JP2007112682A - 炭素ナノチューブ - Google Patents
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Abstract
【課題】炭素ナノチューブの電子分布を明らかにし、化学反応サイト(部位)を特定し、かつ、化学反応サイトの化学的特性を把握することによって、物理的特性や化学的特性を所望の特性に制御することができる炭素ナノチューブを提供すること。
【解決手段】炭素7員環3を有する炭素ナノチューブの内面において、その炭素7員環に結合している化学結合上で化学修飾をする。さらに、この炭素ナノチューブが、炭素5員環2を有する構造をもつ炭素ナノチューブの外面においてその炭素5員環に結合している化学結合上で化学修飾された構造を含む入れ子構造となり、前記化学修飾部位間で橋かけ構造を有するものである。
【選択図】図2
【解決手段】炭素7員環3を有する炭素ナノチューブの内面において、その炭素7員環に結合している化学結合上で化学修飾をする。さらに、この炭素ナノチューブが、炭素5員環2を有する構造をもつ炭素ナノチューブの外面においてその炭素5員環に結合している化学結合上で化学修飾された構造を含む入れ子構造となり、前記化学修飾部位間で橋かけ構造を有するものである。
【選択図】図2
Description
本発明は、炭素ナノチューブ(カーボンナノチューブ)の構造に関するものである。
従来、炭素ナノチューブにおいて、5員環や7員環を有する場合、チューブの形状が変化することはよく知られている。特開2004-189508号公報では「直径の異なる2本のチューブが結合して1本のチューブを形成…結合部分の炭素構造に5員環と7員環を2個以上有し…」とある。
また、炭素ナノチューブの部分構造において、5員環や7員環を有する場合、チューブの形状変化は実験的に観察されている。例えば、非特許文献1とそこでの引用文献などがある。
炭素ナノチューブにおける化学反応サイト(部位、別化学種の結合する原子の位置)は、切断されたチューブの縁(ふち)あるいはチューブ表面の欠陥部位(炭素6員環が破壊された部分)であると考えられてきた。特開2003-187687号公報では「末端あるいは欠陥部位において、…化学修飾基と結合している」とある。
炭素フラーレン類(かご型分子の類)は,炭素6員環と炭素5員環のみで構成されていて,12個の炭素5員環によって、閉じた「かご型分子」となる。
炭素フラーレン類に対して、かごの外側を化学修飾する化学的手段はいろいろと知られている。例えば、バックミンスターフラーレン(炭素原子数が60個のサッカーボール型炭素フラーレン)に水素化ホウ素(BH3)を化学反応させると、2水素化される(非特許文献2)など。
炭素フラーレン類に対して、フラーレン分子間に「橋かけ構造」をつくる化学的方法は数多く報告(非特許文献3とそこでの引用文献など)されている。このような「橋かけ構造」では,フラーレン分子の外側表面に化学種が結合している。
また従来、炭素ナノチューブは炭素原子数が膨大なため、量子化学的な計算による化学反応サイトの位置の予測はほとんど不可能であった。特開2004-356015号公報では「チューブ側面を化学修飾」とあり,その側面はチューブ外側側面だが、化学反応サイトが欠陥部分か否か不明である。また、特表2004-530646号公報では「ジアゾニウム種を用いてカーボンナノチューブの側壁を誘導体化」とあり、この「側壁」はチューブ外側と思われるが、化学反応サイトが不明である。
特開2004-189508号公報
特開2003-187687号公報
特開2004-356015号公報
特表2004-530646号公報
Carbon Nanotubes - Science and Applications, edited by M. Meyyappan, CRC Press, 2005, pp. 54-58。
C. C. Henderson and P. A. Cahill, Science, 第 295 巻, ページ 1885, 1993 年。
R. Taylor, Lecture Notes on Fullerene Chemistry, Imperial College Press, 1999, Chap. 9。
以上のように、従来の炭素ナノチューブでは、化学反応サイトの配置と化学反応サイトの化学的性質が不明であったため、炭素ナノチューブの電気伝導性などの物理的特性や化学反応性などの化学的特性を現出するために、炭素ナノチューブをどのように化学修飾すればよいか明らかではなかった。
解決しようとする課題は、炭素ナノチューブの電子分布を明らかにし、その電子分布に基づいて、化学反応サイトの配置を特定し、かつ、化学反応サイトの化学的特性を把握することによって、物理的特性や化学的特性を所望の特性に制御することができる炭素ナノチューブを提供することである。
本発明は、前記課題を解決するために、チューブの内面を化学修飾した構造を有することを特徴とするものである。
また、チューブの内面を化学修飾した構造を有する第1の炭素ナノチューブとチューブの外面を化学修飾した構造を有する第2の炭素ナノチューブとが入れ子構造となり、前記第1の炭素ナノチューブの化学修飾された部位と前記第2の炭素ナノチューブの化学修飾された部位との間で橋かけ構造を有する多層構造であることを特徴とするものである。
