JP2003528755A - レイヤ−バイ−レイヤプロセスを用いるフリースタンディング膜の組立 - Google Patents
レイヤ−バイ−レイヤプロセスを用いるフリースタンディング膜の組立Info
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Abstract
Description
フリースタンディング膜の組立方法に関する。より具体的には、これに限定はさ
れないが、本発明は、膜がまず可溶性もしくは除去可能な基体に組み立てられる
超薄膜の製造方法に関する。膜組立の完了で、基体は適宜の溶媒中に溶解するか
、もしくはフリースタンディング膜を残して他の手段により除去される。
薄膜技術は、中でも、情報保存システム、化学および生物学的センサー、繊維光
学システム、マグネト光学および光学デバイス、透過蒸発(パーベーパレーショ
ン)膜、保護コーティングおよび発光ダイオードを含むますます増大する異なる
技術用途に現在用いられている。そのような膜を調製する現行技術には、化学蒸
着(離散無機粒子は含まれない)、ゾルゲル技術(均一膜を得るために焼結でき
る多孔質材料を製造する)もしくはコロイドディスパージョンからの堆積(スピ
ンコーティング、浸漬コーティング、Langmuir-Blodgett 堆積など)が含まれる
。
るポリマーにしばしば用いられ、かつ最近ナノ粒子の薄膜調製に適用されている
薄膜堆積方法である。それにより製造される高品質膜により完全なものとされる
その簡易性および普遍性は、レイヤ−バイ−レイヤプロセスを他の薄膜堆積技術
の魅力的な代案とする。LBLは種々様々な水溶性化合物に適用でき、特にナノメ
ートル厚さの層が特定のオーダで組織される成層化薄膜の製造に好適である。そ
のようなプロセスは、その内容すべてが本明細書に取り込まれる米国特許出願シ
リアル第60/151,511号および第09/492,951号に記載されて
いる。
ァーなどの固体基体材料の上に組み立てられる。膜材料の基体上への堆積は、高
分子電解質および他の高分子量種が固液界面に吸着されるときにしばしば起こる
表面電荷の過補償により可能とされる循環式で実施される。本明細書で用いられ
るとき、「高分子量」材料とは、約1000原子ユニットよりも大きい分子量を
有するプロテイン、ナノ粒子、表層剥離クレーならびに他の有機および無機種を
含むポリマーを意味する。レイヤ−バイ−レイヤ組立プロセスの1つの例におい
て、基体調製後、膜が下記工程のプロセスを繰り返すことにより基体の上に堆積
される:1)高分子電解質の水溶液への基体の浸漬;2)ニート溶媒で洗浄;3
)ナノ粒子の水性ディスパージョンへの浸漬;および4)ニート溶媒で最終洗浄
。このプロセスは、所望材料の特定の特性を得るのに必要な層数に応じて必要な
回数繰り返される。
傷のままである用途に限定されていた。このことは膜の最小厚さを限定し、この
プロセスにより製造されるフィルムの用途を基体材料の許容するものに限定する
。しかし、本発明は、これらおよび他の限界を克服して、組立られた薄膜が基体
から分離されてフリースタンディング薄膜材料を形成してもよいプロセスを提供
する。
れる。この技術において、膜の構造はキャスト材料の化学構造により決定される
。不混和性溶媒の上へのキャストもしくは事後の表面グラフトを含むこの一般的
方法の拡張も、化学的に改変された膜表面を有する不斉膜を生成することができ
る。
スタンディング薄膜材料の組立方法を提供することである。 本発明のさらなる目的は、組立薄膜材料が組立材料の操作を可能とする構造特
性を示す、レイヤ−バイ−レイヤプロセスを用いたフリースタンディング薄膜材
料の組立方法を提供することである。
御を可能とする、フリースタンディング薄膜材料の組立方法を提供することであ
る。
合物の膜構造への組み込みを可能とする、フリースタンディング薄膜材料の組立
方法を提供することである。
なくとも1つの層が表層剥離モンモリロナイトクレープレートレットなどの不活
性構造安定化要素を含むか、もしくはレイヤ−バイ−レイヤ膜の架橋が達成され
る、フリースタンディング薄膜材料を提供することである。
フリースタンディング薄膜材料の組立方法で達成される。最初に、所望シーケン
