invention; 本発明による不均一な単層カーボンナノチューブ分子配列の一部を模式的に表すものであり;Schematically represents a portion of a non-uniform single-walled carbon nanotube molecular array according to the present invention; 本発明による繊維成長室装置を模式的に表すものであり;1 schematically represents a fiber growth chamber device according to the invention; 本発明による繊維圧力均等化兼収集域を模式的に表すものであり;Schematically represents a fiber pressure equalization and collection zone according to the invention; 本発明による複合配列であり;A composite sequence according to the invention; 本発明による複合配列であり;A composite sequence according to the invention; 本発明による電力伝送ケーブルであり;A power transmission cable according to the invention; 本発明による双安定性の非揮発性ナノスケール記憶デバイスを模式的に表すものであり;2 schematically represents a bistable non-volatile nanoscale storage device according to the present invention; 図11のメモリービットの各双安定状態に対応するエネルギーウエル(well)を表わすグラフであり;12 is a graph representing an energy well corresponding to each bistable state of the memory bit of FIG. 11; 本発明によるリチウムイオン二次電池を模式的に表わすものであり;1 schematically represents a lithium ion secondary battery according to the present invention; 本発明によるリチウムイオン電池の陽極であり;An anode of a lithium ion battery according to the invention; 単層カーボンナノチューブ類の中倍率透過型電子顕微鏡画像であり;Medium magnification transmission electron microscope image of single-walled carbon nanotubes; 隣接単層カーボンナノチューブ類の高倍率画像であり;High magnification image of adjacent single-walled carbon nanotubes; 隣接単層カーボンナノチューブ類の高倍率画像であり;High magnification image of adjacent single-walled carbon nanotubes; 隣接単層カーボンナノチューブ類の高倍率画像であり;High magnification image of adjacent single-walled carbon nanotubes; 7本の隣接単層カーボンナノチューブの断面の高倍率画像であり;A high magnification image of a cross section of seven adjacent single-walled carbon nanotubes; 粗単層フラーレンナノチューブフェルトの走査型電子顕微鏡(SEM)画像であり;Scanning electron microscope (SEM) image of a crude single-wall fullerene nanotube felt; 精製後の図16の単層フラーレンナノチューブフェルト物質のSEM画像であり;FIG. 17 is a SEM image of the single-wall fullerene nanotube felt material of FIG. 16 after purification; 単層フラーレンナノチューブフェルトの引き裂き後に得られた単層ナノチューブロープ繊維類の実質的な整列のSEM画像であり;SEM image of substantial alignment of single-walled nanotube rope fibers obtained after tearing single-walled fullerene nanotube felt; 高度に配向した熱分解グラファイト上に堆積した切断フラーレンナノチューブの原子間力顕微鏡(AFM)画像であり;An atomic force microscope (AFM) image of cut fullerene nanotubes deposited on highly oriented pyrolytic graphite; 切断ナノチューブ懸濁液の電界流れ分別[field flow fractionation (FFF)]のグラフであり;Is a graph of field flow fractionation (FFF) of a cut nanotube suspension; 三つの収集物についてAFMで測定したフラーレンナノチューブ長の分布を表わし;そしてRepresents the distribution of fullerene nanotube length measured by AFM for three collections; and FFF溶出液の、第1分画、第3分画、及び第4分画のナノチューブ長さ分布を示したグラフであり;FIG. 3 is a graph showing the nanotube length distribution of the first, third, and fourth fractions of the FFF eluate; FFF溶出液の、第1分画、第3分画、及び第4分画のナノチューブ長さ分布を示したグラフであり;そしてA graph showing the nanotube length distribution of the first, third and fourth fractions of the FFF eluate; and 二つの10ナノメートルの金球につながれたフラーレンナノチューブ「パイプ」のAFM画像を示す。An AFM image of a fullerene nanotube “pipe” connected to two 10 nanometer gold spheres is shown.

Claims (162)

単層カーボンナノチューブおよび無定形炭素汚染物質を含む混合物を精製する方法であって、前記方法が
(a)前記無定形炭素を除くのに十分な酸化条件下で、前記混合物を加熱し、そして
(b)少なくとも約80重量%の単層カーボンナノチューブを含む生成物を回収する、
工程を含む方法。
A method of purifying a mixture comprising single-walled carbon nanotubes and amorphous carbon contaminants, the method comprising: (a) heating the mixture under oxidizing conditions sufficient to remove the amorphous carbon; and b) recovering a product comprising at least about 80% by weight of single-walled carbon nanotubes;
A method comprising the steps.
前記酸化条件が無機オキシダントの水溶液を含む請求項1記載の方法。 The method of claim 1, wherein the oxidizing conditions comprise an aqueous solution of an inorganic oxidant. 前記無機オキシダントが硝酸、硫酸と過酸化水素との混合物、過マンガン酸カリウムおよびそれらの混合物からなる群から選ばれる請求項2記載の方法。 The method of claim 2 wherein said inorganic oxidant is selected from the group consisting of nitric acid, a mixture of sulfuric acid and hydrogen peroxide, potassium permanganate and mixtures thereof. 前記水溶液を還流下に加熱する請求項2記載の方法。 The method of claim 2, wherein the aqueous solution is heated under reflux. 工程(b)の該酸化生成物をけん化処理に付する工程をさらに含む請求項2記載の方法。 The method according to claim 2, further comprising the step of subjecting the oxidation product of step (b) to a saponification treatment. 前記けん化処理が、前記生成物を塩基性溶液と接触させることを含む請求項5記載の方法。 The method of claim 5, wherein the saponification treatment comprises contacting the product with a basic solution. 前記塩基性溶液が水酸化ナトリウムを含む請求項6記載の方法。 The method of claim 6 wherein the basic solution comprises sodium hydroxide. 該けん化物を酸で中和する工程をさらに含む請求項6記載の方法。 The method of claim 6, further comprising the step of neutralizing the saponified product with an acid. 前記酸が塩酸である請求項8記載の方法。 The method of claim 8, wherein the acid is hydrochloric acid. 該けん化、中和生成物から固体生成物を回収する工程をさらに含む請求項8記載の方法。 9. The method of claim 8, further comprising the step of recovering a solid product from the saponification and neutralization product. 濾過、重力沈降、化学凝集法、および液体サイクロン分離からなる群から選ばれる方法によって前記生成物を回収する請求項10記載の方法。 The method of claim 10, wherein the product is recovered by a method selected from the group consisting of filtration, gravity sedimentation, chemical flocculation, and hydrocyclone separation. 前記生成物が紙のような二次元生成物である請求項10記載の方法。 The method of claim 10, wherein the product is a two-dimensional product such as paper. 該生成物を乾燥する工程をさらに含む請求項12記載の方法。 The method of claim 12, further comprising the step of drying the product. 前記生成物を水素ガス雰囲気中で約850℃において乾燥する請求項13記載の方法。 The method of claim 13, wherein the product is dried at about 850 ° C in a hydrogen gas atmosphere. 前記生成物が少なくとも約90重量%の単層カーボンナノチューブを含む請求項1記載の方法。 The method of claim 1, wherein the product comprises at least about 90 wt% single-walled carbon nanotubes. 前記生成物が少なくとも約95重量%の単層カーボンナノチューブを含む請求項1記載の方法。 The method of claim 1, wherein the product comprises at least about 95 wt% single-walled carbon nanotubes. 前記生成物が少なくとも約99重量%の単層カーボンナノチューブを含む請求項1記載の方法。 The method of claim 1, wherein the product comprises at least about 99% by weight of single-walled carbon nanotubes. 長さが約5ないし500nmの管状炭素分子の製造法であって、前記方法が
(a)単層ナノチューブ含有材料を切断して、長さが5−500nmの範囲に ある管状炭素分子の混合物を作り;
(b)前記管状炭素分子混合物から、長さが実質的に等しい前記分子の一部を 単離する
工程を含む方法。
A method for producing tubular carbon molecules having a length of about 5 to 500 nm, the method comprising: (a) cutting a single-walled nanotube-containing material to obtain a mixture of tubular carbon molecules having a length in the range of 5 to 500 nm. Making;
(B) isolating a portion of the molecule of substantially equal length from the tubular carbon molecule mixture.