また、炭素7員環を有するチューブの内面において、その炭素7員環に結合している化学結合上で化学修飾された構造を有することを特徴とするものである。
また、炭素7員環に結合している化学結合上で化学修飾された構造を有する第1の炭素ナノチューブが、化学修飾された構造を有する第2の炭素ナノチューブを含む入れ子構造となり、前記第1の炭素ナノチューブの化学修飾された部位と前記第2の炭素ナノチューブの化学修飾された部位との間で橋かけ構造を有する多層構造であることを特徴とするものである。
また、請求項1、および請求項3に記載の炭素ナノチューブにおいて、炭素ナノチューブを単層または多層に構成したことを特徴とするものである。
本発明の炭素ナノチューブは、チューブの内面を化学修飾した構造を有することで、物理的特性や化学的特性を所望の特性に制御することができる炭素ナノチューブを提供することができる。また、チューブの内面を化学修飾した構造を有する第1の炭素ナノチューブとチューブの外面を化学修飾した構造を有する第2の炭素ナノチューブとが入れ子構造となり、前記化学修飾部位間で橋かけ構造を有することで、物理的特性や化学的特性を所望の特性に制御することができる炭素ナノチューブを提供することができる。
本発明の炭素ナノチューブは、炭素7員環を有し、かつ、その内面において化学修飾された構造を有するものである。また、この炭素ナノチューブが炭素5員環を有する構造をもつ炭素ナノチューブを含む入れ子構造となり、炭素7員環を有する炭素ナノチューブにおいてはその内面と炭素5員環を有する炭素ナノチューブにおいてはその外面との間で橋かけ構造を有するものである。このようにすることで、物理的特性や化学的特性を所望の特性に制御することができる炭素ナノチューブを提供することができる。
本発明を実施するための形態を以下、実施例により説明する。ただし、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
炭素ナノチューブの部分構造において、炭素6員環骨格で構成される側面を、以下「基本ナノチューブ側面」と呼ぶ。
図1と図2に基づき説明する。基本ナノチューブ側面において、その側面に欠陥部分がない(defect-free)とすれば、直径はほぼ一定(均一)で、ストレート(真直)型となる。ストレート型基本ナノチューブ側面に、さらに炭素5員環2が含まれれば、その5員環2付近のチューブ骨格は内側に向かって曲がり、他方、炭素7員環3はその7員環3付近のチューブ骨格を外側に向けて曲げる。そこで、炭素5員環2と炭素7員環3とを組み合わせると、欠陥部分がない各種の炭素ナノチューブ構造ができる。
炭素6員環1(チューブの直径に合せて適当な個数で)と炭素5員環2とを組み合せて一つのユニットをつくる。以下、このユニットを「5-6ユニット」とよぶ。図2の太いチューブには、6員環1を2個と5員環2を1個とを組み合せた、5-6ユニットが(チューブの軸に垂直方向に沿って)見える。
炭素6員環1(チューブの直径に合せて適当な個数で)と炭素7員環3とを組み合せて一つのユニットをつくる。以下、このユニットを「7-6ユニット」とよぶ。図2の細いチューブには、6員環1を1個と7員環3を1個とを組み合せた、7-6ユニットが(チューブの軸に垂直方向に沿って)見える。
図2で説明する。例えば、左側の太いチューブに5-6ユニットを埋め込めば、チューブの直径は絞られる。さらに、7-6ユニットを埋め込めば、チューブの側面は広がる。そこで、図2のような、直径の異なるストレート型チューブを2本接続した炭素ナノチューブが出来上がる。以下、この炭素ナノチューブを「異径型」と呼ぶ。
図1で説明する。左側の細いチューブに7-6ユニットを2個埋め込めばチューブの一部の側面は広がる。さらに、5-6ユニットを2個埋め込めば、チューブの側面は狭まる。そこで、図1に示すような、炭素ナノチューブが出来上がる。これらのユニットの埋め込みをくり返せば、チューブの表面に凹凸ができる。以下、この炭素ナノチューブを「凹凸型」と呼ぶ。
同様に、基本ナノチューブ側面において、その直径に合せて、適当な5-6ユニットと7-6ユニットを埋めれば、曲がった炭素ナノチューブ(以下、「曲型」と呼ぶ)やナノチューブの側面に別の炭素ナノチューブを接続した炭素ナノチューブ(以下、「分岐型」と呼ぶ)などができる。
欠陥のない炭素ナノチューブの側面はチューブの外から見ると、6員環1からのみで構成される(欠陥のない)ストレート型、5員環2とそれを取り巻く付近の型(凸型)、7員環3とそれを取り巻く付近の型(凹型)、の三種類に分類される。炭素ナノチューブ表面(内面と外面)を化学修飾するサイトを決定するにはまず、それぞれの型の特徴を明らかにしなければならない。
欠陥のない各種の炭素ナノチューブに古典原子価結合法を適用した結果、チューブ側面のπ電子密度の分布が明らかになった。図1を例にとれば、π電子密度(相対値)は、最大は二つの炭素5員環間の結合で0.487、次に二つの炭素7員環間の結合で0.459である。炭素5員環上の炭素間結合では0.329から0.231で小さい。炭素7員環上の炭素間結合では0.348から0.252で小さい。すなわち、炭素5員環と炭素7員環とにおいては、それらの周囲に「ラジアレン」型で二重結合が取りまいている。