スの層を、LBL技術を利用して基体の上に組み立てる。この工程で、薄膜もしく
は膜の構造および機能性が定義される。第二に、フリースタンディング薄膜もし
くは膜を残して、基体を組立層から分離する。この形で、もしくは小さい改変の
後、薄膜もしくは膜を指名された用途で用いることができる。
体の上で実施される。ある程度の構造的精巧化および/または所望の厚さが達成
されると、組立薄膜材料は基体から分離される。可溶性基体を適宜の有機溶媒で
溶解し得るし、あるいは基体を、膜と基体とを接続する層の分解もしくは改造な
どの他の手段により除去することも可能である。いくつかの例において、調製さ
れた膜を基体から機械的に除去することができる。
浸漬サイクルの実現化のために、可溶性基体はガラススライドにより支持される
。レイヤ−バイ−レイヤ組立は、下記工程により従来の方法で実施される:1)
支持基体を水溶性第一物質の第一水溶液に浸漬し(前記第一物質は前記基体に対
して親和力を有する);2)脱イオン水、メタノールもしくは適用される物質を
含まない他の適宜の組成物など、ニート溶媒中でリンスし;3)水溶性第二物質
の第二水溶液中に浸漬し(前記第二物質は前記第一物質に対して親和力を有する
);そして4)ニート溶媒中でリンスする。これらの工程は、所望数の層が堆積
されるまで循環式で繰り返される。本明細書で用いられるとき、1つの物質は、
静電引力を介して、あるいはファンデルワールス力、水素力もしくは電子交換に
よって別の物質に対して親和力を有すると言える。
層に吸着される物質は、異なる材料の層が要求される機能性もしくは要求される
機能の組合せに応じて組み合わせることができるように、容易に変化させ得る。
したがって、高分子電解質、染料、ナノ粒子(金属、半導電、磁気などの)、ポ
リマー、プロテイン、ベシクル、ウイルス、DNAs、RNAs、オリゴヌクレオチド、
有機および無機コロイドならびに他の物質の単層の、例えば、それに対して親和
力を有する高分子電解質の層への逐次吸着は、ほとんどの用途における膜の生物
学的活性およびその性能の改善を保持しながら、膜構造に対する未曾有の制御、
多機能膜の製造、膜構造への生物学的化合物の導入を可能とする。
るいは代替的に基体を他の化学処理、熱処理、pH変化、イオン強度変化もしく
は適切な分離を達成するのに好適な他の手段により除去してもよい。1つの例で
は、膜を金属ガリウム基体の上に組み立ててもよく、その基体は溶融される。基
体を除去した後、フリースタンディング薄膜が残される。
薄くてもよい。表層剥離モンモリロナイトクレープレートレットの層が膜に堆積
される工程を含むことにより、膜の機械的強度を徹底的に改善し得ることが見出
された。代替的に、膜の機械的性質を改善するため膜間の架橋を達成するために
、化学、放射線、光もしくは他の手段を用いることもできる。
超薄膜としてこれらの組立の利用を可能とし、その例には、これらに限定はされ
ないが、下記を含む:気体分離;脱塩;汚染除去;イオン分離;検出デバイス;
光学デバイス;マイクロ機械的デバイスおよび保護デバイス、ならびに皮膚補形
術、生物適合移植組織、細胞膜、人工器官および人工血管ならびに角膜などの生
物学的デバイスの創製。無機コロイドからのそのような膜の調製は、豊富な範囲
の機械的、化学的、光学、電気および磁気特性を与える。これらの特性は、ポリ
マーの機械的耐久性、およびやはりLBL膜に組み込むことができるプロテイン、D
NAs、RNAsなどの生物学的活性により完全なものとされる。それらの調製のLBLモ
ードは、それらの伝統的な製造方法ではほとんど達成できないそのような膜の構
造的組織の程度を可能とする。
付随図面とともになされた下記詳細な説明から当業者には明らかとなろう;そこ
には本発明の好ましい実施態様が、本発明を実施するために企図される最良のモ
ードを説明する目的のみで示され、かつ記載されている。
に記載される工程にその用途が限定されてはいないことを理解することが重要で
ある。本発明は、他の実施態様および種々の方法での実践もしくは実施が可能で
ある。本明細書に用いられる言い回しおよび用語は説明のためであり、限定のた
めではないことを理解すべきである。