管状炭素分子への前記単層ナノチューブ切断が、
(a)長さが最大約1ミクロン以上の単層ナノチューブを含有する実質的に二 次元のタ−ゲット(target)を形成し、そして
(b)前記ターゲットに高質量イオンの高エネルギービームを照射する
工程を含む請求項18記載の方法。
Said single-walled nanotube cutting into tubular carbon molecules,
(A) forming a substantially two-dimensional target containing single-walled nanotubes up to about 1 micron in length, and (b) irradiating the target with a high-energy beam of high-mass ions The method of claim 18 including the step of:
高エネルギービームがサイクロトロンで生成され、かつ約0.1ないし約10GeVのエネルギーを有する請求項19記載の方法。 20. The method of claim 19, wherein the high energy beam is generated by a cyclotron and has an energy of about 0.1 to about 10 GeV. 前記高質量イオンが約150AMUを上回る質量を有する請求項19記載の方法。 The method of claim 19, wherein the high mass ions have a mass greater than about 150 AMU. 前記高質量イオンが金、ビスマスおよびウランからなる群から選ばれる請求項21記載の方法。 The method of claim 21, wherein the high mass ions are selected from the group consisting of gold, bismuth and uranium. 該高質量イオンがAu+33である請求項22記載の方法。 The method of claim 22, wherein the high mass ion is Au +33 . 管状炭素分子への前記単層ナノチューブ切断が、
(a)媒質中に単層ナノチューブの懸濁液を生成させ;
(b)前記懸濁液を音響エネルギーで超音波処理する
工程を含む請求項18記載の方法。
Said single-walled nanotube cutting into tubular carbon molecules,
(A) producing a suspension of single-walled nanotubes in a medium;
19. The method of claim 18, comprising (b) sonicating the suspension with acoustic energy.
40KHzで操作し、そして20Wの出力を有する装置によって前記音響エネルギーを生成させる請求項24記載の方法。 25. The method of claim 24, wherein the acoustic energy is generated by a device operating at 40KHz and having a power output of 20W. 管状炭素分子への前記単層ナノチューブ切断が濃HNO3中で単層ナノチューブ材料を還流させることを含む請求項18記載の方法。 19. The method of claim 18, wherein said single-walled nanotube cutting into tubular carbon molecules comprises refluxing the single-walled nanotube material in concentrated HNO3. 該管状炭素分子を加熱して少なくともその1つの底面に半球状フラーレンキャップを形成させる工程をさらに含む請求項19記載の方法。 20. The method of claim 19, further comprising heating the tubular carbon molecule to form a hemispherical fullerene cap on at least one bottom surface thereof. 前記管状炭素分子を、該反応条件において、前記管状炭素分子の前記底面の少なくとも1つに少なくとも1つの置換基をもたらす材料と反応させる工程をさらに含む請求項18記載の方法。 19. The method of claim 18, further comprising reacting the tubular carbon molecule with a material that provides at least one substituent on at least one of the bottom surfaces of the tubular carbon molecule at the reaction conditions. 前記管状炭素分子を、該反応条件において、前記管状炭素分子の前記底面の少なくとも1つに少なくとも1つの置換基をもたらす材料と反応させる工程をさらに含む請求項26記載の方法。 27. The method of claim 26, further comprising reacting the tubular carbon molecule with a material that provides at least one substituent on at least one of the bottom surfaces of the tubular carbon molecule at the reaction conditions. 前記置換基が、それぞれ独立して水素;アルキル、アシル、アリール、アラールキル、ハロゲン;置換または無置換チオール;無置換または置換アミノ;ヒドロキシ;およびOR′(式中R′は水素、アルキル、アシル、アリール、アラールキル、無置換または置換アミノ;置換または無置換チオール;およびハロゲンからなる群から選ばれる);ならびに任意に1個以上のヘテロ原子で遮断され、そして任意に1個以上の=O、もしくは=S、ヒドロキシ、アミノアルキル基、アミノ酸、またはアミノ酸が2−8個のペプチドで置換される線状または環状炭素鎖からなる群から選ばれる請求項28または29記載の方法。 The substituents are each independently hydrogen; alkyl, acyl, aryl, aralkyl, halogen; substituted or unsubstituted thiol; unsubstituted or substituted amino; hydroxy; and OR ′ (where R ′ is hydrogen, alkyl, acyl, Aryl, aralkyl, unsubstituted or substituted amino; selected from the group consisting of substituted or unsubstituted thiol; and halogen); and optionally interrupted by one or more heteroatoms, and optionally one or more ═O, or 30. The method of claim 28 or 29, selected from the group consisting of a linear or cyclic carbon chain wherein = S, hydroxy, aminoalkyl group, amino acid, or amino acid is substituted with 2-8 peptides. 管状炭素分子の巨視的分子配列を形成させる方法であって、前記方法が、 (a)50ないし500nmの範囲の実質的に同じ長さの少なくとも約106 個の管状炭素分子をもたらし;
(b)前記管状炭素分子の少なくとも1つの底面に結合部分を導入し;
(c)前記結合部分が結合する材料を塗布した基質をもたらし;そして
(d)結合部分を含有する前記管状炭素分子を前記基質と接触させる
工程を含む方法。
A method of forming a macroscopic molecular array of tubular carbon molecules, the method comprising: (a) at least about 10 6 tubular carbon molecules of substantially the same length in the range of 50 to 500 nm;
(B) introducing a binding moiety into at least one bottom surface of the tubular carbon molecule;
(C) providing a substrate coated with a material to which the binding moiety binds; and (d) contacting the tubular carbon molecule containing the binding moiety with the substrate.
