JP2009505825A - ナノメートルスケールの大量高速輸送用の膜 - Google Patents
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Abstract
基質材料中に埋め込まれた単一壁、二重壁、および多重壁カーボンナノチューブが、ナノメートルスケールの流体力学および物質移動の研究、および商業用途のために製造された。平均ポアサイズは、2nm〜20nm、7nm以下、または2ナノメートル以下である。膜は、気体または液体などの物質の輸送が、もっぱらチューブを通して行われるように、膜をスパンする大きい空隙がない方が良い。急速な液体、蒸気、および液体の輸送が観察される。多様な微細機械加工法を膜の製造に使用することができる。単一チップは、複数の膜を含む可能性がある。これらの膜は、閉じ込められた分子の輸送の研究のための堅固なプラットフォームであり、液体および気体の分離および化学感知、たとえば塩分除去、透析、および織物造形に応用される。
Description
(関連出願の引用)
本出願は、米国特許法第119条(e)の下で、2005年8月24日出願の米国仮出願第60/711,436号に対する優先権を主張し、該出願は本明細書においてその全体が参考することによって援用される。
本出願は、米国特許法第119条(e)の下で、2005年8月24日出願の米国仮出願第60/711,436号に対する優先権を主張し、該出願は本明細書においてその全体が参考することによって援用される。
(連邦支援の声明)
米国政府は、米国エネルギー省とUniversity of Californiaとの間の、Lawrence Livermore National Laboratoryに対する契約No.W−7405−ENG−48に従い、本発明に対し権利を有する。
米国政府は、米国エネルギー省とUniversity of Californiaとの間の、Lawrence Livermore National Laboratoryに対する契約No.W−7405−ENG−48に従い、本発明に対し権利を有する。
(背景)
最近の研究(たとえば、非特許文献1;非特許文献2;非特許文献3;非特許文献4;および非特許文献5)では、その多くがナノメートルスケールポアを含む膜の開発に集中していた。このような膜は、サイズに基づく化学的および生物学的分離の分野で用途があるが、ポアサイズを分子直径まで縮小させ、浸透分子のフラックスを達成できることが条件である。しかし、このサイズスケールでは、流体の挙動に関しては殆ど把握されてなく、チャネルサイズが分子直径に匹敵する程度になると、連続輸送からの逸脱が生じる可能性がある。たとえば、ポア内拡散率(バルク拡散率と比較)は、ポアサイズが分子寸法に匹敵するサイズになると減少する(たとえば、非特許文献6を参照)。電解質溶液の場合、ポア半径がデバイ長(電気二重層の厚さ)に匹敵すると、ポア内のイオン濃度がバルク溶液のイオン濃度を超える状況が生じる可能性があり(たとえば、非特許文献7を参照)、イオン選択性膜が展開するという多少興味深い結果が生じる。
最近の研究(たとえば、非特許文献1;非特許文献2;非特許文献3;非特許文献4;および非特許文献5)では、その多くがナノメートルスケールポアを含む膜の開発に集中していた。このような膜は、サイズに基づく化学的および生物学的分離の分野で用途があるが、ポアサイズを分子直径まで縮小させ、浸透分子のフラックスを達成できることが条件である。しかし、このサイズスケールでは、流体の挙動に関しては殆ど把握されてなく、チャネルサイズが分子直径に匹敵する程度になると、連続輸送からの逸脱が生じる可能性がある。たとえば、ポア内拡散率(バルク拡散率と比較)は、ポアサイズが分子寸法に匹敵するサイズになると減少する(たとえば、非特許文献6を参照)。電解質溶液の場合、ポア半径がデバイ長(電気二重層の厚さ)に匹敵すると、ポア内のイオン濃度がバルク溶液のイオン濃度を超える状況が生じる可能性があり(たとえば、非特許文献7を参照)、イオン選択性膜が展開するという多少興味深い結果が生じる。
カーボンナノチューブが小さく、1nm程度であるということは、閉じ込められた分子の輸送の研究に対して理想的なシステムを提供する前提条件だった。多くの分子動力学シミュレーションでは、その多くがこれらの物質中の輸送に集中していた(たとえば、非特許文献8;非特許文献9および非特許文献10を参照)。新規の氷の相の形成(たとえば、上記の非特許文献8を参照)、およびパルス状一次元水の輸送(たとえば、上記の非特許文献9を参照)から、単一壁カーボンナノチューブへの単鎖DNAの自発的な挿入(たとえば、上記の非特許文献10を参照)まで、多くの珍しい予測が行われた。しかし、上記およびその他の予測を実験で検証するための実験プラットフォームがなかった。
このようなプラットフォームを製造する1つの方法は、アルミナ膜のポア内に炭素を化学蒸着させることを含む(たとえば、上記の非特許文献2を参照)。一般に、この方法によって達成されるポアサイズ(約100nm)は、化学的および生物学的分離に利益があるサイズの範囲より大きい。さらに、これらのカーボンナノチューブ(nanotubules)は半黒鉛質であるから、純粋に黒鉛質のカーボンナノチューブ(CNT)に固有の平滑性は持たない。また、このようにして作製されたチューブは、酸性表面部位(−COOH)をそれらの壁部に有することも報告されている(上記の非特許文献2を参照)。純黒鉛CNTの固有の平滑性および不活性は、分子動力学シミュレーション(非特許文献11)によると、CNTにより高分子フラックスを生じさせる原因である。
ナノチューブ膜を作成する別の方法は、非晶質カーボン被覆黒鉛チューブをエポキシ基質中に埋め込むことを含む(上記の非特許文献1)。しかし、これらの物質中に生じるポア径は、やはり大きい(約150nm)。シングルナノメートルサイズの領域で膜を製造するために行われる方法は、コリメートされた核分裂フラグメントビームの使用により、ポリカーボネートフィルムに損傷の跡を形成し、次に、基本溶液中でエッチングすることを含む(上記の非特許文献3)。その後の無電解めっきにより、約2nmの単一の金ナノチューブが作成された。
さらに最近では、ポリスチレン被覆CNT膜が製造された(上記の非特許文献5)。この膜のポアサイズは、多重壁CNTの内径のポアサイズ(約7.5nm)に相当すると報告されている。しかし、アレイまたは膜内に製造可能な非常に小さいカーボンナノチューブは、これまで報告されていなかった。
単一壁カーボンナノチューブ(SWCNT)を通る水輸送のいくつかのシミュレーションでは、水が、これらのチャネルを占有するだけではなく、連続流体力学理論が、この長さスケールに適用された場合に予測すると思われる程度をはるかに超えて、高速分子輸送が生じることが示唆されていた(上記の非特許文献9および非特許文献12)。これは、分子動力学(MD)シミュレーションによると、ナノチューブ表面の原子レベルの平滑性、および1〜2nm範囲の限られた長さスケールで発生する分子の秩序化現象の改善の結果であると考えられる(上記の非特許文献9および上記の非特許文献12)。同様の理由で、SWCNTを通る気体輸送のシミュレーション(非特許文献13)は、同様のサイズのナノ多孔性物質と比較して数桁のフラックスの改善を予測した。膜ベースの気体分離、たとえばゼオライト(非特許文献14)を使用する気体分離は、正確な分離およびサイズ排除を提供したが、処理量またはフラックスが犠牲になることが多かった。SWCNT膜は、出願人の開示以前には、これまでこの分野に存在しなかった高度選択的かつ高フラックス膜を提供する。
研究者たちは、最近、多重壁カーボンナノチューブ(MWCNT)のアレイを垂直に整列させ(上記の非特許文献5)、ナノチャネルアルミナ内のテンプレート成長(非特許文献15)により、比較的大きいポア径(6〜7nm)を有するMWCNT膜を製造した。しかし、MWCNT膜内の個々のチューブを通る定量化輸送は難しく、なぜなら、MWCNTは、特に「竹状」構造、およびナノチューブ内部に移動して閉塞する可能性がある触媒粒子により遮断する傾向があるからである(非特許文献16)。このような遮断の結果は、活性膜のポア密度の著しい減少である。対照的に、SWCNTまたは二重壁カーボンナノチューブ(DWCNT)の「竹状」構造の形成、または触媒移動の報告は、あるとしてもわずかである。しかし、いくつかのグループは、このサイズの垂直に整列したカーボンナノチューブを製造することは難しいことを報告している(非特許文献17)。本明細書の本項またはその他のいずれかの項に引用されているいずれの参考文献も、自認した先行技術であることを認めるものではない。
Sun等(2000)J.Am.Chem.Soc.122:12340−12345 Miller等(2001)JACS 123:12335−12342 Harrell等(2003)Anal.Chem.75:6861−6867 Cooper等(2004)Nano Lett.4:377−381 Hinds等(2004)Science 303:62−65 Deen(1987)AIChE J.33:1409−1425 Cerver等(2001)J.Membrane Sci.191:179−187 Koga等(2001)Nature 412:802−805 Hummer等(2001)Nature 414:188−190 Gao等(2003)Nano Lett.3:471−473 Skoulidas(2002)Phys.Rev.Lett.89:185901−1−185901−4 Kalra等(2003)Proc.Natl Acad.Sci.USA、100,10175 Skoulidas等(2002)Phys.Rev.Lett.89,185901 Lai等(2003)Science 300,456 Li等(1999)Appl.Phys Lett.75:367 Cui等(2000)J.Appl.Phys.88,6072 Hata等(2004)Science 306:1362
Sun等(2000)J.Am.Chem.Soc.122:12340−12345 Miller等(2001)JACS 123:12335−12342 Harrell等(2003)Anal.Chem.75:6861−6867 Cooper等(2004)Nano Lett.4:377−381 Hinds等(2004)Science 303:62−65 Deen(1987)AIChE J.33:1409−1425 Cerver等(2001)J.Membrane Sci.191:179−187 Koga等(2001)Nature 412:802−805 Hummer等(2001)Nature 414:188−190 Gao等(2003)Nano Lett.3:471−473 Skoulidas(2002)Phys.Rev.Lett.89:185901−1−185901−4 Kalra等(2003)Proc.Natl Acad.Sci.USA、100,10175 Skoulidas等(2002)Phys.Rev.Lett.89,185901 Lai等(2003)Science 300,456 Li等(1999)Appl.Phys Lett.75:367 Cui等(2000)J.Appl.Phys.88,6072 Hata等(2004)Science 306:1362
出願人らは、本明細書において、カーボンナノチューブが、ナノメートルサイズおよび原子レベルで平滑な表面によって、分子の輸送およびナノ流体工学を研究するための重要なシステムを提供することを開示する。この用途に制限するわけではないが、水がこのように閉じ込められた疎水性チャネルを占有し得るといういくぶん反直感的な示唆によって、カーボンナノチューブを通る水輸送は特に興味深い。実験的証拠は、水がこれらのチャネルを占有し得ることを確認している(Kolesnikov等(2004)Phys.Rev.Lett.93:035503およびNaguib等(2004)Nano Lett.4:2237)。分子スケールの疎水性チャネルを通る水輸送はまた、このシステムが、アクアポリン(aquaporin)などの膜貫通タンパク質のポアに類似しているという点でも重要である(Agre等(2001)Curr.Top.Membr.51:1−38)。
本明細書に記載する様々な実施態様は、膜、膜を含む物品およびデバイス、並びにこれらの膜、物品、およびデバイスを製造する方法を含む。一態様では、膜は、意外なことに、ナノスケールのポアサイズにも関わらず、予測されるよりも速く、従って効率的な液体および気体状流体輸送を提供する。さらに、これらの膜は、機械的に堅固であり、特定用途の流体輸送を商業化するための多様なシステムを提供する。
一実施態様は、(i)ナノチューブが、約2nm以下の平均ポアサイズを有する、垂直整列されたカーボンナノチューブのアレイと、(ii)カーボンナノチューブ間に配置された基質材料とを備える改善された流体輸送用の膜を提供する。別の態様は、垂直整列されたカーボンナノチューブアレイ、および紙、膜、ポリマー、または織布などの多孔性支持材料上に含まれる基質である。
一態様では、垂直整列されたカーボンナノチューブアレイは、膜上に含まれ、約7nm以下の平均ポアサイズを有し、ここで、基質材料がカーボンナノチューブ間に配置され、ナノチューブは、膜の各々の側に開放端部を有する。この膜は、同サイズのポアに関するクヌーセンの予測輸送と比較して、改善された気体輸送を提供し得る。
別の実施態様は、基質中にカプセル化されたカーボンナノチューブであって、このナノチューブが、約7nm以下の平均ポアサイズを有し、この膜が、クヌーセン拡散と比べて改善された気体輸送を提供するカーボンナノチューブを提供する。
別の実施態様では、膜であって、チャネル間に隙間を含む垂直整列されたナノチューブチャネルのアレイと;これらのチャネル間に配置されたセラミック基質材料を含む、膜を提供する。
また、膜を構成する方法であって、垂直整列されたカーボンナノチューブアレイを製造するステップであって、このアレイが、カーボンナノチューブ間に隙間を含む、ステップと、このカーボンナノチューブ間の隙間をセラミック基質材料で充填するステップとを含み、該カーボンナノチューブが開放し、膜を通る流れを提供する方法を提供する。
また、膜を構成する方法であって、垂直整列されたカーボンナノチューブアレイを製造するステップであって、このアレイが、カーボンナノチューブ間に隙間を含む、ステップと、このカーボンナノチューブ間の隙間をポリマー基質材料で充填するステップとを含み、該カーボンナノチューブが開放し、膜を通る流れを提供する方法を提供する。
また、膜を構成する方法であって、垂直整列されたカーボンナノチューブアレイを製造するステップであって、このアレイが、カーボンナノチューブ間に隙間を含む、ステップと、該カーボンナノチューブ間の隙間をセラミック基質材料またはポリマー基質材料で充填するステップとを含み、該カーボンナノチューブが開放し、クヌーセン拡散と比較して、膜を通る改善された気体流を提供する方法を提供する。
また、ナノ多孔性膜を製造する方法であって、ナノチューブ間に高アスペクト比の隙間を含む基板上で、垂直整列されたカーボンナノチューブアレイを成長させるステップと;このナノチューブ間の高アスペクト比の隙間を相応に充填可能な等角基質材料でアレイを被覆し、等角基質材料の硬化後にナノチューブを不動態化させるステップと、ナノチューブの端部を開放させるステップとを含む、方法を提供する。
さらなる実施態様は、純粋化される流体または気体を本明細書に記載する少なくとも1つのカーボンナノチューブを通過させることによって、検体を分離し、その結果、流体または気体を浄化するための方法である。一態様では、ナノチューブは膜内に含まれ、浄化される流体は、たとえば淡水源、または塩分を含む海水からの水である。この方法は、1つ以上のナノチューブを通過した後、液体または気体を収集するステップも含む。
別の実施態様は、ナノチューブのアレイ、および多孔性ポリマーまたは繊維織物支持材料を有する膜を含む織物である。
物品としては、複数の膜を含む物品、たとえば、複数の膜を含むチップ、並びに、膜が多層形式で互いの上に配置されているシステムおよびデバイスを含み得る。
また、本明細書では、低応力窒化ケイ素を等角基質材料として使用して、CNTベースの膜を製造する方法を記載する。この方法は、セラミック基質材料を使用した黒鉛CNT膜を提供する。ポリマー基質と対照的に、窒化ケイ素は、ごくわずかな分子浸透性を有し、埋め込まれたCNTのコアが、膜内の唯一のポアとして残される。さらに、このナノチューブは、酸化によって選択的に除去され得るため、ナノ多孔性窒化ケイ素の生成のためのテンプレートとしても役立ち得る。窒化ケイ素の別の利点は、蒸気相蒸着である。スパンオンポリマー(spun−on polymer)などの液相で堆積される材料は、CNTの凝集を減少させ、整列の不変性を確保するために、複雑な硬化プロセスを伴い得る。