立技術による単層もしくは多層のフリースタンディング超薄膜の組立を包含する
。本発明の方法において、薄膜材料は、最初に基体の上に組み立てられる。所望
数の層が適用された後に、フリースタンディング薄膜を残して、基体を除去する
。
組立方法は、下記工程を含む: 表面汚染物を除去するために洗浄された適宜の支持体の上で、適宜の溶媒に溶
解させた基体材料の溶液を支持体の表面にキャストし; 溶媒を蒸発させて支持体の表面に基体の膜を残し; 下記副工程により薄膜材料の少なくとも1つの層を形成し: a)第一物質の1つの層を基体に適用するための、第一物質の第一水溶液
もしくはディスパージョンへの基体の浸漬(前記第一物質は前記基体に対して親
和力を有する); b)基体をニート溶媒でリンス; c)第二物質の1つの層を第一物質に適用するための、第二物質の第二溶
液もしくはディスパージョンへの基体の浸漬(前記第二物質は前記第一物質に対
して親和力を有する);および d)ニート溶媒で最終洗浄; 前記第一および第二物質の所望数の層(もしくは適宜の親和力の異なる物質の
層)を堆積するために前記副工程を繰り返して必要な厚さを達成もしくは所望の
特性を得; 基体および膜を支持体からユニットとして剥離し;そして 薄膜を傷つけることなく基体材料を溶解する適宜の溶媒に基体および膜を浸漬
する。
活性材料を含んでもよい。 可溶性基体が用いられるとき、基体材料は下記条件によってのみ限定される:
1)薄膜材料を傷つけない有機溶媒に可溶性であること;および2)膜の基礎と
して働き、第一膜層を形成する第一適用物質と親和力を有すること。これらの要
件は、例えば、水に不溶性であるが室温でアセトンには容易に溶解する好ましい
基体であるセルロースアセテートで満たされる。付随すると、セルロースアセテ
ートの表面は、50〜55度の接触角を示し、かなり親水性である。それは、ま
た表面エステル基の部分的加水分解からいくらかの陰電荷をもたらす。
ージョンは、陽電荷高分子電解質を含む。高分子電解質と基体との間の静電引力
は、高分子電解質層の基体への吸着をもたらす。しかし、第一物質は、前述した
ように、陽静電荷を有して溶液もしくはディスパージョンに含まれるか、あるい
は基体に対して親和力を有する種々の材料の1つであってもよいことが理解され
るべきである。
おいて、例であって限定ではないが、高分子電解質、ポリマー、プロテイン、染
料、金属および半導体ナノ粒子、磁気ナノ粒子、ベシクル、ウイルス、DNA、RNA
などの陰電荷材料を含む。
して、所望の膜特性をもたらす複数の物質の層の逐次吸着を達成してもよい。 上記プロセスは、所望レベルで膜に吸着された種々の異なる材料の堆積を可能
とする。本発明のプロセスの1つの実施態様において、表層剥離モンモリロナイ
トクレープレートレット、炭素ナノチューブ、炭素繊維もしくは類似の材料など
の不活性構造安定化要素を膜に堆積して、結果として得られる膜の機械的特性を
改善する。
、より具体的には図1を参照すると、本発明の好ましい実施態様により構成され
た薄膜10が図示されている。膜10は、実施例では、有機溶媒に可溶性である
基体12の上に形成される。基体12は、好ましくは支持体14の上に堆積され
て浸漬プロセスを助ける。1つの物質16の個々の層を、LBL組立プロセスによ
りそれに対して親和力を有する別の物質18の層で分離した層に配置する。
しくはガラススライド、珪素ウェファーもしくは他の適宜の硬質構造部材である
。好ましくは、基体12を支持体14の清浄表面にキャストする。次に、膜10
を、上で概要を述べたレイヤ−バイ−レイヤ技術で、第一物質18、例えば、陽
電荷の層および第一物質16に対して親和力を有する第二物質、例えば、陰電荷
の層を交互に置くことにより基体12の上に組み立てる。
らユニットとして剥離する。ついで、膜10および基体12を分離する。溶解に
よるなら、膜10および基体12を、膜10を無傷のままにして基体12を溶解
する適宜の溶媒中に置く。図2を参照すると、基体12の完全な除去で、所望の
構造のフリースタンディング膜10が残される。
ナイトクレープレートレット22が陰材料の1つおき浸漬で膜20に堆積されて
