JP2005034970A - パターン配列化カーボンナノ物質構成体およびその製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】 物質の特性の評価や、電界放出ディスプレイからガス貯蔵、生物的認識や薬運搬など様々な応用に適用することのできるパターン配列化カーボンナノ物質構成体とその製造方法を提供する。
【解決手段】 基板表面に固定された芳香族多環分子もしくはグラファイト構造を有するカチオンにカーボンナノ物質が一層かつ所定パターン配列で固定されている構成体とする。
【選択図】 図２

Description

この出願の発明は、パターン配列化カーボンナノ物質構成体とその製造方法に関するものである。さらに詳しくは、この出願の発明は、物質の特性の評価や様々な応用に適用することができるパターン配列化カーボンナノ物質構成体とその製造方法に関するものである。
カーボンナノチューブをはじめとするナノ構造体は新しいナノ技術領域を拓くものとして注目されており、電子デバイス、センサー、燃料電池等としての応用も期待されている。また、この出願の発明者らによって、単層カーボンナノホーン集合体（ＳＷＮＨｓ）や単層カーボンナノチューブ（ＳＷＮＴ）の技術展開はこのようなナノテクノロジーを主導するものともなっている（たとえば、特許文献１および２）。
特開２００２−１５９８５１ 特開２００２−１５４８１３
ナノテクノロジーの進展にともなって、固体表面にパターン配列化されたナノスケール物質の構築物は、それらナノスケール物質の基本的な特性の調査や、ナノスケール物質を応用するのに重要な鍵となってきている。とくに電界放出ディスプレイからガス貯蔵、生物的認識や薬運搬など様々な応用に適用可能な単層カーボンナノチューブや単層カーボンナノホーン集合体といったカーボンナノ物質がそのターゲットとなる。
しかしながらこれまで、カーボンナノ物質を固体表面に固定する方法は見出されておらず、そのような方法が強く求められていた。
そこで、この出願の発明は、以上のとおりの事情に鑑みてなされたものであり、従来技術の問題点を解消し、物質の特性の評価や様々な応用に適用することができるパターン配列化カーボンナノ物質構成体とその製造方法を提供することを課題としている。
この出願の発明は、上記の課題を解決するものとして、まず第１には、基板に固定された芳香族多環分子もしくはグラファイト構造を有するカチオンにカーボンナノ物質が単層かつ所定パターン配列で、すなわち準一層で固定されていることを特徴とするパターン配列化カーボンナノ物質構成体を提供する。
第２には、この出願の発明は、第１の発明において、芳香族多環分子もしくはグラファイト構造を有するカチオンに固定されるカーボンナノ物質が単層カーボンナノホーン集合体（ＳＷＮＨｓ）もしくは単層カーボンナノチューブ（ＳＷＮＴ）であることを特徴とするパターン配列化カーボンナノ物質構成体を提供し、第３には、芳香族多環分子は、置換基を有してもよいナフタレン、アセトラセンまたはピレンであることを特徴とするパターン配列化カーボンナノ物質構成体を提供する。
第４には、基板は、酸化物表面を有する固体もしくは表面にヒドロキシル基形成可能な固体であることを特徴とするパターン配列化カーボンナノ物質構成体を提供する。
また、この出願の発明は、第５には、基板にカーボンナノ物質が一層かつ所定パターン配列で固定されていることを特徴とするパターン配列化カーボンナノ物質構成体を提供し、第６には、カーボンナノ物質が単層カーボンナノホーン集合体（ＳＷＮＨｓ）もしくは単層カーボンナノチューブ（ＳＷＮＴ）であることを特徴とするパターン配列化カーボンナノ物質構成体を提供する。
そしてこの出願の発明は、第７には、所定のパターン配列で基板に固定された芳香族多環分子もしくはグラファイト構造を有するカチオンにカーボンナノ物質を一層かつ所定のパターン配列で固定させることを特徴とするパターン配列化カーボンナノ物質構成体の製造方法を提供し、第８には、基板表面を終端している水酸基に、アミノシラン二官能性分子を反応させて酸化物表面をアミノ基で覆い、次いでスクシンイミドエステル芳香族多環分子体を反応させることにより芳香族多環分子を固定し、さらにその芳香族多環分子にカーボンナノ物質を単層かつ所定のパターン配列で固定させることを特徴とするパターン配列化カーボンナノ物質構成体の製造方法を、