また、本明細書では、ナノ流体工学の研究および商業化のために使用可能され得、微細加工技術によって作成された堅固で、空隙のない膜も提供し;この膜は、窒化ケイ素基質中に埋め込まれた多重壁カーボンナノチューブを含む。ナノ多孔性窒化ケイ素膜は、これらのカーボンナノチューブを窒化ケイ素基質から酸化除去することによって形成された。このナノ多孔性窒化ケイ素膜の気体浸透性が確認され、窒素パーミアンスが決定された。膜を介するクヌーセン型拡散を仮定して、66nmの平均ポアサイズが計算されたが、これは、多重壁ナノチューブの外径のポアサイズに相当した。より小さいポアのナノチューブ膜を介する、1.91mol/m2−sの水輸送の計算された速度(流体力学的極限における)は、この構造が液体ベースの実験およびナノ流体デバイスに適することを示す。堆積パラメータは、「竹状(bamboo)」CNTの形成、類似の二重壁および単一壁ナノチューブ膜の製造を抑制するように制御され得、その結果、CNTに関する異種分子輸送のいくつかを実験することが可能になる。
さらに本明細書では、2ナノメートル以下(内径)の整列したカーボンナノチューブをポアとして有する微細加工された膜を通る気体および水の流れの測定について記載する。測定された気体流は、クヌーセン拡散モデルの予測よりも1桁より多く超える。測定された水流は、連続流体力学モデルから計算された値よりも3桁より多く超え、分子動力学シミュレーションから外挿された流量と匹敵する。これらのナノチューブベースの膜の気体および水の浸透性は、ポアサイズが1桁小さいにも関わらず、市販のポリカーボネート膜の場合より数桁大きい。これらの膜は、閉じ込められた環境における大量輸送の基本的な研究、およびよりエネルギー効率が高いナノスケール濾過を可能にする。
(発明を実行するための最良の形態)
(定義)
本明細書で使用される場合「含む、備える(comprising)」という用語は、構成要素または方法が、列挙された要素を含むが、他の要素を排除しないことを意味することを意図している。構成要素または方法を定義するために使用される場合、「本質的に〜から成る」は、組合せにとって本質的に重要な何らかの他の要素を排除することを意味する。「から成る」は、微量元素を超えるその他の含有物または成分、およびプロセス中の実質的な方法ステップを排除することを意味するものとする。これらの遷移的用語の各々によって定義される実施態様は、本発明の範囲内に含まれる。
(定義)
本明細書で使用される場合「含む、備える(comprising)」という用語は、構成要素または方法が、列挙された要素を含むが、他の要素を排除しないことを意味することを意図している。構成要素または方法を定義するために使用される場合、「本質的に〜から成る」は、組合せにとって本質的に重要な何らかの他の要素を排除することを意味する。「から成る」は、微量元素を超えるその他の含有物または成分、およびプロセス中の実質的な方法ステップを排除することを意味するものとする。これらの遷移的用語の各々によって定義される実施態様は、本発明の範囲内に含まれる。
本明細書で使用される場合「ナノチューブ」は、最も内側の直径のサイズが0.5nmと1000nmとの間の円筒状のチューブ状構造を意図する。ナノチューブは、排他的ではなく一般的には、炭素分子だが、ナノテクノロジー、電子工学、光学、および材料科学のその他の分野における多様な用途で有用になる可能性のある新規な特性を有する。これらは、特に強力かつ固有な電気特性を示し、効率的な熱伝導体である。
ナノチューブは、フラーレン構造ファミリの一部であり、バッキーボール(buckyball)も含む。バッキーボールは球形であるが、ナノチューブは円筒状であり、その少なくとも一方の端部は、一般に、半球形のバッキーボール構造でキャッピングされる。この名前はそのサイズに由来しており、つまり、ナノチューブの直径は、約数ナノメートルであるが(人毛の幅より約50,000倍小さい)、長さは数ミリメートルに達し得るからである。2つの主なタイプのナノチューブがある:単一壁ナノチューブ(SWNT)および多重壁ナノチューブ(MWNT)。二重壁ナノチューブも作成され得る。
ナノチューブは、黒鉛の場合と同様、主に、または完全にsp2結合から成る。この結合構造は、ダイアモンドに見られるsp3結合より強力であり、独特の強度を有する分子を提供する。ナノチューブは、本質的に、ファンデルワールス力によって互いが保持された「ロープ」状に整列する。高圧下では、ナノチューブは互いに統合することが可能であり、その際、いくつかのsp2結合をsp3結合と交換し、高圧のナノチューブ結合を介して、強力で、長さが無制限のワイヤが製造される可能性が大である。
ナノチューブは、様々な材料から構成され、こうした材料としては、炭素、ケイ素、シリカ、およびセレンを含むが、これらだけに限らない。窒化ホウ素などの無機ナノチューブも合成されている。カーボンナノチューブは、単一壁、二重壁、および多重壁タイプを含む。「単一壁」は、端部においてキャップを有したり有さなかったりする、炭素原子の直線または曲がりくねった1つのチューブ状層であり、一方で「二重壁」は、端部においてキャップを有したり有さなかったりする、炭素原子の直線または曲がりくねった2つの同心チューブ状層であり、「多重壁」は、端部においてキャップを有したり有さなかったりする、炭素原子の直線または曲がりくねった3つ以上の同心チューブ状層である。
ナノチューブは、複数のナノチューブが、互いに空間的配置で組織化されたアレイ状に配列され得る。たとえば、これらのナノチューブは、「垂直アレイ」では互いに平行に整列され、基板に対してほぼ、または実質的に垂直であり得る。ナノチューブは、触媒粒子が秩序化されたアレイまたは無秩序なアレイの表面に配置されている表面から成長され得る。
本明細書で使用される場合「膜」という用語は、横方向の寸法が、膜をわたる寸法より著しく大きい多孔性材料を意図している。
(導入)
高フラックス分子膜またはふるい用の様々な膜材料、およびその製造方法、並びにこの膜またはふるいの適用について説明する。たとえば、カーボンナノチューブがポアとして機能する膜を製造するいくつかの方法について説明する:シリコーン窒化物フィルと結合したCNT;蒸着ポリマーフィルと結合したCNT;原子層堆積を使用して蒸着された被覆材料と結合したCNT。
高フラックス分子膜またはふるい用の様々な膜材料、およびその製造方法、並びにこの膜またはふるいの適用について説明する。たとえば、カーボンナノチューブがポアとして機能する膜を製造するいくつかの方法について説明する:シリコーン窒化物フィルと結合したCNT;蒸着ポリマーフィルと結合したCNT;原子層堆積を使用して蒸着された被覆材料と結合したCNT。
これらの膜は、分子スケール(約1nm〜約20nmの範囲)のポアサイズを有し得る。これらの膜は堅固で、機械的に、かつ化学的に安定している。類似のポアサイズのその他の材料と比較すると、膜を通る改善された気体輸送が実証される。分子動力学シミュレーションは、これらの材料を通る高い水流も予測する。高分子フラックス、およびサイズ排除の可能性により、これらの材料の可能な用途としては、1)炭化水素の除去、CO2隔離などの(であるが、これらだけに限らない)気体分離(データは、以下に記載する高気体輸送を示す);2)水の塩分除去/鉱物除去(以下に記載する);3)透析;および4)化学因子および生物因子から防護するための通気性材料を含むが、これらだけに限らない。
ナノ多孔性膜は、当該分野で公知のとおり、大気圧化学蒸着プロセスを介して成長される単一壁CNT、二重壁CNT、または多重壁CNTの多様な垂直整列されたアレイから製造され得る。たとえば、エチレン、水素、およびアルゴンは、プロセスガスとして使用され得、ケイ素上に堆積された薄い金属多層は、成長を触媒するための基板として使用し得る。基板の平面における成長とは対照的に、垂直整列されたアレイにおいて、SWCNTを含むカーボンナノチューブを成長させることを可能にすることが、金属触媒層の固有性である。この垂直整列されたナノチューブのアレイは、一般に、たとえば0.8〜2nmの範囲の内径を有し、チューブの間隔は5nm未満であり、好ましくは1.0〜5.0nmであり、高さ(厚さ)は5〜10μmである。MWCNTアレイは、約5〜10nmの内径を有する。
成長すると、ナノチューブアレイは、チューブを不動態化し、膜として処理することを可能にするために基質材料で被覆される。本明細書で重要な要素は、カーボンナノチューブを材料内の唯一のポアとして使用できるように、これらのチューブ間の高アスペクト比(約1000長さ/直径)の隙間を充填し得る等角材料を使用することである。セラミック(たとえば窒化ケイ素、二酸化ケイ素)からポリマー(たとえばパリレン、ポリジメチルシロキサン、ポリイミド)までの範囲の多様な基質材料を使用することができる。等角な空隙のないコーティングを多重壁ナノチューブアレイ(外径20〜50nm)上で達成するために、低応力窒化ケイ素およびTEOS酸化物(テトラエトキシシラン酸化物)が良好に使用され、高強度の複合膜が得られた。CVD(化学蒸着)コーティングを使用するほか、原子層堆積を使用して、充填が達成され得る。
窒化ケイ素などのセラミックは、高温安定性(フィルムは約800℃で蒸着)および耐溶剤性(強酸/塩基に対して)の両方の点で、塩分除去/鉱物除去用途に特に有利であるという点は注目に値する。これらは、膜上の有機ファウラント(foulant)または無機ファウラントの除去を促進する。パリレンはまた、高温安定性(420℃以上の融点)および耐溶剤性の両方により、多重壁CNTアレイ上で等角特性も示した。別の重要な利点は、カーボンナノチューブと基質との間の付着を確実にすることであり、その結果、複合材料は全体として機械的に堅固である。このため、ナノチューブ/基質界面を厳密に検査するため、材料に関する引張り歪テストおよびナノインデンテーション(nanoindentation)テストを実施することができる。被覆後、過剰な基質材料は膜から除去され得、カーボンナノチューブは、最初は上部がキャッピングされ、底部は触媒粒子で遮断されているため、カーボンナノチューブを開放し得る。これは、プラズマエッチングプロセスを使用することにより容易に達成され得る。
(カーボンナノチューブ)
一態様では、垂直整列されたカーボンナノチューブアレイから構成される膜を本明細書で提供し、この場合、ナノチューブは、約2nm以下の平均ポアサイズ(つまり、内径)を有し、ナノチューブ間に配置されている基質材料を有し、その結果、チューブ間の空間は、膜をわたる材料の浸透を不可能にし得る。
一態様では、垂直整列されたカーボンナノチューブアレイから構成される膜を本明細書で提供し、この場合、ナノチューブは、約2nm以下の平均ポアサイズ(つまり、内径)を有し、ナノチューブ間に配置されている基質材料を有し、その結果、チューブ間の空間は、膜をわたる材料の浸透を不可能にし得る。
カーボンナノチューブ膜の平均ポアサイズは、たとえば約0.5nm〜約20nm、または約1nm〜約20nmであり得る。一実施態様では、これらの膜は、平均約2nm未満だが、それでもなお、気体および液体分子が膜を通過するために十分な内径である。したがって、別の実施態様は、約1.75nm未満、もしくは約1.5nm未満、もしくは約1.0nm未満、もしくは約0.5nm〜約2nm、もしくは約0.8nm〜2nm、およびさらに約0.5nm〜約2nm、またはさらに約0.5nm〜約3nmの平均ポアサイズを有するナノチューブを含む。
膜中で上記のポアサイズを有するポアの数は、それぞれ膜中のポアの総数の、約40%を超え、あるいは約45%を超え、あるいは約50%を超え、あるいは約55%を超え、あるいは約60%を超え、あるいは約65%を超え、あるいは約70%を超え、あるいは約75%を超え、あるいは約80%を超え、あるいは約85%を超え、あるいは約90%を超え、あるいは約95%を超え得る。一般に、ポアサイズは、TEM(透過型電子顕微鏡)またはラマン分光法により判定されるが、その他の方法が、当該分野で公知である。
膜のカーボンナノチューブは、実質的に単一壁ナノチューブであり得、もしくは二重壁ナノチューブであり得、または多重壁ナノチューブであり得、あるいはさらに単一壁、二重壁もしくは多重壁のいずれかの組合せから構成され得る。実質的にある1つのタイプのカーボンナノチューブアレイ(たとえば、単一、二重または多重)は、アレイ中のナノチューブの約70%、80%、または90%超がそのタイプであることを意味する。
一実施態様では、ナノチューブは、膜の一方の側または各々の側に開放端部を有し得る。開口部は、たとえば、カーボンナノチューブを通る流体輸送、およびナノスケール電子顕微鏡などの分析方法により決定することができる。ナノチューブは、ナノチューブが一方の側のみ開放しているか、またはどちらの側も開放していない、複合材料または低温エミッタなどの用途に使用され得る。
場合によっては、カーボンナノチューブはまた、一方の端部に触媒ナノ粒子を含みえる。例示的な目的のみのため、触媒ナノ粒子としては、純粋な鉄または合金された鉄、コバルト、ニッケル、モリブデン、および白金を含むが、これらだけに限らない。一実施態様では、70%を超えるナノチューブは、カーボンナノチューブの形成に使用される触媒ナノ粒子を有さない。さらに他の実施態様では、80%超、さらに90%超、またはさらに95%超のナノチューブは、カーボンナノチューブの形成に使用される触媒ナノ粒子を有さない。
アレイは、面密度を特徴とし得る。たとえば、面密度は、たとえば少なくとも1×1010/平方センチメートル、または少なくとも1.5×1010/平方センチメートル、または少なくとも2×1010/平方センチメートル、または少なくとも2.5×1010/平方センチメートル、または少なくとも3×1010/平方センチメートル、または少なくとも3.5×l010/平方センチメートル、あるいは少なくとも4×1010/平方センチメートルである。
アレイは、カーボンナノチューブの平均の高さを特徴とし得る。高さの上端は特に制限がなく、300マイクロメートル長など、数百マイクロメートルの長さのCNTが構成され得る。たとえば、平均の高さは、約0.1マイクロメートル〜約20マイクロメートル、約0.2マイクロメートル〜約20マイクロメートル、約0.2マイクロメートル〜約10マイクロメートル、または約0.2マイクロメートル〜約5マイクロメートルであり得る。平均の高さは、約0.5マイクロメートルを超えるか、あるいは約1マイクロメートルを超えるか、あるいは約3マイクロメートルを超えるか、あるいは約4マイクロメートルを超えるか、あるいは約5マイクロメートル〜約12マイクロメートルを超えるか、あるいは、約5マイクロメートル〜約11マイクロメートルを超えるか、あるいは約5マイクロメートル〜約10マイクロメートルを超えるか、またはさらに約1マイクロメートル〜約5マイクロメートルを超え得る。
アレイは、個々のカーボンナノチューブ間の高アスペクト比の隙間を特徴とし得、長さは、幅よりはるかに大きい。たとえば、これらの隙間のアスペクト比は、少なくとも1,000長さ/幅であり得る。
(基質材料)
基質材料は、垂直整列されたカーボンナノチューブアレイと共に使用され得る。別の言い方をすると、基質は、膜支持に垂直に整列されたナノチューブを含む。基質材料は、たとえばセラミック材料などの剛性材料、たとえば窒化ケイ素など、および低応力窒化ケイ素などであり得る。
基質材料は、垂直整列されたカーボンナノチューブアレイと共に使用され得る。別の言い方をすると、基質は、膜支持に垂直に整列されたナノチューブを含む。基質材料は、たとえばセラミック材料などの剛性材料、たとえば窒化ケイ素など、および低応力窒化ケイ素などであり得る。
基質材料は、たとえば酸化ケイ素または酸化アルミニウムなどの酸化物材料であり得る。酸化ケイ素材料は、たとえば(TEOS)テトラエチルオキシシランから製造され得る。基質材料は、たとえばシリコンソースからのシリコンも含み得る。ポリシリコンが使用され得る。
任意の数の追加の基質材料が、ごくわずかな分子浸透性を有するという機能的な特徴を有し、その結果、分子の流れが、カーボンナノチューブの内部空間によって提供されたチャネルから生じる限り、使用され得る。その他の機能特性としては、光不浸透性つまり不透明性が挙げられ、これは、カーボンナノチューブの内部空間と比較して、特定の波長範囲に対してわずかな光の強度を伝達することを示す。基質はまた、透明であり得る。
基質材料は、たとえば約100nm〜約2マイクロメートル、約400nm〜約800nmの厚さを有し得る。