前記基質が金、水銀およびインジウム−スズ−酸化物からなる群から選ばれる請求項31記載の方法。 32. The method of claim 31, wherein the substrate is selected from the group consisting of gold, mercury and indium-tin-oxide. 前記結合部分が−S−、−S−(CH2)n−NH−、および−SiO3(CH2)3NH3からなる群から選ばれる請求項32記載の方法。 33. The method of claim 32, wherein the linking moiety is selected from the group consisting of -S-, -S- (CH2) n-NH-, and -SiO3 (CH2) 3NH3. 管状炭素分子の巨視的分子配列を形成させる方法であって、前記方法が、 (a)基質上にナノスケール配列のミクロウェル(microwell)をも たらし;
(b)前記ミクロウェルのそれぞれに金属触媒を載置し;そして
(c)各ミクロウェルから単層カーボンナノチューブの成長を行わせる条件で 炭化水素またはCO原料ガス流を前記基質に給送する
工程を含む方法。
A method of forming a macroscopic molecular array of tubular carbon molecules, the method comprising: (a) providing a nanoscale array of microwells on a substrate;
(B) placing a metal catalyst in each of the microwells; and (c) feeding a hydrocarbon or CO source gas stream to the substrate under conditions that allow the growth of single-walled carbon nanotubes from each microwell. Including methods.
前記ミクロウェルから成長する前記ナノチューブの整列を助けるために前記基質の近傍に電界を付与する工程をさらに含む請求項34記載の方法。 35. The method of claim 34, further comprising applying an electric field in the vicinity of the substrate to help align the nanotubes growing from the microwell. 管状炭素分子の巨視的分子配列を形成させる方法であって、前記方法が、 (a)精製されてはいるが、もつれて比較的輪になっている単層カーボンナノ チューブ材料を含有する表面を生じさせ;
(b)破損した短い長さのナノチューブを前記表面から突出させるのに十分な 酸化条件下に前記表面をおき;そして
(c)前記表面から突出する前記ナノチューブを前記表面に概ね垂直の方向に 整列させ、そしてファンデルワールス相互作用力によって配列中に融合 を生じさせるように前記表面に電界を付与する
工程を含む方法。
A method of forming a macroscopic molecular arrangement of tubular carbon molecules comprising: (a) a surface containing a single-walled carbon nanotube material that is (a) purified but entangled and relatively looped. Cause;
(B) placing the surface under oxidizing conditions sufficient to cause the broken short length nanotubes to protrude from the surface; and (c) aligning the nanotubes protruding from the surface in a direction generally perpendicular to the surface. And applying an electric field to the surface to cause fusion in the array by van der Waals interaction forces.
前記酸化条件が、酸素およびCO2の雰囲気中で前記表面を約500℃に加熱することを含む請求項36記載の方法。 37. The method of claim 36, wherein the oxidizing conditions comprise heating the surface to about 500 ° C. in an atmosphere of oxygen and CO2. 管状炭素分子の巨視的分子配列を形成させる方法であって、前記方法が、最大106個の単層カーボンナノチューブのサブ配列を複合材料配列に集成する工程を含む方法。 A method of forming a macroscopic molecular array of tubular carbon molecules, the method comprising assembling a sub-array of up to 10 6 single-walled carbon nanotubes into a composite array. すべての該サブ配列が同種のナノチューブを有する請求項38記載の方法。 39. The method of claim 38, wherein all the subarrays have the same type of nanotubes. 該サブ配列が異種のナノチューブを有する請求項38記載の方法。 40. The method of claim 38, wherein the sub-array comprises heterogeneous nanotubes. 請求項31、34または36記載のいずれか1つの方法によって該サブ配列を作る請求項38記載の方法。 40. The method of claim 38, wherein the subsequence is made by the method of any one of claims 31, 34 or 36. 概ね平行方向にある少なくとも約106個の単層ナノチューブを含む巨視的炭素繊維を絶えず成長させる方法であって、前記方法が、
(a)概して平行方向にあって、約50ないし約500ナノメートルの範囲の 実質的に同じ長さを有する少なくとも約106個の管状炭素分子の巨視 的分子配列を生じさせ;
(b)前記配列中の該管状炭素分子の該上端から該半球状フラーレンキャップ を除去し;
(c)前記配列中の該管状炭素分子の前記上端を少なくとも1つの触媒金属と 接触させ;
(d)前記配列の端部に局部エナネルギーを加えて前記端部を約500℃ない し約1300℃の範囲の温度に加熱する間中、前記配列の端部に炭素の ガス源を供給し;そして
(e)成長しつつある炭素繊維を連続的に回収する
工程を含む方法。
A method of continuously growing macroscopic carbon fibers comprising at least about 10 6 single-walled nanotubes in a generally parallel direction, the method comprising:
(A) producing a macroscopic molecular arrangement of at least about 10 6 tubular carbon molecules in a generally parallel direction and having substantially the same length in the range of about 50 to about 500 nanometers;
(B) removing the hemispherical fullerene cap from the upper end of the tubular carbon molecule in the array;
(C) contacting the upper end of the tubular carbon molecule in the array with at least one catalytic metal;
(D) supplying a carbon gas source to the end of the array while applying local energy to the end of the array to heat the end to a temperature in the range of about 500 ° C. or about 1300 ° C .; And (e) a method comprising a step of continuously collecting growing carbon fibers.