第９には、第７または８の発明において、カーボンナノ物質が単層カーボンナノホーン集合体（ＳＷＮＨｓ）もしくは単層カーボンナノチューブ（ＳＷＮＴ）であることを特徴とするパターン配列化カーボンナノ物質構成体の製造方法を提供する。
さらにこの出願の発明は、第１０には、前記いずれかに記載の方法で製造された構成体を加熱して有機分子を分解させて基板にカーボンナノ物質が一層かつ所定のパターン配列で固定された構成体を生成させることを特徴とするパターン配列化カーボンナノ物質構成体の製造方法を提供する。
以上詳しく説明したとおり、この出願の発明によって、物質の特性の評価や、電界放出ディスプレイからガス貯蔵、生物的認識や薬運搬など様々な応用に適用することのできる、パターン配列化カーボンナノ物質構成体が提供される。
この出願の発明のパターン配列化カーボンナノ物質構成体は、基板表面に固定された芳香族多環分子もしくはグラファイト構造を有するカチオンにカーボンナノ物質が一層かつ所定のパターン配列：準一層で固定されていることを大きな特徴としている。この場合のカーボンナノ物質の固定は、芳香族多環分子とのπ−π相互作用によるか、あるいはグラファイト構造を有するカチオン分子とのカチオン−π相互作用による強い固定力によって実現されている。
この出願の発明において、前記の芳香族多環分子としては、ナフタレン、アセトラセン、フェナントレン、ピレン等の縮合環系分子や非縮合系のもの、さらには、キノシン等の複素環系のものが考慮される。なかでも縮合環系分子が好適である。また、これらの芳香族多環分子は、許容される範囲においてアルキル基、アルケニル基、アルコキシ基、エステル基、ニトロ基等の置換基を適宜に有していてもよい。
また、この出願の発明においては、各種のグラファイト構造を有するカチオン分子が考慮されてよい。たとえば、イミダゾリウムテトラフルオロボレート等のものが例として挙げられる。
以上のような、パターン配列化カーボンナノ物質構成体は、カーボンナノ物質が一層かつ所定のパターン配列：準一層で固定されていることから、それら固体表面に固定されたカーボンナノ物質の基本的な特性を容易に測定、分析することができ、芳香族多環分子もしくはグラファイト構造を有するカチオンに固定されるカーボンナノ物質として電界放出ディスプレイやガス貯蔵、生物認識あるいは薬運搬など様々な分野への応用が期待できる単層カーボンナノホーン集合体（ＳＷＮＨｓ）もしくは単層カーボンナノチューブ（ＳＷＮＴ）を好適に用いることができる。
そして、この出願の発明のパターン配列化カーボンナノ物質構成体は各種の方法を用いて製造することが可能である。所定パターン配列で基板に固定された芳香族多環分子もしくはグラファイト構造を有するカチオンとカーボンナノ物質とを接触反応させればよい。
具体的にも各種の手順、プロセスによってこのような方法が実現される。たとえば、基板表面を終端した水酸基に、アミノシラン二官能性分子を反応させて固体酸化物表面をアミノ基で覆い、そのアミノ基にスクシンイミドエステル芳香族多環分子体を反応させることにより芳香族多環分子をパターン化固定し、さらにその芳香族多環分子にカーボンナノ物質を一層かつ所定のパターン配列：準一層で固定させることを大きな特徴としており、上記のような方法を用いることで、パターン配列化カーボンナノ物質構成体を容易かつ適切に製造することができる。
カーボンナノ物質としては様々なものを用いることができるが、とくに単層カーボンナノホーン集合体（ＳＷＮＨｓ）もしくは単層カーボンナノチューブ（ＳＷＮＴ）を好適に用いることができる。これらのカーボンナノ物質については、水中への分散を良好とするために、あらかじめ酸化処理して親水性を付与しておいてもよい。この酸化処理は、たとえば単層カーボンナノホーン集合体（ＳＷＮＨｓ）の場合には温度４００〜４５０℃の範囲において、大気圧下で酸素ガスを用いて行うことができる。また、カーボンナノ物質を水中で超音波処理させ、遠心分離を行い、その上澄み液をろ過することで、十分に分散したカーボンナノ物質とすることができ、そのカーボンナノ物質を用いることで、高品質なパターン配列化カーボンナノ物質構成体を容易に製造することができる。
図１は、この出願の発明のパターン配列化カーボンナノ物質構成体の製造方法を例示した模式的反応工程図である。