結果として得られる膜の構造特性を改善する。図からわかるように、このプロセ
スは、交互するクレー22の層および陽電荷材料18の層で分離された陰電荷材
料16の1つ以上の追加層をもたらす。
ースアセテートの15%溶液を2、3滴スライドの上にキャストし、広げて均一
なコーティングを形成した。スライドをただちにデシケーター中に置き、溶媒を
徐々に蒸発させた。膜が凝固したとき、アセトンの痕跡は真空で完全に除去され
た。
テートコーティングされたスライドをポリ(ジメチルジアリルアンモニウムブロ
ミド)400‐500kDa、Pの1%水溶液中に1分間浸漬し;2)脱イオン
水中で1分間リンスし;3)陰電荷コロイド溶液中に1分間浸漬し;そして4)
脱イオン水中でリンスする。
膜を作った。磁鉄鉱ナノ粒子の水性ディスパージョンを、その内容すべてが本明
細書に取り込まれるCorrea-Duarte, M. A.; Giersig, M.; Kotov, N. A.; Liz-M
arzan, L. M.のLangmuir, 1998, 14, 6430-6435により公表された手順により調
製した。簡単にいうと、2MのHCl中のFeCl3(1M)20mLおよびFeSO4(2
M)5mLを急速な機械的攪拌の下でNH4OH(0.7M)250mLに添加し、
これを30分間継続させた。黒色固体生成物を磁石の助けでデカントした。つい
で、沈降物を50mLの蒸留水に再分散させ、続いて10mLのテトラメチルア
ンモニウムヒドロキシド溶液(1M)の3アリコートを、再び急速に攪拌しなが
ら添加した。最後に、水を全量250mLまでディスパージョンに添加した。こ
のようにして、結晶の、およそ球状の磁鉄鉱ナノ粒子の安定したディスパージョ
ンを、平均直径12nmで得た。
が、粒子の物理的接触を防ぐバルキーなテトラアルキルアンモニウム陽イオンの
物理吸着にも起因した。陽単層との静電およびファンデルワールス相互作用はコ
ロイドの不安定化を生じ、それは吸着を実質的に不可逆にした。同時に、膜表面
により獲得した陰電荷は、吸着を本質的にナノ粒子の単層に限定した。堆積プロ
セスの循環性質ゆえに、n堆積サイクルで製造された膜を、今後(M)nと称する
。1つの浸漬シーケンス(M)1は、8±0.5ナノメートルの平均厚さを有する
高分子電解質‐磁鉄鉱層組合せの添加をもたらした。この増分は、組立が進むに
つれて積分光学濃度の直線性から観察されるように、少なくとも50回の堆積サ
イクルの間実質的に不変だった。(M)1の原子間力鏡検法像は、膜が密にパック
されたナノ粒子でできていることを示した。
LBL膜とともにガラス支持体から剥離し、アセトンに24時間浸漬した。基体は
、溶液中に遊離して懸濁した暗色の膜を残して溶解した。膜をフレッシュなアセ
トン浴に移し、残りのセルロースアセテート分子を完全に洗い流した。期待通り
、このプロセスを通して得られた薄膜は、ナノ粒子の磁気特性を保持した:膜は
、波の様に溶液を通ってビーカーの側近くに置かれた永久磁石に向かって移動し
た。
された膜、すなわち、(M)15および(M)30の厚さが数百ナノメートルの範囲に
あったという事実に照らして見ると、それらを極めて脆いとみなしてもよい。
するために、1つおきの磁鉄鉱層を表層剥離モンモリロナイトクレープレートレ
ットの層と交換してよく、それのn層の組立を、今後(C/M)nと称する。クレー
プレートレットは1.0ナノメートルの厚さを有し、一方他の寸法では150〜
300ナノメートルまで延びる。高分子電解質については、それらは、3.8±
0.3ナノメートルの平均厚さを有するオーバーラップするアルモシリケートシ
ート層を形成した。実質的に基体の表面に平行して吸着されるので、それらの大
きなサイズは、それらが一度におよそ400ナノ粒子を覆うことを可能とし、そ
れにより組立体を接合する。上で概要を述べた手順に従って調製された(C/M)3 0 フリースタンディング膜を、容易にピンセットでピックアップし、移し、切断
し、固体表面の周りに移動させ、かつ他の方法で取り扱うことができよう。この
構造を利用して、5つほどの繰り返しC/Mユニットを有するフリースタンディン
グ膜を組み立てた。アルモシリケートのフレーム構造なしで、これは不可能だっ
た。