酸化性雰囲気中で加熱することによって前記フラーレンキャップを取り除く請求項42記載の方法。 43. The method of claim 42, wherein the fullerene cap is removed by heating in an oxidizing atmosphere. 前記酸化性雰囲気が、酸素およびCO2の雰囲気中で約500℃の温度において硝酸による水性エッチングまたは気相エッチングを含む請求項43記載の方法。 44. The method of claim 43, wherein the oxidizing atmosphere comprises an aqueous or vapor phase etching with nitric acid at a temperature of about 500 ° C. in an atmosphere of oxygen and CO2. 前記触媒金属が第VIII族遷移金属、第VI族遷移金属、ランタニド系列金属、アクチニド系列金属、およびそれらの混合物からなる群から選ばれる請求項42記載の方法。 43. The method of claim 42, wherein the catalytic metal is selected from the group consisting of Group VIII transition metals, Group VI transition metals, lanthanide series metals, actinide series metals, and mixtures thereof. 前記触媒金属がFe、Co、Ni、Ru、Rh、Pd、Os、IrおよびPtからなる群から選ばれる請求項45記載の方法。 46. The method of claim 45, wherein the catalytic metal is selected from the group consisting of Fe, Co, Ni, Ru, Rh, Pd, Os, Ir, and Pt. 前記触媒金属がFe、NiおよびCoならびにそれらの混合物からなる群から選ばれる請求項46記載の方法。 47. The method of claim 46, wherein the catalytic metal is selected from the group consisting of Fe, Ni and Co and mixtures thereof. 前記触媒金属がCr、Mo、およびWからなる群から選ばれる請求項45記載の方法。 46. The method of claim 45, wherein the catalytic metal is selected from the group consisting of Cr, Mo, and W. 前記触媒金属を金属原子クラスターとして現場で各ナノチューブ上に載置する請求項42記載の方法。 43. The method of claim 42, wherein the catalytic metal is placed on each nanotube in situ as a metal atom cluster. 前記金属原子クラスターが約10ないし約200個の金属原子を有する請求項49記載の方法。 50. The method of claim 49, wherein the metal atom cluster has from about 10 to about 200 metal atoms. 前記触媒金属を予備成形ナノ粒子として載置する請求項42記載の方法。 43. The method of claim 42, wherein the catalytic metal is loaded as preformed nanoparticles. 前記触媒金属がMoである請求項51記載の方法。 52. The method of claim 51, wherein the catalytic metal is Mo. 前記触媒金属を前記金属の塩類、酸化物および錯体からなる群から選ばれる金属前駆物質の形で載置する請求項42記載の方法。 43. The method of claim 42, wherein the catalytic metal is placed in the form of a metal precursor selected from the group consisting of salts, oxides and complexes of the metal. 金属原子を蒸発させ、そしてそれを前記ナノチューブ開放端部に凝縮させ融合させることによって前記触媒金属を載置する請求項42記載の方法。 43. The method of claim 42, wherein the catalytic metal is deposited by evaporating metal atoms and condensing and fusing it to the open ends of the nanotubes. 前記触媒金属を含有するワイヤ(単数および複数)を加熱することによって前記蒸発を行う請求項54記載の方法。 55. The method of claim 54, wherein the evaporation is performed by heating the wire (s) containing the catalytic metal. 前記蒸発を分子線蒸発によって行う請求項54記載の方法。 55. The method of claim 54, wherein the evaporation is performed by molecular beam evaporation. 炭素のガス源が炭化水素および一酸化水素からなる群から選ばれる請求項42記載の方法。 43. The method of claim 42, wherein the carbon gas source is selected from the group consisting of hydrocarbons and hydrogen monoxide. 前記炭化水素が1ないし7個の炭素原子を有するアルキル、アシル、アリールおよびアラールキルからなる群から選ばれる請求項57記載の方法。 58. The method of claim 57, wherein said hydrocarbon is selected from the group consisting of alkyl having 1 to 7 carbon atoms, acyl, aryl and aralkyl. 前記炭化水素がメタン、エタン、エチレン、アセチレン、アセトン、プロパン、プロピレンおよびそれらの混合物である請求項58記載の方法。 59. The method of claim 58, wherein the hydrocarbon is methane, ethane, ethylene, acetylene, acetone, propane, propylene and mixtures thereof. 前記局部エネルギーがレーザー光線によって与えられる請求項42記載の方法。 43. The method of claim 42, wherein the local energy is provided by a laser beam. 前記局部エネルギーがマイクロ波発生機、R−Fコイルおよび太陽熱集中装置からなる群から選ばれる源によって与えられる請求項42記載の方法。 43. The method of claim 42, wherein the local energy is provided by a source selected from the group consisting of a microwave generator, an R-F coil and a solar concentrator. 前記端部を約900℃から約1100℃の範囲の温度に加熱する請求項42記載の方法。 43. The method of claim 42, wherein the end is heated to a temperature in the range of about 900 ° C to about 1100 ° C. 少なくとも約80重量%の単層カーボンナノチューブを含む材料組成物。 A material composition comprising at least about 80 wt% single-walled carbon nanotubes. 少なくとも約90重量%の単層カーボンナノチューブを含む請求項63記載の組成物。 64. The composition of claim 63, comprising at least about 90% by weight single-walled carbon nanotubes. 少なくとも約95重量%の単層カーボンナノチューブを含む請求項63記載の組成物。 64. The composition of claim 63, comprising at least about 95% by weight single-walled carbon nanotubes. 少なくとも約99重量%の単層カーボンナノチューブを含む請求項63記載の組成物。 64. The composition of claim 63, comprising at least about 99% by weight single-walled carbon nanotubes. 少なくとも約80重量%の単層カーボンナノチューブを含む実質的に二次元の物品。 A substantially two-dimensional article comprising at least about 80 wt% single-walled carbon nanotubes. 少なくとも約90重量%の単層ナノチューブを含む請求項67記載の物品。 68. The article of claim 67, comprising at least about 90% by weight of single-walled nanotubes. 少なくとも約95重量%の単層ナノチューブを含む請求項67記載の物品。 68. The article of claim 67, comprising at least about 95% by weight single-walled nanotubes. 少なくとも約99重量%の単層ナノチューブを含む請求項67記載の物品。 68. The article of claim 67, comprising at least about 99% by weight of single-walled nanotubes. 紙のような材料の形をなす請求項67記載の物品。 68. The article of claim 67 in the form of a paper-like material. 下記の構造を有する管状炭素分子:
ここに、
は約102ないし106個の炭素原子を有する実質的に無欠陥の管状グラフェン(gra phen)シート(任意に非炭素原子でドープされる)であり;

ここに、
は少なくとも6個の五角形および残りの六角形を有する半球形フラーレンキャップであり;
nは、0から30の数であり;そして