たとえば図１に示すように、まずアミノシラン二官能性分子を基板表面を終端している水酸基と反応させ、アミノ基でカバーされた表面を形成する。次いでこの表面のアミノ基をスクシンイミドエステルピレン類等と反応させて、たとえばピレンに終端された層を形成する。さらに、たとえばピレンに単層カーボンナノホーン集合体あるいは単層カーボンナノチューブなどのカーボンナノ物質（Ａ）を一層かつ所定のパターン配列で固定させることでパターン配列化カーボンナノ物質構成体を製造する。
ピレン等の芳香族多環分子へのカーボンナノ物質の前記のとおりの限定された準一層での固定化は両者の強いπ−π相互作用によるものである。
この出願の発明における基板としては、芳香族多環分子やグライファイト構造を有するカチオン分子を固定化しやすい固体であれば各種のものであってよい。
なかでも、その表面が酸化物層を有している固体や、表面にヒドロキシル基形成可能な固体が好適なものとして考慮される。固体酸化物としては、ＳｉＯ2、ＳｎＯ2、ＴｉＯ2、ＩＴＯ等の無機酸化物の各種のもの、あるいは有機複合体の酸化物等の各種のものであってよい。これらの酸化物については、たとえばＳｉ基板の熱酸化による表面酸化物のパターニングによってあらかじめ酸化物部位をパターン化しておくことができる。
カーボンナノ物質の準一層でのパターン配置は、固定化されたピレン等の芳香族多環分子の存在位置がパターン化されていることによって容易に実現される。つまり、図１の反応が制御されればよい。
そして、この出願の発明によれば、加熱処理によって前記の芳香族多環分子やグラファイト構造を有するカチオン分子を構成する有機分子を分解させて、基板にカーボンナノ物質が一層かつ所定パターン配列で固定された構成体も提供される。有機分子の分解による新しい結合の生成が考慮される。
準一層ＳＷＮＨ等は電界放出ディスプレイに用いられ、ナノ摩擦学や細胞粘着、生物認識にも有用である。蜂の巣状に配列された光学バンドギャップ構造も形成される。ＳＷＮＨ等によるガス吸収は溶媒の中で誘電係数を変えることができ、高い選択性と感受性を有するガスセンシングとして用いることが可能となる。
また、ＳＷＮＨを炭素繊維やグラス繊維に固定することで、紙状溶媒はガスまたは溶液の化学試薬のろ過に用いることが期待できる。
さらにまた上記のような物質に固定した一層ＳＷＮＨをＤＮＡ、タンパク質、あるいは慣用ポリマーなどのの生物分離のためにクロマトグラフィーに用いることができる。また、ピレン付着ＤＮＡ検出ストランドにより生物解析図が想定できる。ＳＷＮＨの集合により、その検出したＤＮＡストランドの共焦の顕微鏡あるいは平面スキャナーをラマンシグナルまたは表面上のＳＷＮＨの黒点の軌跡を形成するのに用いることもできる。
以下、添付した図面に沿って実施例を示し、この出願の発明の実施の形態についてさらに詳しく説明する。もちろん、この発明は以下の例に限定されるものではなく、細部については様々な態様が可能であることは言うまでもない。
Ｓｉの熱酸化によるＳｉＯ2表面を有する固体酸化物表面と、ＩＴＯ（酸化インジウム錫）薄膜を有する固体酸化物表面とを用意した。
この各々の表面に対して、図１の反応式に従って反応を行わせ、ピレンを固定した。この場合の手順は、たとえばＳｉＯ2表面の場合を例として説明すると以下のとおりである。
１）すなわち、まず、ＳｉＯ2表面基板を、ＨＣｌ：ＣＨ3ＯＨ（１：１体積、３０分）溶液中に浸漬し、次いで硫酸に３０分浸漬し、Ｈ2Ｏで５分間沸とうさせた。これにより表面ＯＨ（ヒドロキシル）基の存在を最大化した。
２）その後、図１中のアミノシラン分子（Ｉ）（１ｍＭの酢酸水溶液の１％）溶液中に２０分間浸漬し、次いで、１２０℃のホットプレート上に４分間載置してアニールした。
３）アニール後の基板を、５００μｌの四ホウ化ナトリウム緩衝水溶液（０．１Ｍ、ｐＨ８．５）と４００μｌのＤＭＦの混合液に１ｍｇの図１中のピレン分子（II）を添加した混合溶液と接触反応させた。
これによってピレンがパターン化固定された酸化物表面を実現した。
固体酸化物表面への準一層ＳＷＮＨｓの形成はＳＷＮＨの水溶液分散が重要になるため、酸化処理したＳＷＮＨｓをＨ2Ｏの中で１時間超音波処理し、遠心分離を５分間１０ｋｒｐｍで行い、そして上澄み液を０．４５μｍガラスフィルターでろ過した。これらの工程後には、ＳＷＮＨｓの分散は比較的安定したものとなった。
ピレン固定化によりパターン化された酸化物をその分散液に液浸させることでその酸化物表面に準一層のパターン配列されたＳＷＮＨｓ構成体を形成した。