基質材料は、カーボンナノチューブをカプセル化すべきである。基質材料は、カーボンナノチューブを等角に被覆すべきである。基質材料は、気体または液体などの材料の輸送が、ほぼ例外なく支持材料内のチューブを通して行われるようにナノチューブの外面と、ナノチューブを囲んでカプセル化する基質材料との間に、実質的に隙間を有するべきではない。
(改善された流体輸送を含む膜の特性)
これらの膜は、堅固で機械的に安定し、かつ化学的に安定であり得る。たとえば窒化ケイ素などのセラミック膜は、たとえば高温安定性(フィルムは約800℃で蒸着)、並びに強酸および塩基に対する耐性を含む耐溶剤性があるため、塩分除去および鉱物除去用途、並びに気体分離に特に有利である。これは、たとえば、膜上の有機および無機ファウラントの除去を促進する。
これらの膜は、堅固で機械的に安定し、かつ化学的に安定であり得る。たとえば窒化ケイ素などのセラミック膜は、たとえば高温安定性(フィルムは約800℃で蒸着)、並びに強酸および塩基に対する耐性を含む耐溶剤性があるため、塩分除去および鉱物除去用途、並びに気体分離に特に有利である。これは、たとえば、膜上の有機および無機ファウラントの除去を促進する。
膜は、たとえば約1nm〜約20nmなどの分子スケールのポアサイズを有し得る。さらに、これらの膜は、1気圧の圧力降下でテストしたときに破断してはならない。一態様では、膜は、たとえば100nmもしくは25nmの蛍光標識されたポリスチレンビードなどの粒子もしくはナノ粒子、またはたとえば2、5nmもしくは10nmのサイズの金属ナノ粒子を通してはならないという点を機能的に特徴とする。さらに、AFM(原子間力顕微鏡法)およびUV−VIS分光法を使用する顕微鏡および分光技術は、膜透過における2nmの金コロイド状ナノ粒子の排除を機能的に特徴とする。
(一般的製造方法)
膜の製造方法は、少なくとも2つの一般的なステップから構成することができる。第1ステップでは、垂直整列されたカーボンナノチューブアレイが製造され得る。第2ステップでは、ナノチューブ間の隙間が基質材料で充填され得る。蒸着は、いずれかまたは両方のステップに使用され得る。
膜の製造方法は、少なくとも2つの一般的なステップから構成することができる。第1ステップでは、垂直整列されたカーボンナノチューブアレイが製造され得る。第2ステップでは、ナノチューブ間の隙間が基質材料で充填され得る。蒸着は、いずれかまたは両方のステップに使用され得る。
カーボンナノチューブは、十分に開放し、流体の流れを提供するように処理され得る。
場合によっては、充填ステップは、カーボンナノチューブが閉鎖されたときに実施可能であり得るが、カーボンナノチューブは、その後、たとえばエッチングによって開放され得る。
必要に応じて、カーボンナノチューブは、たとえば酸化によって除去され得、カーボンナノチューブのない、または実質的にない開放チャネルを残すことができる。
(垂直整列されたカーボンナノチューブのアレイの製造)
蒸着は、当該分野で公知であって、以下の作業実施例に記載する方法により使用され得る。カーボンナノチューブは、金属ナノ粒子または金属層を含む基板上で成長させ得る。
蒸着は、当該分野で公知であって、以下の作業実施例に記載する方法により使用され得る。カーボンナノチューブは、金属ナノ粒子または金属層を含む基板上で成長させ得る。
(カーボンナノチューブ間の隙間の充填)
化学蒸着を含む蒸着が使用され得る。
化学蒸着を含む蒸着が使用され得る。
(方法および用途)
上記膜は、たとえば水の塩分除去、水の鉱物除去、気体分離(たとえば炭化水素の除去)、二酸化炭素の隔離、透析、および化学因子および生物因子から防護するための通気性材料などの多様な用途に使用され得る。
上記膜は、たとえば水の塩分除去、水の鉱物除去、気体分離(たとえば炭化水素の除去)、二酸化炭素の隔離、透析、および化学因子および生物因子から防護するための通気性材料などの多様な用途に使用され得る。
電荷およびサイズ効果は、排除に影響し得る。ナノチューブは、端部において正電荷または負電荷により帯電され、その結果、帯電した粒子は反発されるか、またはナノチューブに引き付けられる。電荷は、電荷がなければナノチューブに入り得る粒子をナノチューブに入れないようにし得る。電荷効果は、気体流の場合よりもイオンを伴う液体流においてより重大となり得る。
膜は、たとえばケイ素基板またはガラス基板、および多孔性基板を含む基板上で使用され得る。
別の用途は、高機能の吸着体材料として使用することである。
(水の塩分除去)
上記膜は、様々な流体または液体分離方法、たとえば水の浄化、鉱物除去、および塩分除去に使用することができる。塩分除去の手順の一般的な概説については、米内務省米国開拓局から入手可能な「Review of the Desalination and Water Purification Technology Roadmap」を参照されたい。または、たとえば米国特許第4,302,336号;第4,434,057号;第5,102,550号、第5,051,178号、および第5,376,253号を参照されたい。
上記膜は、様々な流体または液体分離方法、たとえば水の浄化、鉱物除去、および塩分除去に使用することができる。塩分除去の手順の一般的な概説については、米内務省米国開拓局から入手可能な「Review of the Desalination and Water Purification Technology Roadmap」を参照されたい。または、たとえば米国特許第4,302,336号;第4,434,057号;第5,102,550号、第5,051,178号、および第5,376,253号を参照されたい。
CNT膜は、サイズおよび電荷遮蔽(ドナン排除およびクーロン拒絶)効果の両方に基づいて動作し得る。従来の膜の多くは、両方の効果に依存し、本発明のCNT膜の新規な点は、従来の動作圧力下で達成可能な比較的大きい水分フラックスにある。
本発明の実施態様は、理論によって制限されるわけではないが、多少の原則を指摘する。ナノメートルサイズのCNT(たとえば、0.5〜2nm)は、塩分除去プロセスに関連する多くの溶媒和イオンのサイズに近く、これは、多くの化学種がナノチューブに入ることが不可能で、膜を横断することができないことを意味している。実際、カーボンナノチューブ膜を通る浸透性の水輸送の最近の分子動力学シミュレーション(Karla等(2004)PNAS 100(18):10175)は、0.8nm径のカーボンナノチューブが、水和Na+およびClと同程度小さい化学種を遮断するのに十分であることを示している。電荷が存在するナノチューブポアの「口」における電荷層の重なりによってさらに別の遮蔽効果が生じると思われる。Miller等(Miller等(2001)JACS 13(49):12335)の研究は、カーボンナノチューブの先端は、酸/塩基官能化され、負/正のナノチューブの「口」を形成し得ることを示した。電解質溶液中では、対イオンが存在し(膜表面上の官能基の反対の電荷のイオン)、これらの先端の電荷を平衡させる。イオン強度およびポアサイズが適切であると、こうした対イオン電荷層の重なりが生じる。この正味の効果は、官能基を有する同電荷の共イオンを排除し、対イオンのみがチャネルを通過することを可能にする「イオンゲート(ion gate)」の形成である。その結果、CNT膜は、陽イオン透過(酸性官能基の場合)または陰イオン透過(塩基官能基の場合)用として設計され得る。このタイプの排除の特徴は、共イオン原子価への依存である。たとえば、塩基官能基化膜の場合(正電荷を搬送する)、Ca2+およびMg2+は、Na+およびK+などの一価化学種に比べて大幅に拒絶される(Yaroshchuk,A.(2001)Sep.and Purification Tech.143:22−23)。
提案される膜の高い水浸透性は実施され得、その結果は、SWCNTを通る高水分フラックスを予測しているいくつかの研究(たとえば、Kahn等(2004)PNAS 100(18):10175;Hummer,G.(2001)Nature 414:188;Koga等(2001)Nature 412:802)を考慮して解釈することができる。高フラックスの予測は、一部には、固有の原子ナノチューブ内部の結果であり、殆ど摩擦のない輸送につながる。無極性CNT/極性分子系に固有と思われる別の要素は、このナノメートルスケールで生じる可能性がある分子の順序付けに関連する。これらの分子動力学的シミュレーション(Kahn等(2004)PNAS 100(18):10175;Hummer,G.(2001)Nature 414:188;Koga等(2001)Nature 412:802)は、カーボンナノチューブ内に閉じ込められる水分子が一次元順序付けし、これらの水分子間で単一の水素結合が生じることを示した。これらのいわゆる「水ワイヤ」は生物系に関連があり(Rouseau等(2004)Phys.Chem.Chem Phys.6:1848)、これらの順序付けおよびポア壁との非相互作用の結果として、カーボンナノチューブチャネル間を素早く往復することができる。中性子回折格子を使用した最近の実験は、実際、カーボンナノチューブポア内に「水ワイヤ」が存在することを確認しており(Kolesnikov,A.(2004)Phys.Rev.Lett.93:035503−1)、予測された急速な輸送速度が実験的に観察可能なはずであることを示唆する。実際的な比較として、表1は、水分フラックス塩分除去膜(Williams等(1999)Ind.&Chem.Chem.Res.38(10):3683)対SWCNT膜に関する予測水分フラックス(Kalra等(2004)PNAS 100(18):10175)を示す。従来の動作圧力下では、SWCNT膜は、100倍大きい水分フラックスを示す。あるいは、このSWCNT膜は、かなり低い動作圧力で高水分フラックスを達成し得る。
(織物)
本項は、単一壁カーボンナノチューブ膜を含むカーボンナノチューブに基づく耐化学/生物(CB)因子膜の開発を説明する。この膜は、分子ふるいとして作用し、多くのCB因子が分類される(たとえば、VXガス、サリン、マスタードガス)カテゴリである大きい(つまり約1nmの)分子に対するサイズ選択性を示す。ナノチューブのサイズ選択性は、空気および水分の交換を可能にし、一方で、CB因子に対する障壁として作用する。この組合せは、兵士による使用に適するCB被服に最終的に組み込まれ得る「通気性材料」を形成する。
本項は、単一壁カーボンナノチューブ膜を含むカーボンナノチューブに基づく耐化学/生物(CB)因子膜の開発を説明する。この膜は、分子ふるいとして作用し、多くのCB因子が分類される(たとえば、VXガス、サリン、マスタードガス)カテゴリである大きい(つまり約1nmの)分子に対するサイズ選択性を示す。ナノチューブのサイズ選択性は、空気および水分の交換を可能にし、一方で、CB因子に対する障壁として作用する。この組合せは、兵士による使用に適するCB被服に最終的に組み込まれ得る「通気性材料」を形成する。
生体適合性の気体および液体不浸透性ポリマー基質材料中に埋め込まれる、約1nm径の垂直整列されたCNTから構成される堅固な膜が製造され得る。ナノチューブは膜にわたり得、両側が開放し、空気および水浸透性のための唯一のチャネルとして役立ち得る。カーボンナノチューブの表面の固有性の結果として、高度の空気浸透性および水浸透性が達成され得、この膜を被服に組み込むための魅力的な選択肢にする。
CNT膜は、兵士の必要性を満たすことができ、使用される従来の材料より優れた性能を提供する。理論によって拘泥せずに、このCNT膜の動作のサイズ排除の根拠は、従来作動された炭素吸着ベースの材料に対して最大の利点を提供することであると考えられる。重要なことに、ポアサイズがはるかに小さいにも関わらず、同程度またはそれ以上の空気浸透性が達成され得る。この膜は可撓性で耐久性があり、汚れに対して耐性を有する。
本項は、耐CB因子被服の要件を満たす膜製造方法を説明する。多重壁カーボンナノチューブ(約10nmのポアサイズ)に基づいて、ポアが比較的大きい膜を製造する際に使用された方法と同じ方法を使用して、膜のポアとして役立つ垂直整列された単一壁カーボンナノチューブ(約1nmのポアサイズ)を製造した。この膜の基質材料として役立ち得るポリマー(たとえば、パリレン−N)で、カーボンナノチューブを等角に被覆できることも実証された。(多重壁)カーボンナノチューブ膜を通る改善された気体拡散も実証され、速度は、伝統的な輸送モデルで予測される速度より最大3桁増加した。
この膜によって提供される2つの重要な特徴は、サイズ選択性および高い空気/水浸透性である。サイズ選択性は、たとえば単一壁カーボンナノチューブ(SWCNT)を膜のポアとして使用することにより確保され、サイズは、0.4〜2nmのサイズである。このような分子サイズのポアは、炭/活性炭の含浸に基づく従来の多くのCB防護被服のように、物質の吸着に頼るのと対照的に、サイズ排除のみに基づいて、着用者がCB因子に曝露されるのを防止するはずである。
先行する実施例は、内径が約7nmで、窒化ケイ素に埋め込まれた多重壁ナノチューブから成る堅固な膜の製造を実証しているが(J.Holt等(2004)Nanoletters,4(11),2245−2250)、これは、所望のサイズ選択性を達成するためには非常に大きいサイズであるが、類似のプロセスが、単一壁カーボンナノチューブに適用可能であると考えられた。Si(100)基板から開始して、電子ビーム蒸着により、金属触媒層が数nmまで堆積され、次に酸化ステップが続き、表面が安定化する。このサンプルは、次に、該サンプルが850℃の成長温度まで加熱されて、Ar/H2雰囲気中で還元され、金属触媒ナノ粒子を形成する。温度が安定すると、C2H4が導入され、成長時間に応じて高さが5〜100μmのカーボンナノチューブが形成される。次に、低応力窒化ケイ素(SiNx)が堆積され、ナノチューブ間の隙間を充填する。その後、水酸化カリウム(KOH)を利用する一連のエッチングステップ、および反応性イオンエッチング(RIE)を行い、膜の上部および底部でナノチューブを露出させる。
このMWCNT/SiNx膜の気体浸透性は、従来の輸送モデルによって予測される速度より、最大3桁の速度増加を示すことを特徴とする。局所的な気体の平均自由行程が、ポア径と比べて2桁以上大きい分子流体系内の気体拡散の場合、クヌーセン拡散モデルが一般に適用される。このモデルは、気体分子間の相互作用がないこと、およびポア表面からの気体分子の拡散散乱を仮定している。パームポロトメトリで(permporometry;以下で説明)観察されたおよび透過型電子顕微鏡で観察された平均ポアサイズが7nm、ポア密度の上限が、MWCNTのポア密度(走査型電子顕微鏡によって観察した)に等しいと仮定すると、この膜に関して測定された気体浸透性はクヌーセン拡散による予測より最大3桁大きい。図5は、様々な気体のこのデータを分子量で正規化された流量対圧力降下の形態で、クヌーセン予測と共に表す。
これらのデータは、カーボンナノチューブ膜を通る改善された気体フラックスを示す。カーボンナノチューブを通る気体フラックスのこうした改善は、以前はSWCNTの分子動力学シミュレーション(A.Skoulidas等(2002)Phys.Rev.Lett.,89,18590−1)によって予測されており、このシミュレーションは、ポア表面からの気体分子の拡散反射ではなく正反射を生じる固有の原子の平滑性に関連する。特に、単一壁カーボンナノチューブは、これらのシミュレーションにより、ゼオライトなどの匹敵するサイズのナノ材料(ナノ多孔性アルミナまたはシリカ材料)より3桁大きい気体フラックスを示すと予測され;このフラックスは、クヌーセン拡散を仮定して予測されたフラックスと比べても3桁大きい。さらに最近では、直径8.1nmまでのSWCNTに関するシミュレーション(Molecular Simulationに提出されたS.K.Bhatia等(2005))は、同様に、拡散反射の限界と比較してほぼ2桁の改善を予測している。
カーボンナノチューブに基づく織物の開発では、窒化ケイ素などの脆弱なセラミック材料は、適切な結合材料ではない。パリレン−N(非置換ポリ−p−キシリレン)などのポリマー基質材料、および特にパリレン−Nは、化学的不活性、最大425℃の熱安定性(N2中において)、疎水性、および優れた隙間充填機能を有するピンホールのない等角被覆(Ganguli等(1997)J.Vac.Sci.Technol.A,15,3138)を仮定すると有利であり得る。カーボンナノチューブのコーティングに対するこのプロセスの適性の最初の実証として、パリレン−Nの5μm厚の層(均等な基板の厚さ)を、MWCNTの60μmアレイ上に堆積し、その断面を図6に示す。このポリマーは、ナノチューブを効率的に湿潤させて、等角被覆を形成し、この自立膜の上部数マイクロメートルが(支持ケイ素基板は、この場合除去された)、ポリマーによって完全にカプセル化されることが実証される。堆積時における比較的低い圧力操作、およびパリレンの高温リフロー(ほぼその融点)など、堆積プロセスの変更は、比較的高密度のSWCNTアレイを被覆するのに明らかに必要な被覆率を著しく改善しなければならない。