R,R1、R2、R3、R4およびR5はそれぞれ独立して水素;アルキル、アシル、アリール、アラールキル、ハロゲン、置換または無置換チオール、無置換または置換アミノ、ヒドロキシ、およびOR′(式中R′は、水素、アルキル、アシル、アリール、アラールキル、無置換または置換アミノ、置換または無置換チオール;およびハロゲンからなる群から選ばれる);ならびに任意に1個以上のヘテロ原子で遮断され、そして任意に1個以上の=O、もしくは=S、ヒドロキシ、アミノアルキル基、アミノ酸、またはアミノ酸が2−8個のペプチドで置換される線状または環状炭素鎖からなる群から選ぶことができる。
Tubular carbon molecules having the following structure:
here,
Is a substantially defect-free tubular graphene sheet (optionally doped with non-carbon atoms) having about 10 2 to 10 6 carbon atoms;

here,
Is a hemispherical fullerene cap having at least six pentagons and the remaining hexagons;
n is a number from 0 to 30; and R, R 1 , R 2 , R 3 , R 4 and R 5 are each independently hydrogen; alkyl, acyl, aryl, aralkyl, halogen, substituted or unsubstituted thiol , Unsubstituted or substituted amino, hydroxy, and OR ′ (wherein R ′ is selected from the group consisting of hydrogen, alkyl, acyl, aryl, aralkyl, unsubstituted or substituted amino, substituted or unsubstituted thiol; and halogen) And optionally a line where one or more heteroatoms are interrupted and optionally one or more ═O or ═S, hydroxy, aminoalkyl groups, amino acids, or amino acids are replaced with 2-8 peptides Can be selected from the group consisting of linear or cyclic carbon chains.
前記グラフェンシートが(n,n)単層カーボンナノチューブに対応する構造を有する請求項72記載の分子。 75. The molecule of claim 72, wherein the graphene sheet has a structure corresponding to (n, n) single-walled carbon nanotubes. 前記分子が約5ないし約1000nmの長さを有する請求項72記載の分子。 75. The molecule of claim 72, wherein the molecule has a length of about 5 to about 1000 nm. 前記分子が約5ないし約500nmの長さを有する請求項74記載の分子。 75. The molecule of claim 74, wherein the molecule has a length of about 5 to about 500 nm. nが0ないし12である請求項72記載の分子。 75. The molecule of claim 72, wherein n is 0-12. 少なくとも1個のエンドヘドラル(endohedral)種をさらに含む請求項72記載の分子。 75. The molecule of claim 72, further comprising at least one endohedral species. 前記エンドヘドラル種が金属原子、フラ−レン分子、他の小分子およびそれらの混合物からなる群から選ばれる請求項77記載の分子。 78. The molecule of claim 77, wherein said endohedral species is selected from the group consisting of metal atoms, fullerene molecules, other small molecules, and mixtures thereof. C60、C70またはそれらの混合物からなる群から選ばれる少なくとも1種のエンドヘドラル種を含有する(10,10)単層ナノチューブを含む請求項78記載の分子。 79. A molecule according to claim 78 comprising (10, 10) single-walled nanotubes containing at least one endohedral species selected from the group consisting of C60, C70 or mixtures thereof. 前記C60またはC70が、金属原子および金属化合物からなる群から選ばれるエンドヘドラル置換基をさらに含有する請求項79記載の分子。 80. The molecule of claim 79, wherein said C60 or C70 further comprises an endohedral substituent selected from the group consisting of metal atoms and metal compounds. 概ね平行状態にあって約5から約500ナノメートルの範囲の実質的に同じ長さを有する少なくとも約106個の単層カーボンナノチューブを含む巨視的分子配列。 A macroscopic molecular array comprising at least about 10 6 single-walled carbon nanotubes in a substantially parallel state and having substantially the same length in the range of about 5 to about 500 nanometers. 前記ナノチューブが同じ種類である請求項81記載の配列。 82. The array of claim 81, wherein the nanotubes are of the same type. 前記ナノチューブが(n,n)タイプである請求項82記載の配列。 83. The array of claim 82, wherein the nanotubes are of (n, n) type. 前記ナノチューブが(10,10)タイプである請求項83記載の配列。 84. The array of claim 83, wherein the nanotubes are of (10,10) type. 前記ナノチューブが(m,n)タイプである請求項83記載の配列。 84. The array of claim 83, wherein the nanotubes are of (m, n) type. 前記ナノチューブが種々のタイプを有する請求項81記載の配列。 92. The array of claim 81, wherein the nanotubes have various types. 前記配列の一端に結合させそして前記配列中の該ナノチューブに対して実質的に直角に向けた基質をさらに含む請求項81記載の配列。 82. The array of claim 81 further comprising a substrate attached to one end of the array and oriented substantially perpendicular to the nanotubes in the array. 前記基質がバッキーペーパー(bucky paper)表面である請求項87記載の配列。 88. The array of claim 87, wherein the substrate is a bucky paper surface. 前記基質が金、水銀およびインジウム−スズ−酸化物からなる群から選ばれる金属層である請求項87記載の配列。 88. The arrangement of claim 87, wherein the substrate is a metal layer selected from the group consisting of gold, mercury and indium-tin-oxide. ナノチューブの中心部分が(n,n)タイプでナノチューブの外側部分が(m,n)タイプである請求項86記載の配列。 87. The array of claim 86, wherein the central portion of the nanotube is of (n, n) type and the outer portion of the nanotube is of (m, n) type. 概ね平行状態の少なくとも約106個の単層カーボンナノチュ−ブを含む巨視的炭素繊維。 A macroscopic carbon fiber comprising at least about 10 6 single-walled carbon nanotubes in a generally parallel state. 少なくとも約109個の単層カーボンナノチューブを含む請求項91記載の繊維。 92. The fiber of claim 91, comprising at least about 10 < 9 > single-walled carbon nanotubes. 多数の請求項91記載の該繊維を含む複合繊維。 92. A composite fiber comprising a number of the fibers of claim 91. 請求項91記載の該繊維のセグメントを含む成長しつつある連続長(continuous length)炭素繊維の分子テンプレート(template)配列。 94. A molecular template array of continuous length carbon fibers comprising the fiber segments of claim 91. 少なくとも1ミリメートルの長さを有する請求項91記載の繊維。 92. The fiber of claim 91, having a length of at least 1 millimeter. 前記ナノチューブの大部分が(n,n)タイプである請求項91記載の繊維。 92. The fiber of claim 91, wherein a majority of the nanotubes are of the (n, n) type. 前記ナノチューブのすべてが同種のものではない請求項91記載の繊維 92. The fiber of claim 91, wherein not all of said nanotubes are of the same type. 金属、ポリマー、セラミックおよびサーメットからなる群から選ばれるマトリックス材料を含み、前記マトリックスが少なくともその一部に性質を高める量の請求項91記載の該炭素繊維を埋封している製造複合物品。 