準一層のパターン配列されたＳＷＮＨｓ構成体を図２および図３に例示した。図２はＳｉの熱酸化表面（ＳｉＯ2表面）におけるＳＷＮＨｓのパターン固定を例示しており、図３はＩＴＯ（Indium-Tin-Oxide：酸化インジウム錫）の薄膜表面におけるＳＷＮＨｓのパターン固定を例示している。
図４は、ＳｉＯ2表面に固定された前記のＳＷＮＨｓについて、真空中で１０００℃に加熱した後の状態を例示した写真である。ＳＷＮＨｓは強固にＳｉＯ2表面に固定されていることがわかる。
また、この出願の発明のパターン配列化カーボンナノ物質構成体の製造方法を好適に用いることのできるＳＷＮＨｓ以外のナノスケールの炭素物質として単層カーボンナノチューブ（ＳＷＮＴ：single-walled carbon nanotube）が挙げられる。図５の写真は準一層のＳＷＮＴをＳｉＯ2に固定した状態を例示している。また図６にそのときのラマンスペクトルを示している。
この出願の発明のパターン配列化カーボンナノ物質構成体の製造方法の工程の一例を例示した図である。 この出願の発明のパターン配列化カーボンナノ物質構成体（ＳＷＮＨｓ）の一実施形態を例示したＳＥＭ写真である。 この出願の発明のパターン配列化カーボンナノ物質構成体（ＳＷＮＨｓ）のさらに他の実施形態を例示したＳＥＭ写真である。 この出願の発明のパターン配列化カーボンナノ物質構成体（ＳＷＮＨｓ）のさらに他の実施形態を例示したＳＥＭ写真である。 この出願の発明のパターン配列化カーボンナノ物質構成体（ＳＷＮＴ）のさらに他の実施形態を例示したＳＥＭ写真である。 図５のパターン配列化カーボンナノ物質構成体（ＳＷＮＴ）のラマンスペクトルを例示した図である。

Claims (10)

  1. 基板に固定された芳香族多環分子もしくはグラファイト構造を有するカチオンにカーボンナノ物質が一層かつ所定パターン配列で固定されていることを特徴とするパターン配列化カーボンナノ物質構成体。
  2. 芳香族多環分子もしくはグラファイト構造を有するカチオンに固定されるカーボンナノ物質が単層カーボンナノホーン集合体（ＳＷＮＨｓ）もしくは単層カーボンナノチューブ（ＳＷＮＴ）であることを特徴とする請求項１記載のパターン配列化カーボンナノ物質構成体。
  3. 芳香族多環分子は置換基を有していてもよいナフタレン、アセトラセンまたはピレンであることを特徴とする請求項１または２記載のパターン配列化カーボンナノ物質構成体。
  4. 基板は、酸化物表面を有する固体もしくは表面にヒドロキシル基形成可能な固体であることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載のパターン配列化カーボンナノ物質構成体。
  5. 基板にカーボンナノ物質が一層かつ所定パターン配列で固定されていることを特徴とするパターン配列化カーボンナノ物質構成体。
  6. カーボンナノ物質が単層カーボンナノホーン集合体（ＳＷＮＨｓ）もしくは単層カーボンナノチューブ（ＳＷＮＴ）であることを特徴とする請求項５記載のパターン配列化カーボンナノ物質構成体。
  7. 所定のパターン配列で基板に固定された芳香族多環分子もしくはグラファイト構造を有するカチオンにカーボンナノ物質を一層かつ所定のパターン配列で固定させることを特徴とするパターン配列化カーボンナノ物質構成体の製造方法。
  8. 基板表面を終端している水酸基に、アミノシラン二官能性分子を反応させて酸化物表面をアミノ基で覆い、次いでスクシンイミドエステル芳香族多環分子体を反応させることにより芳香族多環分子を固定し、さらにその芳香族多環分子にカーボンナノ物質を一層かつ所定のパターン配列で固定させることを特徴とする請求項７記載のパターン配列化カーボンナノ物質構成体の製造方法。
  9. カーボンナノ物質が単層カーボンナノホーン集合体（ＳＷＮＨｓ）もしくは単層カーボンナノチューブ（ＳＷＮＴ）であることを特徴とする請求項７または８記載のパターン配列化カーボンナノ物質構成体の製造方法。
  10. 請求項７ないし９のいずれかに記載の方法で製造された構成体を加熱して有機分子を分解させて基板にカーボンナノ物質が一層かつ所定のパターン配列で固定された構成体を生成させることを特徴とするパターン配列化カーボンナノ物質構成体の製造方法。

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