膜の製造に適するように制御されたサイズ、および垂直整列された構成のSWCNT成長が望ましい。SWCNTの成長のサイズおよび向きの制御の達成は、問題が多く、その結果、これまでいくつかの研究グループのみによって報告されている(Murakami等(2004)Chem.Phys.Lett.,385,298;K.Hata等(2004)Science,306,1362)。3層触媒の使用による垂直整列されたSWCNTの成長は、100ÅのAl、3ÅのMo、および5ÅのFe(「名目上の」厚さ)から成る。図7は、ラマン分光法により、直径1〜2nm、および高さ約3〜4μmであることが確認された、これらの垂直整列されたSWCNTの走査型電子顕微鏡(SEM)画像であり;最近の実験は、最大500μmの高さを実証した。このSWCNTアレイの空隙のないコーティングは問題の多い作業であり、つまり、SWCNTの面密度(10〜13cm−2)は、MWCNTの面密度(10 10cm−2)より約3桁大きく、チューブ間の隙間は1000を超えるアスペクト比を有することになるからである。多くの従来の体積プロセスは、堆積速度が速いことを考えると、こうした構造のコーティングに適さず、先駆物質が表面に沿って拡散するために十分な時間を可能にせず、空隙が生じる結果になる。パリレンなどのポリマーにより可能になる高温の堆積後のリフローは、これらの材料をこうした用途に好ましくする。
高い空気浸透性に加え、高い水の浸透性は、提案されている膜の良好な適用に重要である。最近のいくつかの分子動力学シミュレーションの研究は(Hummer等(2001)Nature,414,188;K.Koga等(2001)Nature,412,802)、単一壁カーボンナノチューブによる類似の改善された水浸透性を予測している。カーボンナノチューブを通る水の予測された高フラックスは、連続計算の予測と比べて2桁以上大きく、やはりカーボンナノチューブ表面の原子の平滑性、およびSWCNTの長さスケールで生じ得る分子の順序化に関連する。これらのシミュレーションは、カーボンナノチューブ内に閉じ込められた水分子の一次元順序化を提案し、これは、これらの水分子間の単一水素結合を生じる。これらのいわゆる「水ワイヤ」は、生物系に関連があり(Rouseau等(2004)Phys.Chem.Chem.Phys.6:1848)、これらの順序化およびポア壁との相互作用がないことの結果として、カーボンナノチューブチャネル間を急速に往復することができ;こうした疎水性チャネル内に閉じ込められた水は、実際、表面から遠ざかることが示されている。中性子回折格子を使用した最近の実験は、実際、カーボンナノチューブポア内に「水ワイヤ」が存在することを確認しており(Kolesnikov,A.(2004)Phys.Rev.Lett.93:035503−1)、予測された急速な輸送速度が実験的に観察されるであることを示唆している。
SWCNT膜は、従来の織物と比べて、優れた特性を示し得る。その主な利点は、堆積と違って、CB因子のサイズ排除に依存していることにより、それでもなお匹敵するか、またはより良好な空気浸透性を維持している。その他の利点としては、可撓性、耐久性、およびパリレンなどのポリマー基質材料の使用による汚れに耐性があることを含む。
このような被服に対する重要な要件としては、前の被服よりCB因子に対する防護が大きい、可撓性および耐久性が大きい、洗濯される能力、ビート応力が減少したこととを含む。現在使用されている上着は、50150ナイロン/綿材料から成る外殻を有し、二重撥水仕上げが施されている。ライナー層は、活性炭球に積層されると共に、トリコットニットの裏に付着された不織前部から構成される。すべての重要なCB因子の吸着が生じる炭または活性炭を含むライナー層の使用は、広範な従来のCB防護被服に共通である。
しかし、活性炭の使用に問題があるのは、多数の揮発性有機化合物(VOC)による吸着である。戦場の状況では、タバコの煙、ジェット燃料、ディーゼル排気などの環境汚染物質が、活性炭中の以前に吸着された化学物質に取って代わるか、またはそれらの初期吸着を妨げることが実証されている(J.E.Roehl等「Residual Life Indicators − Point Chemical Detectors Used to Measure the Capacity of Activated Carbon in Protective Garments, Gas Mask Filters, and Collective Protection Filters」,Scentczar Corporation Report)。VOCなどの無極性吸着質に対する親和性を与えるのは、活性炭の無極性表面である。吸着は、物理吸着および化学吸着作用の両方によって生じる。その結果、活性炭の吸着特性は、表面積、ポアサイズ、温度、吸着質の濃度、および接触時間の複雑な組合せである。これは、活性炭ベースの被服の防護機能に相当の変動性を与えるため、このような被服の有効な残存能力を示す残存耐用期間指標(RLI)を開発する必要がある。
効果的かつ有意義なテストプロトコルの開発は、耐CB因子織物の使用要件の重大な特質を考えると、これらの織物の開発に重要である。一連の様々な空気浸透性炭含浸スーツの場合、プロトコルは、液体汚染からのサリン(GB)およびマスタード(HD)の蒸気透過をテストするために、Aberdeen Proving Groundsで開発された。蒸気浸透テストでは、テストされる織物の材料見本には、一定量の液剤(10g/m2)を上面に塗布し、密閉フローセル内に実装した。空気を下部テストセルチャンバ内に引き込むことにより、材料見本全体に0.1インチの水の一定の圧力降下(0.004psi)を維持した。24時間を超えると、気体サンプルは、小型気体クロマトグラフサンプリングシステムを使用し、予備濃縮機チューブから2分間の堆積時間、次に1分間の気体サンプリング時間を使用して連続的に得られた。
これらの研究に使用された評価基準は、特定の生理的効果が観察される経皮(皮膚)吸収量によって決定された(表2)。たとえば、サリンは、8,000mg−分/m3の吸収量で無力化(筋肉の単収縮、痙攣、または意識消失)を生じ、15,000mg−分/m3の吸収量で死を招き得る。直径0.4〜5nmの生物学的または化学的微粒子をシミュレートするため、エアロゾルテストも実施された。このテストは、空気浸透性スーツのアンサンブル構成要素間の隙間を通る問題のコーンオイルエアロゾルの浸透性の測定を伴った。
SWCNT膜は、LANXなど、従来の活性炭ベース材料に対し多くの利点を提供する(R.S.Lindsay等(2002年9月)「Test Results of Air−Permeable Charcoal Impregnated Suits to Challenge by Chemical and Biological Warfare Agents and Simulants:Summary Report」、米陸軍兵士生物学化学コマンド、ECBC−TR、Aberdeen Proving Grounds、MD、未分類報告書)。LANXなどの織物と比較したその主な利点は、CB因子に対する改善された防護にある。こうした改善は、この膜のポアサイズ(約1nm)と比較して従来のCB因子のサイズが同等または比較的大きいと仮定すると、CB因子のサイズ排除という動作原理によって可能である。SWCNT膜は、LANXのように吸着に頼るのではなく、その汚れの傾向を著しく減少させる。Lindsay等の研究「Test Results of Air−Permeable Charcoal Impregnated Suits to Challenge by Chemical and Biological Warfare Agents and Simulants: Summary Report」、米陸軍兵士生物学化学コマンド報告書、ECBC−TR、Aberdeen Proving Grounds、MD、未分類報告書)では、露出閾値(一定の生理的効果を生成するために、スーツに浸透させるのに必要な物質の面密度として定義)は、様々な物質について計算した(表2は、サリンに関して記載する)。SWCNT膜の場合、物質は、膜を横断して浸透すると思われないので、露出閾値は、すべての実際の目的では無限である。LANX織物は、サイズ排除と対照的に(これらは、著しく大きいポアサイズを有するため)物質の吸着に頼っており、その結果、これらの閾値定格は所定の仕様である。この膜のその他の物理的特性も、この用途に有利である。Lindsay等(R.S.Lindsay等(2002年9月)「Test Results of Air−Permeable Charcoal Impregnated Suits to Challenge by Chemical and Biological Warfare Agents and Simulants:Summary Report」、米陸軍兵士生物学化学コマンド報告書、ECBC−TR、Aberdeen Proving Grounds、MD、未分類報告書)による研究で決定された従来の織物の空気浸透性(圧力正規化)は、1.1〜23cm3/cm2−min−Paの範囲である。比較すると、MWCNT膜に関するこれらの測定結果は、0.13〜0.17cm3/cm2−min−Pa(10pm厚の場合)の空気浸透性を生じた。しかし、このSWCNT膜の場合、空気浸透性の改善は、ポア密度の3桁の増加によって最大30倍まで予想され、ポアサイズの減少を相殺する。これは、約5.1cm3/cm2−min−Pa(10pm厚の場合)と解釈され、活性炭ベースの物質のいくつかに匹敵するか、またはそれ以上である(表2)。この膜のナノメートルのポアサイズを仮定すると、このように高度の空気浸透性が可能であることは、多少反直感的である。しかし、この膜の高ポア密度(1013cm−2)は、カーボンナノチューブの原子レベルの平滑性と結びつくと、気体輸送の著しい改善をもたらす。
上記の理由から、カーボンナノチューブの固有の原子の平滑性に関連して、ナノチューブベースの膜の空気浸透性の改善は、同様に、結果として水浸透性の改善につながると考えられる。2000W/mKのカーボンナノチューブの熱伝導性が、銅の400W/mKと比較してきわめて高いことも注目に値する。これらの特性は、熱応力の低下を示す織物を製造することを可能にする。発汗時に生じるような熱および水分負荷の変化に応答する織物を定量化する手段として、「動的発汗ホットプレート(Dynamic Sweating Hot Plate)」法と呼ばれる標準的なテスト方法(ISO−STD11092)を利用可能である。
このSWCNT膜単独の重量(面積基準で)は、LANX織物の重量未満でなければならないが(12.3〜123g/m2対250g/m3(http://www.Lanxfabrics.com/CPOShellFabrics.htmから無料提供))、有効厚さが比較的小さいことを仮定すると(10〜100μm対0.4mm)、この膜は、単独では使用されず、その代わりに別の支持用の高多孔性織物と一体化され、これらの面積重量は多少高くなることが理解される。可撓性は、パリレンなどのポリマー基質材料をカーボンナノチューブと共に使用すると仮定すると、このSWCNT膜の場合は容易に満たされ、これらの基質材料は、改善された複合材料中の他の多くのファイバと違って、著しいい屈曲(最大110°の角度)に耐え(Iijima等(1996)J.Chem.Phys.:104(5):2089−2092)、それでもなおそれらの構造の完全性を保つことが可能である。この膜の耐久性の主な問題は、ナノチューブと基質との界面、およびこの界面における付着程度に関連する。MWCNTをパリレン−Nで被覆する結果は、(2つの材料の類似の疎水性により)優れた湿潤性を示す。本願で提案されるSWCNT織物(その最終的な形態における)とLANXとを、つかみ強度(grab strength)(方法ASTM D−5034)および破裂強度(ASTM D−3787)(耐久性)などの特性の点で比較することは当初は不可能であり、膜と組み込むための様々な支持用多孔性織物を調査する必要がある。SWCNT膜は、この支持織物の特性が物質の全体的な機械的特性を決定するために、本質的に十分に強力である。たとえば、LANX織物のつかみ強度(あるタイプの引張り強度テスト)は約11psiだが(http://www.Lanxfabrics.com/CPOShellFabrics.htmから無料提供)、パリレン−Nは、より桁の大きい固有引張り強度(最大65,000psi)を有する(http/www.vp−scientific.com/paryleneproperties.htmから無料提供)。支持織物の適切な選択により、本願のSWCNT膜は、LANX織物の機械的特性に匹敵するか、またはこれを改良する。
SWCNT膜によって提供されるその他の主な利点は、その堅固性である。カーボンナノチューブは、化学的に不活性であり(先端を除いて、ダングリング結合がない)、耐溶剤性であり、400℃以下の空気中で安定している。パリレン−Nなどのポリマーは生体適合性、化学的に不活性、高温(約400℃)において熱安定性、疎水性、および材料中に極性の実体が存在しないため、様々な溶剤による化学攻撃に対して耐性をもつ(Rogojevic等(1999)J.Vac.Technol.17(l):266−274;Hou等(2002)Macromolecules 35:2429−2431)。これらの理由から、CB因子またはその他の環境汚染物質による膜の「汚れ」は最小限であるか、または「汚れ」がなく、これらの材料は、劣化することなく洗濯に耐える能力を有することは明らかである。対照的に、LANXなどの活性炭ベースの織物は、VOCにより汚れる可能性があり、耐用期間が限られ、上記の残存耐用期間指標を必要とする。SWCNT膜が、吸着以外の動作機構としてサイズ排除に頼っていると仮定すると、耐用期間は原則として無期限である。最終的に統合された形態のSWCNT織物の図が、図8に示される。
(透析)
本明細書に記載される材料は、たとえば、腎臓により行われるナノ濾過に類似するナノ濾過など、生物学的応用にも用途がある。たとえば、ナノチューブ、およびナノチューブを含む膜は、血液または血清中の検体の分離に使用され得、したがって、生体外および生体内における透析の方法および材料を提供する。
本明細書に記載される材料は、たとえば、腎臓により行われるナノ濾過に類似するナノ濾過など、生物学的応用にも用途がある。たとえば、ナノチューブ、およびナノチューブを含む膜は、血液または血清中の検体の分離に使用され得、したがって、生体外および生体内における透析の方法および材料を提供する。
透析における最近の進歩のいくつかは、多孔性制御、高フラックス剛性膜の分野において見られている。多孔性制御は、<40kDの分子量の溶質の最大浸透性、およびアルブミン(48kD分子量、有効直径約6〜7nm)の浸透が最小限か、または浸透しない状態で、所望の分離/ふるい分けを達成する上で重要である。高フラックス膜は、処理時間を短縮するという重要な利点を提供する。多重壁カーボンナノチューブ膜は、必要な多孔性制御(サイズ排除に基づくアルブミンの選別)、および現在のナノ加工透析膜によって提供されるフラックスよりはるかに高いフラックスの両方を提供する。膜上に負に帯電した官能基が存在することも、同様に帯電したアルブミンの浸透を減少させるのに役立つ。図14は、多孔性制御を示す。
(気体分離)