92. A composite article of manufacture comprising a matrix material selected from the group consisting of metals, polymers, ceramics and cermets, wherein the matrix is embedded in the carbon fiber in an amount that enhances properties at least in part. 前記性質が構造的、機械的電気的、化学的、光学的、または生物学的である請求項98記載の複合物品。 99. The composite article of claim 98, wherein the property is structural, mechanical, electrical, chemical, optical, or biological. 少なくとも1つの導体が請求項96記載の連続炭素繊維を含む高圧送電ケーブル。 99. A high voltage power transmission cable wherein the at least one conductor comprises continuous carbon fiber according to claim 96. 中心導体および同軸配設外側導体がいずれも炭素繊維で構成され、その間に絶縁層が配設されている請求項100記載の送電ケーブル。 101. The power transmission cable according to claim 100, wherein both the center conductor and the coaxially arranged outer conductor are made of carbon fiber, and an insulating layer is provided therebetween. 前記絶縁層が空隙である請求項101記載の送電ケーブル。 102. The power transmission cable according to claim 101, wherein the insulating layer is a gap. 前記絶縁層が、(m,n)タイプのカーボンナノチューブから作った絶縁炭素繊維および窒化六ホウ素ナノチューブから作った絶縁BN繊維ならびにそれらの混合物からなる群から選ばれる材料を含む請求項101記載の送電ケーブル。 102. The power transmission of claim 101, wherein said insulating layer comprises a material selected from the group consisting of insulating carbon fibers made from (m, n) type carbon nanotubes, insulating BN fibers made from hexaboron nitride nanotubes, and mixtures thereof. cable. 光子コレクター(photon collector)として請求項81記載の分子配列を含む、広域スペクトルの光エネルギーを電流に変えるための太陽電池。 82. A solar cell for converting broad-spectrum light energy into current, comprising the molecular arrangement of claim 81 as a photon collector. 前記配列中の該ナノチューブの該上端にカップルされた光活性染料をさらに含む請求項104記載の太陽電池。 105. The solar cell of claim 104, further comprising a photoactive dye coupled to the top end of the nanotubes in the array. 請求項77記載の該エンドヘドラル装荷管状炭素分子を含む二安定性不揮発メモリビット(memory bit)。 78. A bistable non-volatile memory bit comprising the end-loaded tubular carbon molecule of claim 77. 該管状炭素分子が(10,10)タイプのナノチューブで構成され、そして該エンドヘドラル種がC60またはC70フラーレン分子である請求項106記載のメモリビット。 107. The memory bit of claim 106, wherein the tubular carbon molecule is comprised of (10,10) type nanotubes and the endohedral species is a C60 or C70 fullerene molecule. 請求項106記載の該メモリビット、前記ビットを書き込む手段および前記ビットを読み取る手段を含む二安定性不揮発メモリデバイス。 107. A bistable non-volatile memory device comprising the memory bit of claim 106, means for writing the bit, and means for reading the bit. 前記書き取る手段が、前記エンドヘドラル種を前記ビットの第1端から第2端に移行させるために前記ビットに正または負極性の電圧パルスを指向するように用いられるナノ回路素子を含む請求項108記載のメモリデバイス。 109. The nanocircuit element, wherein the means for writing comprises a nanocircuit element that is used to direct a positive or negative voltage pulse to the bit to transition the end-hedral species from a first end to a second end of the bit. Memory devices. 前記ビットを読み取る前記手段が、
(a)第1の電圧(VRead)に対してバイアスさせ、そして前記ビットの読み取り端から離間させてその間に第1のギャップを形成させるように用いられる第1のナノ回路素子;および
(b)大地電圧(VG)に対してバイアスさせ、そして前記ビットの前記読み取り端から離間させて第2のギャップを形成させるように用いられる第2のナノ回路素子
を含み、そしてそれにより前記第1および第2のギャップを貫通する電流の存在によって前記エンドヘドラル種の存在が明に認められる請求項108記載のメモリデバイス。
Said means for reading said bits;
(A) a first nanocircuit element that is biased relative to a first voltage (VRead) and is spaced from the read end of the bit to form a first gap therebetween; and (b) A second nanocircuit element that is biased with respect to ground voltage (VG) and used to form a second gap spaced from the read end of the bit, and thereby the first and first 109. The memory device of claim 108, wherein the presence of the endohedral species is clearly recognized by the presence of a current through two gaps.
請求項81記載の分子配列を含む電気化学電池用微孔質アノード。 82. A microporous anode for electrochemical cells comprising the molecular arrangement of claim 81. 請求項111記載のアノード、LiCoO2を含むカソードおよび非プロトン性有機電解質を含み、充電条件下で該アノードにリチウムのフラーレン挿入化合物(FIC)が生じるリチウムイオン二次電池。 111. A lithium ion secondary battery comprising the anode of claim 111, a cathode comprising LiCoO2, and an aprotic organic electrolyte, wherein a lithium fullerene insertion compound (FIC) is produced at the anode under charging conditions. 少なくとも約106個の単層カーボンナノチューブを含み前記ナノチューブの開放端に触媒金属を載置させている巨視的分子テンプレート配列から連続巨視的炭素繊維を生成させる装置であって、前記装置が、
(a)成長およびアニール帯域内で前記テンプレート配列中の前記ナノチューブの前記開放端のみを約500℃から約1300℃の範囲の温度に局部加熱する手段;
(b)前記テンプレート配列中の前記ナノチューブの前記加熱開放端に直に接する成長およびアニール帯域へ炭素含有原料ガスを供給する手段;および
(c)前記繊維の成長しつつある開放端を前記成長およびアニール帯域内に保ちながら、成長しつつある炭素繊維を前記成長およびアニール帯域から連続的に取出す手段
を含む装置。
An apparatus for generating continuous macroscopic carbon fibers from a macromolecular molecular array comprising at least about 10 6 single-walled carbon nanotubes and having a catalytic metal mounted on the open ends of the nanotubes, the apparatus comprising:
(A) means for locally heating only the open ends of the nanotubes in the template array within the growth and anneal zone to a temperature in the range of about 500 ° C to about 1300 ° C;
(B) means for supplying a carbon-containing source gas to the growth and annealing zone of the nanotube in the template array that is in direct contact with the heated open end; and (c) the growing open end of the fiber is grown and An apparatus comprising means for continuously removing growing carbon fibers from the growth and annealing zone while remaining within the annealing zone.