欠陥のない炭素ナノチューブの(縁ではない)側面において、側面の外側からは5員環のラジアレン型二重結合に、側面の内側からは7員環のラジアレン型二重結合に、付加反応が起こることが明らかになった。なお、6員環からのみで構成される付近の側面(ストレート型)では、内外面いずれも化学反応性が乏しい。
欠陥がない炭素ナノチューブの(縁ではない)側面において、容易に化学修飾可能な炭素原子のサイトは、5員環や7員環に隣接する化学結合上にあること、すなわち、5員環や7員環のラジアレン型で二重結合性を有する結合上にあること、がわかった。ここで、炭素5員環や炭素7員環は欠陥部分とは言わない。
内側を化学修飾した炭素ナノチューブと外側を化学修飾した炭素ナノチューブを入れ子構造(多層)にできることが明らかになった。ここで、両炭素ナノチューブは、化学官能基で架橋されている。
入れ子構造となっている多層炭素ナノチューブにおいては、外側のチューブの7員環付近と、内側のチューブの5員環付近とが化学官能基で橋かけ構造となることがわかった。
炭素フラーレン類に対して、かごの外側を化学修飾する化学的手段はいろいろと知られている。例えば、バックミンスターフラーレン(炭素原子数が60のサッカーボール型フラーレン)に水素化ホウ素(BH3)を化学反応させると、2水素化される(前出、非特許文献2)など。この化学修飾法を、前述の、単層または多層の炭素ナノチューブにおいて適用すれば、炭素フラレーン類と同様に、5-6ユニット付近の炭素5員環ラジアレンの二重結合性結合ではチューブの外側から、7-6ユニット付近の炭素7員環ラジアレンの二重結合性結合では、チューブの内側から、水素化される。
炭素ナノチューブの側面の内側を化学修飾することによって、その炭素ナノチューブ側面付近への別の化学種の(チューブ内への)出入りを制御できる。このとき、炭素ナノチューブの直径と化学修飾によって付加される化学種の種類(H2やHNR2や炭素フラーレンなど)とを調整する。
炭素ナノチューブの側面の内側を化学修飾することによって、その炭素ナノチューブの物理的特性(例えば、電気伝導性)あるいは化学的特性(例えば、化学反応性)を制御できる。このとき、化学修飾によって付加された化学種は、炭素ナノチューブの内側にあって、外側には張り出さないので、邪魔にならない。
以上のように、本発明の炭素ナノチューブは、チューブの内面を化学修飾した構造を有することで、物理的特性や化学的特性を所望の特性に制御することができる炭素ナノチューブを提供することができる。また、チューブの内面を化学修飾した構造を有する第1の炭素ナノチューブとチューブの外面を化学修飾した構造を有する第2の炭素ナノチューブとが入れ子構造となり、前記第1の炭素ナノチューブの化学修飾された部位と前記第2の炭素ナノチューブの化学修飾された部位との間で橋かけ構造を有することで、物理的特性や化学的特性を所望の特性に制御することができる炭素ナノチューブを提供することができる。
本発明の炭素ナノチューブは、電子放出素子や電池やコンデンサ、電子部品などに用いることで、それらの製品の特性を大幅に改善できる可能性がある。
1 炭素6員環
2 炭素5員環
3 炭素7員環
2 炭素5員環
3 炭素7員環
Claims (5)
- チューブの内面を化学修飾した構造を有することを特徴とする炭素ナノチューブ。
- チューブの内面を化学修飾した構造を有する第1の炭素ナノチューブとチューブの外面を化学修飾した構造を有する第2の炭素ナノチューブとが入れ子構造となり、前記第1の炭素ナノチューブの化学修飾された部位と前記第2の炭素ナノチューブの化学修飾された部位との間で橋かけ構造を有する多層構造であることを特徴とする炭素ナノチューブ。
- 炭素7員環を有するチューブの内面において、その炭素7員環に結合している化学結合上で化学修飾された構造を有することを特徴とする炭素ナノチューブ。
- 炭素7員環に結合している化学結合上で化学修飾された構造を有する第1の炭素ナノチューブが、化学修飾された構造を有する第2の炭素ナノチューブを含む入れ子構造となり、前記第1の炭素ナノチューブの化学修飾された部位と前記第2の炭素ナノチューブの化学修飾された部位との間で橋かけ構造を有する多層構造であることを特徴とする炭素ナノチューブ。
- 請求項1、および請求項3に記載の炭素ナノチューブにおいて、炭素ナノチューブを単層または多層に構成したことを特徴とする炭素ナノチューブ。
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JP2005314162A (ja) * | 2004-04-28 | 2005-11-10 | National Institute For Materials Science | 導電性可変三層カーボンナノチューブ及び三層カーボンナノチューブの合成方法並びに導電性可変三層カーボンナノチューブの合成方法 |
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