MWCNT/SiNx膜の気体浸透性が特徴化され、該膜は、従来のモデルにより予測される量より、最大3桁まで大きい測定量を示した。局所的な気体平均自由行程が、ポア径より2桁以上大きい分子流体系内の気体拡散の場合、一般に、クヌーセン拡散モデルが適用される。このモデルは、気体分子間の相互作用がないこと、および表面からの気体分子の拡散散乱が支配していることを仮定している。この膜で測定された気体浸透性は、クヌーセン拡散によって予測される気体浸透性より最大3桁大きく、以下に記載するように、窒素多孔度観察による平均ポアサイズが7nmであり、ポア密度の上限がMWCNTの上限に等しい(走査型電子顕微鏡で観察して)と仮定して、クヌーセン拡散によって予測される値より最大3桁大きい。図5は、分子量正規化流量対圧力降下の形式の様々な気体に関するデータ、およびクヌーセン予測を表す。これらの結果は、カーボンナノチューブ膜を通る気体フラックスの改善された第1の実験的な実証を構成する。カーボンナノチューブを通る気体フラックスのこうした改善は、以前は、SWCNTの分子動力学シミュレーションによって予測されており、ポア表面からの気体分子の拡散反射ではなく正反射を生じる固有の原子レベルの平滑性に関連する。特に、単一壁カーボンナノチューブは、これらのシミュレーションにより、ゼオライトなどの匹敵するサイズのナノ材料(ナノ多孔性アルミナまたはシリカ材料)より3桁大きい気体フラックスを示すと予測され;このフラックスは、クヌーセン拡散を仮定して予測されたフラックスと比べても3桁小さい。さらに最近では、直径8.1nm以下のSWCNTに関するシミュレーション[Molecular Simulationに提出されたS.K.Bhatia,H.Chen,およびD.S.Sholl,「Comparisons of Diffusive and Viscous Contributions to Transport Coefficients of Light Gases In Single−Walled Carbon Nanotubes」、2005]は、同様に、拡散反射の限界と比較してほぼ2桁の改善を予測している。当業者には明らかなように、本明細書に記載される膜は、上記の技術を使用して、気体および気体混合物から空気で運ばれる大きい粒子の濾過および分離にも使用することができる。
MWCNT/SiNx膜の気体浸透性が特徴化され、該膜は、従来のモデルにより予測される量より、最大3桁まで大きい測定量を示した。局所的な気体平均自由行程が、ポア径より2桁以上大きい分子流体系内の気体拡散の場合、一般に、クヌーセン拡散モデルが適用される。このモデルは、気体分子間の相互作用がないこと、および表面からの気体分子の拡散散乱が支配していることを仮定している。この膜で測定された気体浸透性は、クヌーセン拡散によって予測される気体浸透性より最大3桁大きく、以下に記載するように、窒素多孔度観察による平均ポアサイズが7nmであり、ポア密度の上限がMWCNTの上限に等しい(走査型電子顕微鏡で観察して)と仮定して、クヌーセン拡散によって予測される値より最大3桁大きい。図5は、分子量正規化流量対圧力降下の形式の様々な気体に関するデータ、およびクヌーセン予測を表す。これらの結果は、カーボンナノチューブ膜を通る気体フラックスの改善された第1の実験的な実証を構成する。カーボンナノチューブを通る気体フラックスのこうした改善は、以前は、SWCNTの分子動力学シミュレーションによって予測されており、ポア表面からの気体分子の拡散反射ではなく正反射を生じる固有の原子レベルの平滑性に関連する。特に、単一壁カーボンナノチューブは、これらのシミュレーションにより、ゼオライトなどの匹敵するサイズのナノ材料(ナノ多孔性アルミナまたはシリカ材料)より3桁大きい気体フラックスを示すと予測され;このフラックスは、クヌーセン拡散を仮定して予測されたフラックスと比べても3桁小さい。さらに最近では、直径8.1nm以下のSWCNTに関するシミュレーション[Molecular Simulationに提出されたS.K.Bhatia,H.Chen,およびD.S.Sholl,「Comparisons of Diffusive and Viscous Contributions to Transport Coefficients of Light Gases In Single−Walled Carbon Nanotubes」、2005]は、同様に、拡散反射の限界と比較してほぼ2桁の改善を予測している。当業者には明らかなように、本明細書に記載される膜は、上記の技術を使用して、気体および気体混合物から空気で運ばれる大きい粒子の濾過および分離にも使用することができる。
(作業実施例)
本明細書に記載する様々な実施態様について、以下の限定的でない実施例を使用して、さらに説明する。
本明細書に記載する様々な実施態様について、以下の限定的でない実施例を使用して、さらに説明する。
(実施例1)
この実施例は、窒化ケイ素基質中に埋め込まれる多重壁カーボンナノチューブの製造を説明する。
この実施例は、窒化ケイ素基質中に埋め込まれる多重壁カーボンナノチューブの製造を説明する。
これらの膜の全体の製造プロセスを、図1に示す。開始材料は、片側を研磨したテストグレードのSi(100)である。ナノチューブの成長に使用した触媒は鉄であり、電子ビーム蒸着により、2.5〜5.0nmの厚さまで堆積させた。サンプルは、鉄を堆積した後、短時間アニーリングし(500℃、1時間、10sccmO2)、Fan等(1999)283:512−514、に記載されている方法を使用して表面を酸化させた。空気中において室温で数日間にわたって酸化させたサンプルは、触媒効率が低下し、低密度のナノチューブアレイを製造することが観察された。サンプルを、次に、大気圧CVDシステム(1”径チューブ炉)内に配置し、最初に、温度が850℃の成長温度まで上昇したときに、Ar/H2(600sccm/400sccm)の還元環境に20分間曝露する。この時点で、直径が20〜100nmの範囲の個々の鉄ナノ粒子が生じる。直径分布は、鉄の厚さが減少するにつれて、比較的小さい粒子に偏る。鉄ナノ粒子は、ナノチューブの成長のための触媒および核形成部位として作用する。温度が安定した後、C2H4(1000sccm)を導入し、ナノチューブの成長を開始させる。ナノチューブの成長は20分間で行われ、図2Aに示すように、約5〜10μm長および20〜50nm径の多重壁ナノチューブの緻密なアレイが生じる。チューブの綿密度は、一般に4×1010cm−2である。ナノチューブ間の空隙に、チューブに適合する剛性の不浸透性材料を充填すると、膜内への処理を可能にする。低応力窒化ケイ素の特性によって、この材料は特にこの目的に適する。したがって、チューブの成長後、サンプルを低圧CVD炉内に配置し、800℃の堆積温度、および6:1の比率のジクロロシラン対アンモニアを使用して、低応力窒化ケイ素層を堆積させる。400〜800nmの目標フィルム厚さは、5〜10μm厚のナノチューブフォレストのバルクを充填し、上部をカプセル化するのに十分であることが実証された。窒化ケイ素プロセスの非酸化雰囲気により、カーボンナノチューブの損傷は、こうした高温では見られず、チューブは、プロセスを通して整列状態を維持する。また、ナノチューブ内部に窒化ケイ素を充填する問題は殆どなく、つまり、透過型電子顕微鏡(TEM)により、ナノチューブは、上部が黒鉛状のキャップと共に成長することが観察されたからである。この材料により提供される優れた被覆率は、図2Bの画像で見ることができ、フィルム(断面の形成によって部分的に破断されている)は、個々のナノチューブをカプセル化しているように見える。
連続的な開放チャネルが形成されるまでに、多数の追加の処理ステップが必要である。3.6:1の比率のCF4:O2を150Wの電力で使用する反応性イオンエッチング(RIE)は、窒化ケイ素層内に窓を開けて、ケイ素基板の裏側を露出させるために使用する。次に、露出ケイ素の異方性KOHエッチングを行って、ナノチューブ/窒化ケイ素フィルムの被覆を外す。CNT上に堆積された過剰な窒化ケイ素を除去し(ケイ素基板の反対側)、CNTの先端を開放するため、再びRIEを使用する。あるいは、Ar−イオンミリングを、0.5kVのイオンエネルギーおよび1mA/cm2ビーム電流密度の条件下で使用することができる;材料の選択性がないため、このプロセスは一般に、はるかに滑らかな表面を生成する。このチューブ開放ステップは、露出したカーボンナノチューブに液体が充填される可能性を防止するために、KOH湿潤処理後に行われることが重要である。ケイ素が、KOHエッチングによって除去された界面(膜の「裏側」と呼ばれる)を検査すると、多数の明るい粒子が明らかになり(図2C)、これらは、エネルギー分散型X線(EDX)分析によって、鉄を含むことが確認された。カーボンナノチューブの外径に相当するこれらのサイズ(20〜50nm)を考慮すると、前の処理ステップで除去されなかった残留鉄触媒粒子が存在することを示唆している。これらの粒子の多くは、ナノチューブのコアに接近することを妨げるので、これらの粒子を除去する方法が考案された。この方法は、数nmの窒化ケイ素を除去し、鉄ナノ粒子をさらに露出させるための簡単なRIEプロセス(または上記のイオンミリングプロセス)から成る。図2Cは、イオンミリングプロセス後の膜の裏側を示しており、40〜90nmのポアが明らかであり、これは、鉄ナノ粒子およびナノチューブの外径に相当するサイズである。エッチング/イオンミリングステップ後、鉄ナノ粒子は、サンプルを濃縮HCl中に24時間浸漬することによって除去される。その後のEDX分析は、大部分(>90%)のナノ粒子の除去を確認した。この段階で、カーボンナノチューブ膜の製造は完了である。ナノ多孔性窒化ケイ素膜が代わりに望ましい場合、ナノチューブは、酸化処理(800℃、10sccmO2、1時間)によって除去可能である。
これらの膜の機械的完全性は、その後、これらの膜を特徴化するための重要な問題である。窒化ケイ素などのセラミック材料の固有の脆弱性により、処理後に残る空隙(ナノチューブアレイの不完全な被覆による)は、膜に亀裂を生じて、最終的に破断させる原因になる可能性がある;図2Dは、膜の内部にこのような空隙が明らかな膜の断面画像である。しかし、多重壁CNT−炭化ケイ素複合材料に関するMa等の研究(Ma等(1998)J.Mater.Sci.33:5243−5246)が示唆しているとおり、さもなければ伝播して膜を破裂させる可能性がある亀裂を偏向させることによって、CNTは適度な改善作用を提供することができる。この研究で製造されたCNT−窒化ケイ素複合材料の機械的強度をテストするため、完全に処理されたCNT膜は、片側を開放すると共に、他方の側を真空下に配置した状態で、Oリングで封止された固定具内に実装した。これらのテスト条件では、5つの膜のうち1つだけが破断した。van Rijn等(Rijn等(1997)J.Microelectromech.Syst.6:48−54)から導かれた式を使用すると、固体窒化ケイ素膜が、破裂前に耐えることが可能な理論上の最大圧力降下(ΔP)は、以下により与えられる:
ここで、tmは膜の厚さ(5μm)、rmは膜の半径(2.5mm)、およびσyieldおよびEは、窒化ケイ素の降伏応力およびヤング率である。バルク窒化ケイ素の降伏応力4GPaおよびヤング率385GPa(Tong等(2004)Nano.Lett.4:283を参照)を用いて、実験のジオメトリについて約2atmの値を計算する。殆どのCNT膜が、匹敵する圧力降下(1atm)に耐えることができるという観察結果は、材料の大部分は膜を著しく脆弱化させず、亀裂を生じないことを示唆している。ナノ多孔性窒化ケイ素膜は、同様に堅固であることが観察され、ナノチューブの強化は重要ではなく、その強度は、膜の空隙部分が全体に少ないためであることを示唆している。
処理時の別の問題は、膜内部の空隙が、窒化ケイ素のエッチング時に曝露される可能性である。膜の断面の顕微鏡写真は、連続する空隙のない領域が、ケイ素界面から約100nm延在していることを示している。膜の完全性のもう1つの全体的な検査として、大きい空隙が膜を通って伝播しないことを確認するため、蛍光トレーサ実験を実施した。エポキシ樹脂を使用して、完全に処理されたCNT膜を容器の両側に接着した。一方の側には純水を使用し、他方の側には、最初に100nm径、次に25nm径(別の実験で)の蛍光標識したポリスチレンビードを溶液中に配置し、これらは共に、図2Dの数百nmの明らかな空隙より小さい。48時間後、純水容器からの溶液を抽出し、蛍光共焦点顕微鏡検査法により検査した。いずれの実験でも、標識されたポリスチレンビードの拡散の証拠はなく、膜内部のこれらの空隙を伝播しなかったため、ナノチューブ内部は、分子輸送に最も可能性のある導管として残っていることを示唆している。この基質材料からの膜貫通空隙を、回避することができる。これらの測定の次に、重水(D2O)を一方の容器に入れ、純水を他方の容器に入れて、等方性トレーサ測定を実施した。24時間後、純水容器からサンプルを抽出して、安定同位体質量分析法で分析した結果、約100万分の1という水素に対する重水素の感度だった。この場合、D2Oの拡散の証拠はなかったので、膜を通る浸透率の上限は、2.4×10−8モル/m2−s(分析技術の感度によって決定)ということになる。これは、かなり小さい単一壁カーボンナノチューブを通る拡散に関して、分子動力学シミュレーションによって計算された0.29モル/m2−sというフラックスと極めて対照的である。実際、この実験の唯一の開放チャネルが、カーボンナノチューブの内部から成っていた場合、測定可能なフラックスD2Oが予測されている。ここで観察された低フラックスは、このチャネルが遮断されていることを示唆している。特に、この膜のCNTは中空ではなく、代わりに、長さに沿って周期的に離間されたチャンバから成る十分に公知の「竹状」形態(Cui等(2001)88:6072−6074)を形成することは可能である。この文献では、ナノチューブ形態の特徴化は、多くの場合、全長(多くの場合、10μmを超える)の小部分(約100nm)のTEMに基づいている。したがって、文献で報告されている名目上中空のチューブでも、実際には遮断される可能性があると思われる。この研究におけるCNTの大部分は、図3のTEM顕微鏡で見られるように、「竹状」形態の証拠を示している。
内部を通る分子輸送を測定可能なナノメートルスケールの開放チャネルを製造するため、カーボンナノチューブ膜を酸素炉内に配置し(800℃、1時間、10sccmO2)、ナノチューブを選択的に酸化させた。次に、結果として得られたナノ多孔性窒化ケイ素膜を、O−リングで封止され、質流量制御装置および圧力計を膜の上流に有するフローセル内に配置した。加圧窒素ラインは上流に取り付け、他方の端部は大気に対して開放していた。同様の寸法の多孔性材料を使用した制御実験は、すべての接続部は漏れがなく、膜は唯一の気体輸送経路であることを確認した。流量を圧力降下の関数として測定することにより(図4を参照)、膜のパーミアンスを決定することができる。50〜1800Pa(0.007〜0.27psi)の範囲の圧力降下の場合、4.7×10−4モル/m2−s−Paのパーミアンスであると決定された。これは、2.6×10−6モル/m2−s−Paという値に匹敵し、この値は、CNTの予想内径範囲で直径7.5nm(上記のHinds等(2004))であると報告されたポアを有する多重壁CNTについて決定された値である。この研究の膜が、CNTの酸化除去によって形成されたと仮定すると、CNTの外径に独特の比較的大きいポアが予測され、これは、膜のパーミアンスが比較的大きく、開放チューブの割合が低い一因になる。TEM測定から得られたデータ(図3)は、CNT外径のサイズ分布が20〜50nmの範囲であることを示唆している。測定された膜のパーミアンスは、必然的に、このCNT外径のサイズ範囲のポアによって明らかにされ、分子輸送のモデルを考えることができる。
これらの膜のポアのサイズスケールにおける流体の挙動は、バルク連続輸送の挙動とは異なることが予想される。特に、窒素の場合の1atmにおける平均自由行程(66nm)と、窒化物のポアサイズの平均自由行程(20〜50nm)との比較は、滑り流と自由分子流との間の遷移流体系を示唆している(Bird等、Molecular Gas Dynamics, Clarendon Press:英国、オックスフォード(1976))。アルミナ膜を使用したItaya等による以前の研究(Itaya等(1984)J.Chem.Eng.Jpn.17:514)は、クヌーセン拡散が、10nm以下の長さスケールの分子輸送を適切に特徴化することができることを示した。したがって、気体と固体との衝突が弾性として処理され、散漫散乱が生じるクヌーセン拡散を仮定すると、膜を横断する気体分子フラックスは、線形の圧力降下である。
ここで、rはポア半径、Mは分子量、Rは気体定数、Tは温度、ρはポアの面密度、Vgは気体モル体積、ΔPは圧力降下、Cはアスペクト比依存要因≒(1+0.46・L/r)−1(Elwenspoek等(1998)Silicon Micromachining, Cabridge Univ.Press:Cabmridge, England,pp.216−355)、Lは、有効拡散長さである。限界L>>rにおけるナノ多孔性窒化ケイ素膜の実験で測定されたパーミアンス