前記局部加熱手段がレーザーを含む請求項113記載の装置。 114. The apparatus of claim 113, wherein the local heating means comprises a laser. 排気手段によって真空に保たれる成長チャンバー内に密閉されている請求項113記載の装置。 114. The apparatus of claim 113, wherein the apparatus is sealed in a growth chamber maintained in a vacuum by an evacuation means. 大気圧下において、前記連続的に製造される炭素繊維を通す真空供給固定帯域(vacuum feed lock zone)および巻取ロールをさらに含む請求項115記載の装置。 116. The apparatus of claim 115, further comprising a vacuum feed lock zone and a take-up roll through which the continuously produced carbon fiber passes under atmospheric pressure. (a)マトリックス;および
(b)前記マトリックス中に包埋されたカーボンナノチューブ材料
を含む複合材料。
(A) a matrix; and (b) a composite material comprising a carbon nanotube material embedded in the matrix.
前記マトリックスがポリマーを含む請求項117記載の複合材料。 118. The composite material of claim 117, wherein the matrix comprises a polymer. 前記ポリマーが熱硬化性ポリマーを含む請求項118記載の複合材料。 119. The composite material of claim 118, wherein the polymer comprises a thermosetting polymer. 前記熱硬化性ポリマーがフタル酸/マレイン酸系ポリエステル、ビニルエステル、エポキシ、フェノール樹脂、シアネート、ビスマレイミド、およびナド末端封鎖ポリイミドからなる群から選ばれる請求項119記載の複合材料。 120. The composite material of claim 119, wherein the thermosetting polymer is selected from the group consisting of phthalic / maleic polyesters, vinyl esters, epoxies, phenolic resins, cyanates, bismaleimides, and nad end-capped polyimides. 前記ポリマーが熱可塑性ポリマーを含む請求項118記載の複合材料。 119. The composite material of claim 118, wherein the polymer comprises a thermoplastic polymer. 前記熱可塑性ポリマーがポリスルホン、ポリアミド、ポリカーボネート、ポリフェニレンオキシド、ポリスルフィド、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルスルホン、ポリアミドイミド、ポリエーテルイミド、ポリイミド、ポリアリーレート、および液晶ポリエステルからなる群から選ばれる請求項121記載の複合材料。 122. The thermoplastic polymer is selected from the group consisting of polysulfone, polyamide, polycarbonate, polyphenylene oxide, polysulfide, polyetheretherketone, polyethersulfone, polyamideimide, polyetherimide, polyimide, polyarylate, and liquid crystal polyester. The composite material described. 前記マトリックスが金属を含む請求項117記載の複合材料。 118. The composite material of claim 117, wherein the matrix comprises a metal. 前記マトリックスがセラミックを含む請求項117記載の複合材料。 118. The composite material of claim 117, wherein the matrix comprises a ceramic. 前記マトリックスがサーメットを含む請求項117記載の複合材料。 118. The composite material of claim 117, wherein the matrix comprises cermet. 前記カーボンナノチューブ材料が管状カーボンナノチューブ分子を含む請求項117記載の複合材料。 118. The composite material of claim 117, wherein the carbon nanotube material comprises tubular carbon nanotube molecules. 前記カーボンナノチューブ材料が最大約103個のSWNTのロープ(rope)を含む請求項117記載の複合材料。 118. The composite material of claim 117, wherein said carbon nanotube material comprises up to about 10 < 3 > SWNT ropes. 前記カーボンナノチューブ材料が106個を上回るSWNTの繊維を含む請求項117記載の複合材料。 118. The composite material of claim 117, wherein said carbon nanotube material comprises more than 10 < 6 > SWNT fibers. 補助的繊維材料をさらに含む請求項126、127、または128記載の複合材料。 129. The composite material of claim 126, 127, or 128, further comprising an auxiliary fiber material. 前記カーボンナノチューブ材料を変性して、前記マトリックス材料と相互作用させる請求項126、127、または128記載の複合材料。 129. The composite material of claim 126, 127, or 128, wherein the carbon nanotube material is modified to interact with the matrix material. (a)マトリックス材料前駆物質を調製し;
(b)カーボンナノチューブ材料を前記マトリックス材料前駆物質と結合させ;そして
(c)前記複合材料を形成させる
ことを含むカーボンナノチューブ含有複合材料の製造法。
(A) preparing a matrix material precursor;
(B) combining a carbon nanotube material with the matrix material precursor; and (c) a method of producing a carbon nanotube-containing composite material comprising forming the composite material.
前記形成工程以前に前記カーボンナノチューブ材料を前記マトリック材料前駆物質と結合させる請求項131記載の方法。 132. The method of claim 131, wherein the carbon nanotube material is combined with the matrix material precursor prior to the forming step. 前記形成工程中に前記カーボンナノチューブ材料を前記マトリックス材料前駆物質と結合させる請求項131記載の方法。 132. The method of claim 131, wherein the carbon nanotube material is combined with the matrix material precursor during the forming step. 前記形成工程の直後に前記カーボンナノチューブ材料を前記マトリックス材料前駆物質と結合させる請求項131記載の方法。 132. The method of claim 131, wherein the carbon nanotube material is combined with the matrix material precursor immediately after the forming step. 前記マトリックス材料前駆物質を前記カーボンナノチューブ材料の予備成形装置の回りに流す請求項131記載の方法。 132. The method of claim 131, wherein the matrix material precursor is flowed around a pre-former of the carbon nanotube material. (a)繊維材料の集成体を調製し;
(b)前記カーボンナノチューブ材料を前記繊維材料に加え;そして
(c)マトリックス材料前駆物質を前記カーボンナノチューブ材料および前記繊維材料に加える
ことを含むカーボンナノチューブ材料含有複合材料の製造法。
(A) preparing an assembly of fiber materials;
(B) adding the carbon nanotube material to the fiber material; and (c) adding a matrix material precursor to the carbon nanotube material and the fiber material.