透過電子鏡検法(TEM)により検査した。光学鏡検法像は、膜が連続的かつ軟質
であることを表示した。TEMで測定された膜の厚さは350ナノメートルで、累
積的MおよびC層を追加することにより予想された見積もりと実質的に一致した。
(C/M)30膜は、以下のとおりである: (3.8(nm/アルモシリケート層)+8.0(nm/磁鉄鉱層))*30
層=354nm 前述の実施例で先に測定された許容度内に十分ある。
に、組立膜の両面の同一性を確立することが重要だったが、このことは膜の強度
に貢献したであろう。堆積中に溶液に面する側(図4)およびセルロースアセテ
ート側(図5)で取られた走査電子鏡検法およびXPSデータは、組成物およびレリ
ーフの両方に関してそれぞれの表面の完全な同一性を示した。特に、Fe 2p1 1
00およびFe 3p3 102ピーク(それぞれ1121 eVおよび1198 eV)
の観察は、もしセルロースアセテートが、数ナノメートルの膜ですら残っていた
ら、膜のセルロースアセテート側では不可能だったであろう。このことは、基体
からのリフトオフ後の膜の自立性質を明らかに示す。膜の両面についての炭素1s ピーク104の強度に参照される鉄ピークの同一の強度は、セルロースアセテ
ート除去の完全さを明らかに示す。
ロテイン、染料、金属および半導体ナノ粒子、ベシクル、ウイルス、DNAなどに
拡張できることは、当業者には明らかであろう。与えられた膜の機能特性を、層
シーケンスを変化させることにより調整してもよい。
様々な薄膜組立に適用できることも、当業者には明らかであろう。 ***** 本発明をある程度の具体性をもって記載したが、多くの変更がこの開示の精神
および範囲から逸脱することなく組立プロセスの詳細でなされてもよいことは明
らかである。本発明が例示の目的で本明細書に記載された実験方法に限定されな
いことは理解される。
た膜の断面図である。
ンディング膜の断面図である。
る。
スペクトルを与える。
Claims (8)
- 【請求項1】 下記工程を含む薄膜の組立方法: (a)基体を支持体表面に適用し; (b)下記の副工程により前記基体上に薄膜を形成する: (i)前記基体を第一物質の第一水溶液もしくはディスパージョンに浸漬
し(前記第一物質は前記基体に対して親和力を有する); (ii)前記基体をニート溶媒でリンスし; (iii)前記基体を第二物質の第二溶液もしくはディスパージョンに浸漬
し(前記第二物質は前記第一基体に対して親和力を有する); (iv)前記基体をニート溶媒でリンスし; (d)前記支持体から前記薄膜と共に前記基体を除去し;そして (e)前記基体を前記薄膜から分離する。 - 【請求項2】 さらに下記の追加工程を含む、請求項1に記載の方法: (b)(v) 工程(b)(i)〜(b)(iv)を所定回数繰り返す。
- 【請求項3】 工程(b)(i)の少なくとも1つの繰り返しについて、さ
らに前記第一物質の前記溶液もしくはディスパージョンを第三物質の溶液もしく
はディスパージョンと取り替えることを含む(前記第三物質は前記第一物質に類
似の親和力を有する)、請求項2に記載の方法。 - 【請求項4】 工程(b)(i)の少なくとも1つの繰り返しについて、物
質の前記溶液もしくはディスパージョンは生物学的化合物のものである、請求項
3に記載の方法。 - 【請求項5】 工程(b)(iii)の少なくとも1つの繰り返しについて、
さらに前記第二物質の前記溶液もしくはディスパージョンを第三物質の溶液もし
くはディスパージョンと取り替えることを含む(前記第三物質は前記第二物質に
類似の親和力を有する)、請求項2に記載の方法。 - 【請求項6】 工程(c)(iii)の少なくとも1つの繰り返しについて、
物質の前記溶液もしくはディスパージョンは生物学的化合物のものである、請求
項5に記載の方法。 - 【請求項7】 工程(c)(i)もしくは(c)(iii)の少なくとも1つ
の繰り返しについて、さらに構造安定化材料の溶液もしくはディスパージョンを
置換することを含む、請求項2に記載の方法。 - 【請求項8】 請求項1の方法により構成される薄膜。
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