代表的な膜のポア密度が4×1010cm−2、および有効拡散長さが10μmの場合(膜の厚さおよびナノチューブの捩れを考慮する)、平均ポア径は66nmと決定される。この値は、TEMで観察されたCNTの外径よりわずかに大きいが、この外径に匹敵する。この予想より大きい値は、窒化ケイ素が完全には充填されない堅く束ねられたCNTが主な原因である。参考のため、200nm名目上ポア径の微細孔アルミナフィルタ(Whatman Anodisc)(60μm厚、1.6×109cm−2ポア密度)のパーミアンスを測定したところ、この測定結果から計算されたクヌーセン直径は約180nmであり、これはポアサイズのSEMの観察結果に類似している。かなり小さいポア(1nmの範囲の単一壁ナノチューブ)の場合、分子とポアとの相互作用は、クヌーセン拡散で仮定された単純な弾性衝突モデルとは異なる。特に、これは、表面の分子被覆率に対する依存が見られることが予想される。このサイズ体系におけるモデリングおよび実験は、実施が可能である。
その後の液体実験では、ナノチューブ膜を横断する水のフラックスの概算も興味深い。van Rijn等の方法(Rijn等(1995)IEEE Conf. MEMBS’95;pp83−87)をこの計算に使用したが、この方法は、粘性の層流を想定し、壁による摩擦損失の補正率、隣接するポアの干渉作用を含み、何らかの非粘性運動損失は無視している。限界L>>rにおけるこれらの仮定では、水の分子フラックスは、以下のように与えられる:
ここで、μは液体粘度、Vwは水のモル体積であり、他のすべての変数は上記のとおりに定義される。長さ10μmおよび1atmの圧力降下の内径10nmのナノチューブの場合、水分フラックスは1.91モル/m2−sと計算される。内径1nmのナノチューブの場合、対応する水分フラックスは0.019モル/m2−sであり、分子動力学に基づく輸送速度(上記のHummer等(2001))を使用して、同様のサイズの単一壁ナノチューブについて決定された0.29モル/m2−sという値より1桁小さい。しかし、流体力学的モデルに使用されたように、壁に沿った滑りがないという仮定が、カーボンナノチューブの滑らかな疎水性の内部に対して満たされるかどうか(Zhu等(2002)Phys.Rev.Lett.88:106102)、そしてこれだけが、これらの2つの値の相違の原因かどうかは明らかではない。
概略すると、ナノ流体工学の研究に対して使用可能な堅固で空隙のない膜は、微細加工技術によって開発され、窒化ケイ素基質内に埋め込まれた多重壁カーボンナノチューブから成る。無孔性窒化ケイ素膜は、窒化ケイ素基質からこれらのカーボンナノチューブを酸化除去することによって形成された。この無孔性窒化ケイ素膜の気体浸透性を確認し、窒素パーミアンスを決定した。膜を通るクヌーセン型拡散を仮定すると、平均ポアサイズは66nmであると計算されるが、これは、多重壁ナノチューブの外径の平均ポアサイズに相当する。ナノチューブ膜のより小さいポアを通る1.91モル/m2−sという水輸送(流体力学的極限において)の計算された速度は、この構造が、液体による実験および実行可能なナノ流体工学デバイスに適することを示唆している。
(実施例2)
この実施例も、窒化ケイ素基質内に埋め込まれた多重壁カーボンナノチューブを説明する。
この実施例も、窒化ケイ素基質内に埋め込まれた多重壁カーボンナノチューブを説明する。
(多重壁カーボンナノチューブの成長および膜製造手順)
最初の基板は、テストグレードのケイ素(100)である。次に、薄い多層触媒を電子ビーム蒸着により堆積させたが、この多層触媒は、10nmのアルミニウム緩衝層上に2〜5nmの鉄から成る。触媒堆積後、サンプルを熱CVD炉内に配置し、アルゴンおよび水素の還元環境において(MWCNTの成長の場合、それぞれ600sccmおよび400sccm)760Torrの圧力で850℃の温度まで加熱し、この薄い金属層をナノ粒子に転換させた。温度が安定した後、1000sccmの流量でエチレンを導入し、ナノチューブの成長を開始させる。CNTは、1〜5μmの高さまで成長させる。ナノチューブのサイズの分布は、成長に伴う、ナノチューブについての透過型電子顕微鏡(TEM)によって特徴化される。TEMの測定は、300kVで動作し、電界放射電子銃の抽出電圧が4.2keVのPhilips CM300−FEG TEMを使用して実施した。
最初の基板は、テストグレードのケイ素(100)である。次に、薄い多層触媒を電子ビーム蒸着により堆積させたが、この多層触媒は、10nmのアルミニウム緩衝層上に2〜5nmの鉄から成る。触媒堆積後、サンプルを熱CVD炉内に配置し、アルゴンおよび水素の還元環境において(MWCNTの成長の場合、それぞれ600sccmおよび400sccm)760Torrの圧力で850℃の温度まで加熱し、この薄い金属層をナノ粒子に転換させた。温度が安定した後、1000sccmの流量でエチレンを導入し、ナノチューブの成長を開始させる。CNTは、1〜5μmの高さまで成長させる。ナノチューブのサイズの分布は、成長に伴う、ナノチューブについての透過型電子顕微鏡(TEM)によって特徴化される。TEMの測定は、300kVで動作し、電界放射電子銃の抽出電圧が4.2keVのPhilips CM300−FEG TEMを使用して実施した。
製造プロセスの次のステップは、サンプルに低応力LPCVD窒化ケイ素を(805℃で)塗布し、ナノチューブ間の隙間に充填して膜構造を形成することを含む。膜の上部の過剰な窒化ケイ素、および膜の裏側の金属ナノ粒子を、アルゴンイオンビームエッチングにより除去し、酸素含有血しょう中の反応性イオンエッチングによりナノチューブのポアを開放した。膜は、反応性イオンエッチングステップまで気体浸透性を示さなかった。
(気体測定設備)
気体選択性の測定は、O−リング封止フローセルを使用して高真空設備内で実施した。使用した装置は、ナノ多孔および分子ふるい膜の特徴化に使用した装置に類似している(たとえば、Acharya and Foley(2000)AlChe J.46:911を参照)。O−リング封止の完全性は、気体不浸透性のエッチングされていない膜を使用して、漏れ率検査を行って確認した。このような「ブランク」膜全体の正味の漏れは、開放浸透膜を通る漏れの1%未満だった。膜の両側は、<1mTorrの圧力まで排気して、次に両側を真空から隔離し、圧力変換器で監視しながら15psi(103kPa)の圧力まで、該当気体を充填した。次に、膜の下流側を排気し、膜を横断する安定した気体フラックスを確立した。次に、この下流側を真空から隔離し、膜を横断して一定の既知の量に気体を拡散させた。この圧力勾配は、実験過程全体を通して確実に一定に維持した。圧力がこの量まで上昇する速度は、より感度の良い下流圧力変換器で監視したが、この速度は、気体浸透性または拡散率に比例する(たとえば、Rutherford(1997),Adsorption 3:283を参照)。フローセルは、異なる気体を使用する実験の間に完全に排気し、ヘリウムの浸透性を検査して、実験間で膜の特性が変化しなかったことを確認した。膜を横断する流量の決定のために、質量流制御装置を膜の下流に配置し、値を直接測定した。この方法で決定された値は、立ち上がり速度測定から計算された値と良く一致した。
気体選択性の測定は、O−リング封止フローセルを使用して高真空設備内で実施した。使用した装置は、ナノ多孔および分子ふるい膜の特徴化に使用した装置に類似している(たとえば、Acharya and Foley(2000)AlChe J.46:911を参照)。O−リング封止の完全性は、気体不浸透性のエッチングされていない膜を使用して、漏れ率検査を行って確認した。このような「ブランク」膜全体の正味の漏れは、開放浸透膜を通る漏れの1%未満だった。膜の両側は、<1mTorrの圧力まで排気して、次に両側を真空から隔離し、圧力変換器で監視しながら15psi(103kPa)の圧力まで、該当気体を充填した。次に、膜の下流側を排気し、膜を横断する安定した気体フラックスを確立した。次に、この下流側を真空から隔離し、膜を横断して一定の既知の量に気体を拡散させた。この圧力勾配は、実験過程全体を通して確実に一定に維持した。圧力がこの量まで上昇する速度は、より感度の良い下流圧力変換器で監視したが、この速度は、気体浸透性または拡散率に比例する(たとえば、Rutherford(1997),Adsorption 3:283を参照)。フローセルは、異なる気体を使用する実験の間に完全に排気し、ヘリウムの浸透性を検査して、実験間で膜の特性が変化しなかったことを確認した。膜を横断する流量の決定のために、質量流制御装置を膜の下流に配置し、値を直接測定した。この方法で決定された値は、立ち上がり速度測定から計算された値と良く一致した。
(実施例3)
この実施例は、内径が約2nm未満の垂直整列されたカーボンナノチューブアレイの製造について説明する。
この実施例は、内径が約2nm未満の垂直整列されたカーボンナノチューブアレイの製造について説明する。
(製造手順)
製造プロセスの略図を、図9Aに示す。
製造プロセスの略図を、図9Aに示す。
最初の基板は、約250nmの低圧化学蒸着(LPCVD)低応力窒化ケイ素(Si3N4)を塗布したテストグレードのケイ素(100)である。フォトリソグラフィおよび反応性イオンエッチングを使用して、デバイスの特徴を規定し、KOH中で異方性ケイ素エッチングを使用して予備パターニングを行った。デバイスの寸法は2×2cmであり、各々、側部の寸法700×700マイクロメートルの89個ピットのアレイを有し、約50マイクロメートルのケイ素をピットの対向側に残す。HFは、最初の窒化ケイ素を除去し、ケイ素表面を露出させるために使用した。
次に、薄い多層触媒を電子ビーム蒸着により堆積させたが、この多層触媒は、10nmのアルミニウム、0.3nmのモリブデン、および0.5nmの鉄から成る(後者の2つは、薄膜蒸着モニターによって報告された「名目」値である)。この多層は、二重壁ナノチューブの成長に使用し、10nmのアルミニウム、および4nmの鉄から構成される別の多層を多重壁ナノチューブの成長に使用した。
触媒堆積後、サンプルを熱CVD炉内に配置し、アルゴンおよび水素の還元環境において(DWCNTの成長の場合、それぞれ600sccmおよび400sccm、MWCNTの成長の場合、それぞれ60sccmおよび40sccm)760Torrの圧力で850℃の温度まで加熱し、この薄い金属層をナノ粒子に転換させた。温度が安定した後、100sccmの流量でエチレンを導入し、ナノチューブの成長を開始させる。CNTは、1〜5μmの高さまで成長させる。DWCNTのナノチューブのサイズ分布は、成長に伴い、ナノチューブについて、ラマン分光法(632.6nm)(図13)、および透過型電子顕微鏡(TEM)(図10A)によって特徴化する。TEMの測定は、300kVで動作し、電界放射電子銃の抽出電圧が4.2keVのPhilips CM300−FEG TEMを使用して実施した。
製造プロセスの次のステップは、サンプルに低応力LPCVD窒化ケイ素を(805℃で)塗布し、ナノチューブ間の隙間に充填して膜構造を形成することである。次に、膜の下の残りの(50マイクロメートル)のケイ素は、気相XeF2プロセスにより離れたところでエッチングし、膜を裏から露出させた。89個のピットの各々の露出膜の直径は約50マイクロメートルであり、全体の露出膜面積は1.7×10−3cm2になった。膜の上部の過剰な窒化ケイ素、および膜の裏側の金属ナノ粒子は、アルゴンイオンビームエッチングにより除去し、酸素含有血しょう中の反応性イオンエッチングによりナノチューブのポアを開放した。膜は、反応性イオンエッチングステップまで気体浸透性を示すのを開始しなかった。
(膜の特徴化)
(サイズ排除および水流測定)
サイズ排除および水流測定は、膜をO−リング封止されたフローセル内に実装して行った。約2mLの検体は、透明プラスチック管組織を通して、下面を乾燥させた固定具の上面に配置した。この液体量は、膜の上部を湿潤させて、プラスチックの管組織に充填するために十分である。上面を、12psi(0.82atm)まで加圧し、水/検体の輸送速度を、管組織内の液体レベルを監視することによって決定した。セルの下面から生じる液体を、容器内に収集した。水中におけるルテニウムトリスビフィリジンイオン(Ru(bpy)3 2+)の濃度は、UV−可視分光法で決定した。水浸透溶液中に2nmのAuナノ粒子が存在することが、原子間力顕微鏡法(AFM)によって検出された。溶液のマイクロリットルサイズの水滴を、まず、新たに劈開した雲母表面上に配置した。乾燥後、AFMを使ってこの表面を分析した。この検出方法の感度は、最初の溶液濃度の約1%だった。最初の溶液が乾燥した水滴のAFM画像は、1μm2の面積あたり約100個の粒子を示した。同量の浸透溶液のいくつかの類似サイズの面積のAFM検査は、粒子を示さなかった。粒子は、乾燥した浸透水滴の中心および縁部の両方において観察されなかった。DWCNT膜を通る2nm金の濾過時の水輸送量は、純水(7×10−5ccm対7×10−4ccm)の量より1桁少なかったが、これはおそらく、2nm以下のカーボンナノチューブの部分的な遮断によるものである。透過水中の2nmの粒子の濃度が少なくとも100倍減少したという観察結果と、これらの粒子は、比較的大きいポアのMWCNT膜を通過するという観察結果とを合わせて考えると、0.1%未満の水分フラックスは、2nmを超えるポアによると思われる。5nmおよび10nmのAuナノ粒子の濃度は、これらの溶液の個々の可視吸収による分光法を使用して決定される。溶液中におけるこれらのナノ粒子の分光検出の感度も、最初の溶液濃度の約1%だったが、これは、使用した紫外−可視分光計の検出器によって制限される。表2は、DWCNTおよびMWCNT膜に関して実施されたサイズ排除テストのまとめを表し、各々の化学種の分子フラックスが示されている。分子フラックスは、生じる浸透溶液の濃度に量を乗算し、膜面積および測定期間で除算して決定した。
(サイズ排除および水流測定)
サイズ排除および水流測定は、膜をO−リング封止されたフローセル内に実装して行った。約2mLの検体は、透明プラスチック管組織を通して、下面を乾燥させた固定具の上面に配置した。この液体量は、膜の上部を湿潤させて、プラスチックの管組織に充填するために十分である。上面を、12psi(0.82atm)まで加圧し、水/検体の輸送速度を、管組織内の液体レベルを監視することによって決定した。セルの下面から生じる液体を、容器内に収集した。水中におけるルテニウムトリスビフィリジンイオン(Ru(bpy)3 2+)の濃度は、UV−可視分光法で決定した。水浸透溶液中に2nmのAuナノ粒子が存在することが、原子間力顕微鏡法(AFM)によって検出された。溶液のマイクロリットルサイズの水滴を、まず、新たに劈開した雲母表面上に配置した。乾燥後、AFMを使ってこの表面を分析した。この検出方法の感度は、最初の溶液濃度の約1%だった。最初の溶液が乾燥した水滴のAFM画像は、1μm2の面積あたり約100個の粒子を示した。同量の浸透溶液のいくつかの類似サイズの面積のAFM検査は、粒子を示さなかった。粒子は、乾燥した浸透水滴の中心および縁部の両方において観察されなかった。DWCNT膜を通る2nm金の濾過時の水輸送量は、純水(7×10−5ccm対7×10−4ccm)の量より1桁少なかったが、これはおそらく、2nm以下のカーボンナノチューブの部分的な遮断によるものである。透過水中の2nmの粒子の濃度が少なくとも100倍減少したという観察結果と、これらの粒子は、比較的大きいポアのMWCNT膜を通過するという観察結果とを合わせて考えると、0.1%未満の水分フラックスは、2nmを超えるポアによると思われる。5nmおよび10nmのAuナノ粒子の濃度は、これらの溶液の個々の可視吸収による分光法を使用して決定される。溶液中におけるこれらのナノ粒子の分光検出の感度も、最初の溶液濃度の約1%だったが、これは、使用した紫外−可視分光計の検出器によって制限される。表2は、DWCNTおよびMWCNT膜に関して実施されたサイズ排除テストのまとめを表し、各々の化学種の分子フラックスが示されている。分子フラックスは、生じる浸透溶液の濃度に量を乗算し、膜面積および測定期間で除算して決定した。
(気体測定)
気体選択性の測定は、O−リング封止フローセルを使用して高真空設備内で実施した。使用した装置は、ナノ多孔および分子ふるい膜の特徴化に使用した装置に類似している(上記のAcharya and Foley(2000))。O−リング封止の完全性は、気体不浸透性のエッチングされていない膜を使用して、漏れ率検査を行って確認した。このような「ブランク」膜全体の正味の漏れは、開放浸透膜を通る漏れの1%未満だった。膜の両側は、<1mTorrの圧力まで排気して、次に両側を真空から隔離し、圧力変換器で監視しながら15psi(103kPa)の圧力まで、該当気体を充填した。次に、膜の下流側を排気し、膜を横断する安定した気体フラックスを確立した。次に、この下流側を真空から隔離し、膜を横断して一定の既知の量に気体を拡散させた。この圧力勾配は、実験過程全体を通して確実に一定に維持した。圧力がこの量まで上昇する速度は、より感度の良い下流圧力変換器で監視したが、この速度は、膜を横断する気体浸透性または拡散率に比例する(Rutherford(1997),Adsorption 3:283)。フローセルは、異なる気体を使用する実験の間で完全に排気し、ヘリウムの浸透性を検査して、実験間で膜の特性が変化しなかったことを確認した。膜を横断する流量を決定するため、質量流制御装置を膜の下流に配置し、値を直接測定した。この方法で決定された値は、立ち上がり速度測定から計算された値と良く一致した。