前記繊維材料を二次元のシートに配列させ、そして前記カーボンナノチューブ材料の一部を前記シートに対して平行以外の方向に配向させる請求項136記載の方法。 137. The method of claim 136, wherein the fibrous material is arranged in a two-dimensional sheet and a portion of the carbon nanotube material is oriented in a direction other than parallel to the sheet. 前記カーボンナノチューブ材料が管状カーボンナノチューブ分子を含む請求項131または136記載の方法。 138. The method of claim 131 or 136, wherein the carbon nanotube material comprises tubular carbon nanotube molecules. 前記カーボンナノチューブ材料が最大約103個のSWNTのロープを含む請求項131または136記載の方法。 138. The method of claim 131 or 136, wherein the carbon nanotube material comprises up to about 10 < 3 > SWNT ropes. 前記カーボンナノチューブ材料が106個を上回るSWNTの繊維を含む請求項131または136記載の方法。 138. The method of claim 131 or 136, wherein the carbon nanotube material comprises more than 10 < 6 > SWNT fibers. 誘導された単層カーボンナノチューブ分子から自己集合を行う三次元構造物であって、前記三次元構造物に集成された多数の多機能性単層カーボンナノチューブを含む三次元構造物。 A three-dimensional structure that self-assembles from induced single-walled carbon nanotube molecules, and includes a plurality of multifunctional single-walled carbon nanotubes assembled in the three-dimensional structure. 前記単層カーボンナノチューブがその端面キャップ上に多機能性誘導体を有する請求項141記載の三次元構造物。 142. The three-dimensional structure according to claim 141, wherein the single-walled carbon nanotube has a multifunctional derivative on its end cap. 前記単層カーボンナノチューブが前記単層カーボンナノチューブ上の多くの位置に多機能性誘導体を有する請求項141記載の三次元構造物。 142. The three-dimensional structure according to claim 141, wherein the single-walled carbon nanotube has multifunctional derivatives at many positions on the single-walled carbon nanotube. ファンデルワールス吸引力の結果として前記単層カーボンナノチューブが集成される請求項141記載の三次元構造物。 142. The three-dimensional structure of claim 141, wherein the single-walled carbon nanotubes are assembled as a result of van der Waals attraction. 電磁気的性質を有する請求項141記載の三次元構造物。 142. The three-dimensional structure according to claim 141, having electromagnetic properties. 前記電磁気的性質が機能的に特定の薬剤によって測定される請求項141記載の三次元構造物。 142. The three-dimensional structure of claim 141, wherein the electromagnetic property is measured functionally by a specific agent. 対称的である請求項141記載の三次元構造物。 142. The three-dimensional structure of claim 141, which is symmetrical. 対称的ではない請求項141記載の三次元構造物。 142. The three-dimensional structure of claim 141, which is not symmetrical. 生物学的性質を有する請求項141記載の三次元構造物。 142. The three-dimensional structure according to claim 141, having biological properties. 生化学反応の触媒として作用する請求項149記載の三次元構造物。 The three-dimensional structure according to claim 149, which acts as a catalyst for a biochemical reaction. 生体組織と相互作用する請求項149記載の三次元構造物。 The three-dimensional structure according to claim 149, which interacts with a biological tissue. 生体系の機能と相互作用させるための薬剤として働く請求項149記載の三次元構造物。 149. The three-dimensional structure according to claim 149, which acts as a drug for interacting with the function of a biological system. 少なくとも1つの単層カーボンナノチューブ導電素子を含み、前記少なくとも1つのナノチューブが所望の電流レベルおよび所望の電圧レベルに対して選ばれた長さを有する光捕集アンテナ(light harvesting antenna)。 A light harvesting antenna comprising at least one single-walled carbon nanotube conductive element, wherein the at least one nanotube has a length selected for a desired current level and a desired voltage level. 前記少なくとも1つの単層カーボンナノチューブがショットキー障壁(Schottky barrier)を形成する請求項153記載の光捕集アンテナ。 154. The light collecting antenna of claim 153, wherein said at least one single-walled carbon nanotube forms a Schottky barrier. 請求項153記載の光捕集アンテナ配列。 154. The light collection antenna array of claim 153. 前記配列が自己集合によって形成される請求項155記載の光捕集アンテナ配列。 165. The light collection antenna array of claim 155, wherein the array is formed by self-assembly. 少なくとも1つの単層カーボンナノチューブを含むモレキュラーエレクトロニクス成分(molecular electronic component)。 A molecular electronic component comprising at least one single-walled carbon nanotube. 前記モレキュラーエレクトロニクス成分が全波整流をもたらすためのブリッジ回路であり、前記ブリッジ回路が、
4個の単層カーボンナノチューブを含み、前記4個の単層カーボンナノチューブがそれぞれ正方形の一辺を形成して4個のバキーボール(buckyball)中の2個に結合され、前記4個のバキーボールがそれぞれ前記正方形の角に配設される
請求項157記載のモレキュラーエレクトロニクス成分。
The molecular electronics component is a bridge circuit for providing full-wave rectification, and the bridge circuit includes:
4 single-walled carbon nanotubes, each of the four single-walled carbon nanotubes forming one side of a square and bonded to two of four buckyballs, and each of the four bakeyballs is 158. The molecular electronics component of claim 157 disposed at a corner of a square.
前記バキーボールおよび単層カーボンナノチューブが機能的に特定の結合剤を包含するように誘導される請求項158記載のブリッジ回路。 159. The bridge circuit of claim 158, wherein the bakey ball and single-walled carbon nanotube are derived to functionally contain a specific binder. フラーレンダイオードである請求項157記載のモレキュラ−エレクトロニクス成分。 158. The molecular electronics component of claim 157, which is a fullerene diode. 少なくとも1個の単層カーボンナノチューブを含むナノスケールマニプレータ−(nanoscale manipulator)。 Nanoscale manipulator comprising at least one single-walled carbon nanotube. ナノホーセプツ(nanoforcepts)である請求項161記載のナノスケールマニプレータ−。 The nanoscale manipulator according to claim 161, which is nanoforcepts.
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