気体選択性の測定は、O−リング封止フローセルを使用して高真空設備内で実施した。使用した装置は、ナノ多孔および分子ふるい膜の特徴化に使用した装置に類似している(上記のAcharya and Foley(2000))。O−リング封止の完全性は、気体不浸透性のエッチングされていない膜を使用して、漏れ率検査を行って確認した。このような「ブランク」膜全体の正味の漏れは、開放浸透膜を通る漏れの1%未満だった。膜の両側は、<1mTorrの圧力まで排気して、次に両側を真空から隔離し、圧力変換器で監視しながら15psi(103kPa)の圧力まで、該当気体を充填した。次に、膜の下流側を排気し、膜を横断する安定した気体フラックスを確立した。次に、この下流側を真空から隔離し、膜を横断して一定の既知の量に気体を拡散させた。この圧力勾配は、実験過程全体を通して確実に一定に維持した。圧力がこの量まで上昇する速度は、より感度の良い下流圧力変換器で監視したが、この速度は、膜を横断する気体浸透性または拡散率に比例する(Rutherford(1997),Adsorption 3:283)。フローセルは、異なる気体を使用する実験の間で完全に排気し、ヘリウムの浸透性を検査して、実験間で膜の特性が変化しなかったことを確認した。膜を横断する流量を決定するため、質量流制御装置を膜の下流に配置し、値を直接測定した。この方法で決定された値は、立ち上がり速度測定から計算された値と良く一致した。
(データの分析)
本文の表3は、観察された流量をナノチューブ密度で除算して生成されたナノチューブ基準当たりの流量のデータを表す。流量の改善を計算するため、各々のナノチューブを通って観察された流量と流量との割合は、記録に記載されている従来の式によりコンピュータで算定して計算した。データを表すこの方法は、シミュレーションとの直接的な比較を可能にし、従来の滑りのない流体力学的流量、または気体のクヌーセン流量とは異なる輸送機構による流量の改善を捕らえる。測定された流量は、別の日に再現可能であり、水量は、>24時間の期間にわたって安定していた。
本文の表3は、観察された流量をナノチューブ密度で除算して生成されたナノチューブ基準当たりの流量のデータを表す。流量の改善を計算するため、各々のナノチューブを通って観察された流量と流量との割合は、記録に記載されている従来の式によりコンピュータで算定して計算した。データを表すこの方法は、シミュレーションとの直接的な比較を可能にし、従来の滑りのない流体力学的流量、または気体のクヌーセン流量とは異なる輸送機構による流量の改善を捕らえる。測定された流量は、別の日に再現可能であり、水量は、>24時間の期間にわたって安定していた。
図12は浸透性を表し、これは膜性能に対する性能指数である。DWCNT膜の高浸透性は、高ポア密度、および各々の個々のポアを通る高流量の組合せである。6.5±0.5nmのポアを有するMWCNT膜の浸透性は、ポアサイズが<2nm(空気の場合は7cc/s−cm2−atm、水の場合は8mm3/s−cm2−atm)のDW#1の流量に匹敵した。クヌーセン形式によると、個々のチューブを通る気体の流量は直径の3乗で調整され、ハーゲン−ポアズイユ形式によると、個々のチューブを通る水量は、直径の4乗で調整されることに注意する。
(実験の説明)
本明細書において、2nm以下のCNTポア膜のための微小電気機械システム(MEMS)に準拠した製造プロセス(図9A)であって、ケイ素チップ(図9B)の表面におけるDWCNTの緻密な垂直整列されたアレイの触媒化学蒸着(CVD)成長を使用し、次に、硬質の低圧化学蒸着窒化ケイ素(Si3N4)基質によるナノチューブの等角カプセル化を行う(図9C)製造プロセスについて説明する。透過型電子顕微鏡(TEM)画像は、このプロセスが、チップ全体の長さスケール上に隙間のない膜を生成したことを表している。過剰な窒化ケイ素は、イオンミリングによって膜の両側から除去され、ナノチューブの両端は、反応性イオンエッチングで開放された。はっきりと、膜は、まさに最後のエッチングステップまで、液体および気体の両方に対して不浸透性を維持し、これは、この製造プロセスが、亀裂がなく、空隙のない膜を生成したことを示すさらに他の証拠を表している。1枚の膜のTEM平面図画像(図10C〜E)も、窒化ケイ素がDWCNTを等角に被覆し、CNTの外面と窒化ケイ素との間に隙間を残さないことを実証している。同じ窒化物カプセル化法を使用して、MWCNT膜を形成することも可能である。(Holt等Science(2006)312:1034−1037)、これは、本明細書において、参照することにより、図および引用された支持材料を含む全体を本願に援用する。
本明細書において、2nm以下のCNTポア膜のための微小電気機械システム(MEMS)に準拠した製造プロセス(図9A)であって、ケイ素チップ(図9B)の表面におけるDWCNTの緻密な垂直整列されたアレイの触媒化学蒸着(CVD)成長を使用し、次に、硬質の低圧化学蒸着窒化ケイ素(Si3N4)基質によるナノチューブの等角カプセル化を行う(図9C)製造プロセスについて説明する。透過型電子顕微鏡(TEM)画像は、このプロセスが、チップ全体の長さスケール上に隙間のない膜を生成したことを表している。過剰な窒化ケイ素は、イオンミリングによって膜の両側から除去され、ナノチューブの両端は、反応性イオンエッチングで開放された。はっきりと、膜は、まさに最後のエッチングステップまで、液体および気体の両方に対して不浸透性を維持し、これは、この製造プロセスが、亀裂がなく、空隙のない膜を生成したことを示すさらに他の証拠を表している。1枚の膜のTEM平面図画像(図10C〜E)も、窒化ケイ素がDWCNTを等角に被覆し、CNTの外面と窒化ケイ素との間に隙間を残さないことを実証している。同じ窒化物カプセル化法を使用して、MWCNT膜を形成することも可能である。(Holt等Science(2006)312:1034−1037)、これは、本明細書において、参照することにより、図および引用された支持材料を含む全体を本願に援用する。
膜のポアサイズを特徴化するため、サイズ排除の測定を実施し(表2、上記のHolt等(2006)Science)、これらの結果を電子顕微鏡と比較した。DWCNT膜は、1.3nm以下のサイズの化学種を通過させたが、2nmの金粒子は阻止し、これらの膜が1.3〜2nmのポアサイズを有することを示唆した。濾過前および濾過時の水量と、2nm金粒子のフラックスの上限の推定値との比較は、膜を通るフラックスの0.1%未満が、2nmより大きいポアによる可能性があることを示唆した。(上記のHolt等(2006)Science)。サイズ排除の測定結果は、電子顕微鏡で得られた証拠によってさらに裏付けられた。TEMで測定されたDWCNTの分布は、平均内径1.6nmを示した(図10B)。膜のTEM画像(図10C)は、膜を透過するポアのみが、成長に伴いDWCNTの内径分布と一致することも示した。基準として使用されたMWCNT膜は、直径2nmおよび5nmのコロイド状金粒子を輸送したが、TEMにより概算された直径6.5±0.5nmのMWCNTと一致する10nmのコロイド状金粒子は排除した。この結果も、平均ポアサイズ未満の粒子によるポアの閉塞が、これらの実験で使用された溶液濃度の場合は起こりそうもないことを示唆した。サンプル中の輸送は、もっぱら、膜をスパンするカーボンナノチューブの内側ポアを通して生じたと結論された。
膜を通る絶対気体フラックスは、クヌーセン拡散モデルにより予測されたフラックスを超えた。ポアの寸法が縮小し、平均自由行程(λ)が、チャネル寸法(d)より大きくなると、輸送は分子流体系に入る。粒子と表面との衝突が、粒子と粒子との衝突より優勢な状況では((R.B.Bird,W.E.Stewart,E.N.Lightfoot(1960)Tranport Phenomena Wiley,Ed.(ニューヨーク),pp.19)、クヌーセン拡散モデルが適用されることが多い。当然、ポアの幾何学形状は、クヌーセン数(λ/d)10〜70によって特徴化され、その結果、自由分子輸送体系になる。しかし、膜を通って測定されたフラックスは、クヌーセンモデルによって予測されたフラックスを少なくとも1〜2桁超えた(表3)。
クヌーセン体系における気体流の場合、膜全体の流量は以下から決定することができる:
比較によると、ポリカーボネート膜(Nucleopore,Osmonics,Inc.)は、フラックスのごくわずかな改善を示した。膜のポアを通るフラックスを定量化する際に最も不確実な1つのことは、有効ポア密度(すなわち、開放し、膜をわたるナノチューブ)の決定である。ポア密度の概算2.5×1011cm−2は、DWCNT膜の平面図TEM画像(図2C〜E)から導かれたものであり、報告された改善要素は下限の概算を示す。この密度は、やはりTEMによって決定された基板上の触媒密度(約1012cm−2)と比べると4分の1にすぎない。この面密度が、使用された配合に類似する触媒配合を使用して製造されたSWCNT/DWCNTの測定面密度に匹敵することは、注目に値する(Wang等(2005)J.Appl.Phys.98:063908)。TEM画像からの概算は、それでもなお密度の上限を表し、つまり、TEMで画像形成された50nm厚の部分にわたるすべてのDWCNTは、膜の厚さ全体にわたると推測されるからである。
観察された流れの改善は、おそらく、SWCNTを通る気体流のMDシミュレーションによって予測されるように、CNT表面の固有の平滑性によって生じる(たとえば、Skoulidas等(2002)Phys.Rev.Lett. 89:185901;Chen and Sholl(2006)J.Memb.Sci.269:152;Ackerman等(2003)MoI.Sim.29:677 およびChen等(2006)J.of Phys.Chem.B 110:1971を参照)。原子的に平滑なポアの場合、気体と壁との衝突は、純粋拡散(クヌーセンモデル同様)から、鏡面および拡散衝突の組合せに変化する可能性があり(Bhatia等(2005)MoI.Sim.31:643)、その結果、比較的高速な輸送が観察された。
殆どの気体の単一成分の選択性は、選択性が比較的高い炭化水素を除いて、分子量の予測された逆平方根スケーリングを示した(図11、差込図)。この結果は、分子速度の質量依存を反映するため、分子拡散プロセスの場合には意外なことではない。(壁衝突の性質は、質量スケーリングに影響を与えない点に注意する)。測定されたすべての気体の中から、M−1/2スケーリングから導かれた炭化水素のみが、DWCNTおよびMWCNT膜の両方で比較的高い選択性を示した(図11)。興味深いことに、ポアサイズが15nmの基準ポリカーボネート膜は、こうした偏差を示さなかった。この偏差は、炭化水素とカーボンナノチューブの側壁との優先的な相互作用が原因である可能性がある。炭化水素の輸送改善は、おそらく、表面拡散によって生じるか、あるいは溶解性/拡散機構によって生じると思われる(Leger等(1996)J.Memb.Sci.120:187)。様々な有機化合物のパルス質量分析は、比較的多くの極性分子(たとえば、エタノール)と相対的に、SWCNT上における炭化水素分子の強力な吸着を示した(Bittner等(2003)Carbon 41:1231)。これらの単一成分実験における炭化水素の選択性が、混合物が関連する実際の気体分離問題(上記のChen等(2006))で比較的目立つことは注目に値する。
この膜はまた、連続流モデルによって説明できない流量で、カーボンナノチューブチャネルを横断して水を輸送した。測定された水量は、ハーゲン−ポアズイユ方程式から計算されるように、滑りのない流体力学的流量より3桁大きい流量の改善(表3)を示す:
この連続モデルの崩壊は、1〜2nmサイズのチャネルの場合は意外なことではない。気体に使用された形式を取り、液体における平均自由行程を分子直径(たとえば、H2Oの場合は約0.3nm)として定義すると、1〜2nmのポアに対するクヌーセン数は0.15〜0.3である。これらの値は、「滑り流」と「遷移流」との間の境界上にある。ポアが、直径約7のみの水分子であるこのサイズ体系では、速度プロファイルなどの連続的な理論コンセプトを定義することは難しい。このため、MDシミュレーションは、約1nmのカーボンナノチューブポアを通る水流に使用されることが多い(上記のHummer等(2001)およびHummer(2003)Proc.Natl.Acad.Sci.U.S.A.100:10175)。しかし、MDシミュレーションの計算費用、および疎水性界面における有限の流体の「滑り速度」の観察費用(Baudry等(2001)Langmuir17:5232)は、拡大的(mesoscopic)および巨視的な流量モデルを使用して、SWCNTを通る流れをシミュレートしようとする試みに動機を与えた(Kotsalis等(2004)Int.J.Multiph.Flow 30:995)。これらのシミュレーションは、対応する「滑り長さ」を計算したが、これは、ポア壁付近の液体の非連続挙動を説明する。2nm以下のCNT膜を通る流れに類似の形式を適用すると、1400nmもの大きさの滑り長さを計算することができる(表3)。
滑り流の補正を含むと、ハーゲン−ポアズイユ方程式は以下になる:
これらの値は、ポアサイズよりほぼ3桁大きく、おおよそシステムの全体のサイズ(ポア長さ)である。対照的に、ポアサイズが15nmのポリカーボネート膜は、たった5nmというはるかに小さい滑り長さを示している。
この比較は、滑り流形式は、おそらく長さスケールの制限によって、2nm以下のカーボンナノチューブを通る水流には適用され得ない(Cottin−Bizonne等(2002)Eur.Phys.J.E 9:47)か、または水とカーボンナノチューブ表面との間の部分的湿潤には適用され得ない(Craig等(2001)Phys.Rev.Let.8705:054504)ことを示唆している。
興味深いことに、観察された水分フラックスは、MDシミュレーションで予測された水分フラックスと十分に同等である(上記のKalra等(2003))。このシミュレーションは、12個の水分子/nm2(ナノチューブ断面積)/nsのフラックスを予測している;シミュレーションの圧力降下に外挿される測定フラックスは、10〜40水分子/nm2/nsに相当する。このシミュレーションは、約100atmの浸透圧によって駆動されるカーボンナノチューブを横断する水輸送を考慮した。この実験は、1atmの圧力降下を使用した。また、適用される圧力降下と、膜を横断する流量との間の線形依存も観察された。したがって、近似として、線形外挿法を使用して、測定された流量をシミュレーションの結果と比較した。実験とシミュレーションとの間の2つの主な相違に注目する:1)シミュレーションは、0.8nm径のCNTを使用したが、サンプルは、平均で、1.6nm径である、および2)シミュレーションの圧力降下は、実験の1atmの圧力降下とは対照的に、約100atmであり、流量対圧力降下における線形外挿がこの範囲で有効かどうかは明らかではない。
MDシミュレーションは、観察された高度の水量は、ナノチューブ内の限定空間内における水の「ワイヤ」の形成によるものであるとしている。CNT内の水の構造が、直径に強く依存する(Koga等(2001)Nature412:802)ことは、CNTの直径のわずかな相違が、輸送に大きく影響し得ることを示している。したがって、MDによって提案される機構が、実験で使用された比較的大きいCNTで見られた高度の水量に関連があるかどうか、また、流量の改善が、単に、殆ど摩擦のない表面の存在に起因し得るかどうかは明らかではない。
膜の浸透性は、実際の用途の膜性能に性能指数を提供する。ポアサイズが1桁小さいにも関わらず、ポア当たりの改善された流量、および比較的高いポア密度は、空気および水浸透性の両方に関して、従来のポリカーボネート膜と相対的に2nm以下の膜を優れたものにする(図12)。浸透性は、体積フラックスとして定義され、圧力降下により正規化される。
表2.記載された所与の検体の分子フラックス(単位膜面積当たり)による二重壁および多重壁カーボンナノチューブ膜に関するサイズ排除テスト。「<」で示される値は、浸透溶液中でAu粒子が観察されなかった場合、濃度測定に関する検出限界から導かれた。この限界値と、次に小さな化学種との3〜4桁の相違は、所与の検体が膜を通過しなかったことを示す。
内部にDW#3と指定された膜は、塩化ナトリウム(NaCl)イオン溶液濾過テストに使用した。RIEを、膜の両側で1分間実施し、ポアの開口を促進した。膜が十分な空気浸透性を示したことが実証された後、この膜を10mMの純粋な塩化ナトリウム(NaCl)溶液中に挿入した。上流で約2mLの10mM NaCl溶液を充填した膜は、約15psiの窒素ラインにより加圧した。30時間稼動後、ある量の抽出物を検証してピペットで取り、ある程度の量の抽出物をピペットで取り出し、毛細管電気泳動(CE)実験に使用した。CE測定結果は、塩化物のイオン濃度(Cl−)が45モル%減少し、ナトリウムイオン(Na+)が6モル%減少したことを示した。他の2つの二重壁膜は、同じ方法でテストしたときに、本質的に同じイオン除去特性を生成した。
本開示の全体を通して、引用を識別することにより、様々な刊行物、特許、および公開特許明細書が参照されている。これらの刊行物、特許、および公開特許明細書の開示事項は、本発明が関連する技術水準をより完全に説明するために、参照することにより本開示に援用する。
本発明について、上記の実施態様に関連して説明してきたが、上記の説明および実施例は、本発明の範囲を具体的に示すことを意図しており、本発明の範囲を制限することを意図するものではない。本発明の範囲内のその他の態様、利点、および変更は、本発明が関連する当業者にとっては明白であろう。
Claims (99)
- 改善された流体輸送用の膜であって、
垂直整列されたカーボンナノチューブのアレイと、
該カーボンナノチューブ間に配置される基質材料と
を備え、
該ナノチューブが、約2nm以下の平均ポアサイズを有する、膜。 - 前記カーボンナノチューブが単一壁ナノチューブである、請求項1に記載の膜。
- 前記カーボンナノチューブが二重壁ナノチューブである、請求項1に記載の膜。
- 前記ナノチューブが、前記膜の各々の側に開放端部を有する、請求項1に記載の膜。
- 90%を超える前記ナノチューブが、カーボンナノチューブの形成に使用される触媒ナノ粒子を含まない、請求項1に記載の膜。
- 前記アレイが、少なくとも4×1010/平方センチメートルのチューブ面密度を有する、請求項1に記載の膜。
- 前記ナノチューブが、約0.1マイクロメートル〜約20マイクロメートルの高さを有する、請求項1に記載の膜。
- 前記ナノチューブが約5マイクロメートル〜約10マイクロメートルの高さを有する、請求項1に記載の膜。
- 前記ナノチューブが約1マイクロメートル〜約5マイクロメートルの高さを有する、請求項1に記載の膜。
- 前記基質材料がセラミックを含む、請求項1に記載の膜。
- 前記基質材料が窒化ケイ素を含む、請求項1に記載の膜。
- 前記基質材料が低応力窒化ケイ素を含む、請求項1に記載の膜。
- 前記基質材料がTEOS酸化物を含む、請求項1に記載の膜。
- 前記基質材料がごくわずかな分子浸透性を有する、請求項1に記載の膜。
- 前記基質材料が剛性材料である、請求項1に記載の膜。
- 前記基質材料が約0.1マイクロメートル〜約2マイクロメートルの厚さを有する、請求項1に記載の膜。
- 前記基質材料が約400nm〜約800nmの厚さを有する、請求項1に記載の膜。
- 前記基質材料が前記カーボンナノチューブをカプセル化する、請求項1に記載の膜。
- 前記基質材料が、前記カーボンナノチューブを等角に被覆する、請求項1に記載の膜。
- 前記基質材料が、前記ナノチューブの外面と前記基質材料との間に隙間を有さない、請求項1に記載の膜。
- 前記膜が、1気圧の圧力降下でテストしたときに破断しない、請求項1に記載の膜。
- 前記膜が、100nmの蛍光標識ポリスチレンビードを通過させない、請求項1に記載の膜。
- 前記膜が、25nmの蛍光標識ポリスチレンビードを通過させない、請求項1に記載の膜。
- 前記膜が、2nm、5nm、または10nmの金ナノ粒子を通過させない、請求項1に記載の膜。
- 前記隙間が、約1,000長さ/直径以下の高アスペクト比である、請求項1に記載の膜。
- 前記隙間が、少なくとも約100長さ/直径の高アスペクト比である、請求項1に記載の膜。
- 前記膜が、同サイズのポアに対するクヌーセン輸送予測と比較して改善された気体輸送を提供する、請求項1に記載の膜。
- 前記膜が、同サイズのポアに対するクヌーセン輸送予測と比較して改善された気体輸送を提供し、前記改善が、少なくとも3桁の空気流量である、請求項1に記載の膜。
- 前記膜が、同サイズのポアに対するクヌーセン輸送予測と比較して改善された気体輸送を提供し、前記改善が、少なくとも16倍の空気流量の改善である、請求項1に記載の膜。
- 前記膜が、同サイズポアに対する前記クヌーセン輸送予測と比較して改善された気体輸送を提供し、前記改善が、少なくとも50倍の空気流量の改善である、請求項1に記載の膜。
- 前記膜が、滑りのない流体力学的流れの予測に対して、水流の改善を提供する、請求項1に記載の膜。
- 前記膜が、滑りのない流体力学的流れに対して、少なくとも10倍の水流の改善を提供する、請求項1に記載の膜。
- 前記膜が、滑りのない流体力学的流れに対して、少なくとも500倍の水流の改善を提供する、請求項1に記載の膜。
- 前記膜が、少なくとも1cc/s−cm2−atmの空気浸透性、および少なくとも1mm3/s−cm2−atmの水浸透性を提供する、請求項1に記載の膜。
- 前記膜が、少なくとも2cc/s−cm2−atmの空気浸透性、および少なくとも2mm3/s−cm2−atmの水浸透性を提供する、請求項1に記載の膜。
- 前記膜が、クヌーセンモデルの気体選択性より高い、ヘリウムに対する気体選択性を提供する、請求項1に記載の膜。
- 前記ナノチューブが約0.2マイクロメートル〜約5マイクロメートルの高さを有し、前記基質材料がセラミックまたはポリマーを含む、請求項4に記載の膜。
- 前記ナノチューブが約0.2マイクロメートル〜約5マイクロメートルの高さを有し、前記基質材料がポリマーを含む、請求項4に記載の膜。
- 前記ナノチューブが約0.2マイクロメートル〜約5マイクロメートルの高さを有し、前記基質材料がセラミックを含む、請求項4に記載の膜。
- 前記膜が、同サイズのポアに対するクヌーセン輸送予測と比較して改善された気体輸送を提供する、請求項37に記載の膜。
- 改善された流体輸送用の膜であって、
垂直整列されたカーボンナノチューブのアレイと、
該カーボンナノチューブ間に配置される基質材料と
を備え、
該ナノチューブが約7nm以下の平均ポアサイズを有し、
該ナノチューブが、前記膜の各々の側に開放端部を有し、
該膜が、同サイズのクヌーセン予測された輸送と比較して改善された気体輸送を提供する膜。 - 前記カーボンナノチューブが、単一壁ナノチューブまたは二重壁ナノチューブである、請求項41に記載の膜。
- 前記カーボンナノチューブが多重壁ナノチューブである、請求項41に記載の膜。
- 前記ナノチューブが、約0.1マイクロメートル〜約20マイクロメートルの高さを有する、請求項41に記載の膜。
- 前記ナノチューブが、約1マイクロメートル〜約5マイクロメートルの高さを有する、請求項41に記載の膜。
- 前記基質材料がセラミックまたはポリマーを含む、請求項41に記載の膜。
- 前記基質材料が窒化ケイ素を含む、請求項41に記載の膜。
- 前記基質材料が蒸着ポリマーを含む、請求項41に記載の膜。
- 前記基質材料がごくわずかな分子浸透性を有する、請求項41に記載の膜。
- 前記基質材料が剛性材料である、請求項41に記載の膜。
- 前記基質材料が前記カーボンナノチューブをカプセル化する、請求項41に記載の膜。
- 前記基質材料が、前記カーボンナノチューブを等角に被覆する、請求項41に記載の膜。
- 前記基質材料が、前記ナノチューブの外面と前記基質材料との間に隙間を有さない、請求項41に記載の膜。
- 前記膜が、1気圧の圧力降下でテストしたときに破断しない、請求項41に記載の膜。
- 膜であって、
基質中にカプセル化されるカーボンナノチューブを含み、該ナノチューブが、約0.5nm〜約60nmの平均ポアサイズを有し、
該膜が、クヌーセン拡散と比べて改善された気体輸送を提供する、膜。 - 前記平均ポアサイズが約1nm〜約20nmである、請求項55に記載の膜。
- 前記基質が、セラミックまたはポリマーを含む、請求項55に記載の膜。
- 前記膜が、前記改善が少なくとも3桁の空気流量である改善された気体輸送量を提供する、請求項55に記載の膜。
- 膜であって、
基質中にカプセル化されるナノチューブを含み、該ナノチューブが、約1nm〜約20nmの平均ポアサイズを有し、
該膜が、クヌーセン拡散と比べて改善された気体輸送を提供する膜。 - 前記ナノチューブが無機ナノチューブまたはカーボンナノチューブである、請求項59に記載の膜。
- 膜を構成する方法であって、
垂直整列されたカーボンナノチューブアレイを製造するステップであって、該アレイが、該カーボンナノチューブ間に隙間を含む、ステップと、
該カーボンナノチューブ間の隙間をセラミック基質材料で充填するステップと
を含み、
該カーボンナノチューブが開放し、該膜を通る流れを提供する、方法。 - 前記製造ステップが蒸着を含む、請求項61に記載の方法。
- 前記充填ステップが蒸着を含む、請求項61に記載の方法。
- 前記製造ステップが蒸着を含み、かつ前記充填ステップが蒸着を含む、請求項61に記載の方法。
- 前記製造ステップが、蒸着用の金属ナノ粒子触媒を含む基板表面を提供することを含む、請求項61に記載の方法。
- 前記充填ステップが化学蒸着を含む、請求項61に記載の方法。
- 前記充填ステップが、前記カーボンナノチューブがキャッピングされるときに蒸着を含む、請求項61に記載の方法。
- 前記カーボンナノチューブを開放するために、前記膜の両側にエッチングすることをさらに含む、請求項61に記載の方法。
- 前記カーボンナノチューブを除去することをさらに含む、請求項61に記載の方法。
- 改善された流体輸送用の膜を構成する方法であって、
垂直整列されたカーボンナノチューブのアレイを提供するステップであって、該ナノチューブが、約2nm以下の平均ポアサイズを有する、ステップと、
該カーボンナノチューブ間に基質材料を配置するステップと
を含む、方法。 - ナノ多孔性膜を製造する方法であって、
垂直整列されたカーボンナノチューブアレイを該ナノチューブ間に高アスペクト比の隙間を含む基板上で成長させるステップと、
該ナノチューブ間の高アスペクト比の隙間を等角に充填することが可能な等角基質材料で該アレイをコーティングし、該等角基質材料の硬化後に、該ナノチューブを不動態化させるステップと、
該ナノチューブの両端部を開放するステップと
を含む、方法。 - 前記基質材料の硬化後に、前記ナノチューブを除去することをさらに含む、請求項71に記載の方法。
- 前記ナノチューブが酸化により除去される、請求項72に記載の方法。
- 前記高アスペクト比の隙間が約1,000長さ/直径である、請求項71に記載の方法。
- 前記垂直整列されたカーボンナノチューブアレイが単一壁アレイである、請求項71に記載の方法。
- 前記垂直整列されたカーボンナノチューブアレイが多重壁アレイである、請求項71に記載の方法。
- エチレン、水素、およびアルゴンが、前記ナノチューブアレイを成長させるためのプロセスガスとして使用される、請求項71に記載の方法。
- ケイ素上に堆積された薄い金属多層が、前記成長を触媒するための前記基板として使用される、請求項71に記載の方法。
- 前記薄い金属多層がFeである、請求項78に記載の方法。
- 前記薄い金属多層が約5mn〜約10nmの厚さを有する、請求項79に記載の方法。
- 前記等角材料が窒化ケイ素である、請求項71に記載の方法。
- 前記等角材料がTEOS酸化物である、請求項71に記載の方法。
- CVDが前記コーティングプロセスに使用される、請求項81に記載の方法。
- ALDが前記コーティングプロセスに使用される、請求項81に記載の方法。
- 前記ナノチューブが、過剰な基質材料を前記膜から除去することによって開放される、請求項81に記載の方法。
- 前記過剰な基質材料が、プラズマエッチングプロセスを使用して前記膜から除去される、請求項85に記載の方法。
- 請求項71により生成されるナノ多孔性膜。
- 前記垂直整列されたカーボンナノチューブアレイが単一壁アレイであり、前記ナノチューブが、約0.8nm〜2nmの直径、5nm未満のチューブ間の間隔、および高さ5マイクロメートル〜10マイクロメートルを有する、請求項87に記載のナノ多孔性膜。
- 前記垂直整列されたカーボンナノチューブアレイが多重壁アレイであり、前記ナノチューブが、約5nm〜10nmの直径、5nm未満のチューブ間の間隔、および高さ5マイクロメートル〜10マイクロメートルを有する、請求項87に記載のナノ多孔性膜。
- 膜を構成する方法であって、
垂直整列されたカーボンナノチューブのアレイを製造するステップであって、該アレイが、該カーボンナノチューブ間に隙間を含む、ステップと、
該カーボンナノチューブ間の隙間をポリマー基質材料で充填するステップと
を含み、
該カーボンナノチューブが開放し、該膜を通る流れを提供する、方法。 - 前記ポリマー基質材料がパリレンを含む、請求項90に記載の方法。
- 膜を構成する方法であって、
垂直整列されたカーボンナノチューブアレイを製造するステップであって、該アレイが該カーボンナノチューブ間に隙間を含むステップと、
該カーボンナノチューブ間の隙間をセラミックまたはポリマー基質材料で充填するステップと
を含み、
該カーボンナノチューブが開放し、クヌーセン拡散と比較して、該膜を通る改善された気体流を提供する、方法。 - 複数のカーボンナノチューブ膜を含むチップ。
- 前記カーボンナノチューブ膜が、垂直整列されたカーボンナノチューブのアレイと、該ナノチューブ間に配置された基質材料とを含む、請求項93に記載のチップ。
- 検体を含む液体を請求項1〜60のいずれか1項に記載の膜を通過させることによって、該液体から該検体を分離する方法。
- 前記液体が海水である、請求項95に記載の方法。
- 前記液体が血液または血しょうである、請求項95に記載の方法。
- 気体中の検体を分離する方法であって、該検体を含む該気体を請求項1〜60のいずれか1項に記載の膜を通過させることを含む、方法。
- 請求項1〜60のいずれかの膜による膜と、多孔性のポリマーもしくは繊維質支持材料とを含む、織物。
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Cited By (13)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2010254570A (ja) * | 2009-04-27 | 2010-11-11 | Qinghua Univ | 正/負のポアソン比を有する構造体 |
JP2011526834A (ja) * | 2008-06-30 | 2011-10-20 | ナノエイシス テクノロジーズ,インコーポレイティド | 選択透過性のためのナノチューブが埋め込まれた膜 |
WO2012063953A1 (ja) * | 2010-11-11 | 2012-05-18 | 東京エレクトロン株式会社 | 濾過用フィルタの製造方法 |
JP2012136362A (ja) * | 2010-12-24 | 2012-07-19 | Aisin Seiki Co Ltd | 多層カーボンナノチューブの製造方法 |
JP2013545825A (ja) * | 2010-07-02 | 2013-12-26 | コミッサリア ア レネルジー アトミーク エ オ ゼネルジ ザルタナテイヴ | マトリックス中にグラフト化ナノチューブ又はナノワイヤーを含む材料、その調製方法及びその用途 |
JP2014521836A (ja) * | 2011-07-25 | 2014-08-28 | エッカルト ゲゼルシャフト ミット ベシュレンクテル ハフツング | 特殊粉末化コーティング物質を使用するコーティング方法、およびそのようなコーティング物質の使用 |
JP2014521367A (ja) * | 2011-03-09 | 2014-08-28 | ハーシュマン、ズヴィ | 血液のような流体から特定の不純物を取り除くための埋込み可能なシステム及び方法 |
JP2015047587A (ja) * | 2013-09-04 | 2015-03-16 | 日立造船株式会社 | 分離膜の製造方法 |
JP2017200685A (ja) * | 2016-05-06 | 2017-11-09 | 株式会社ユーテック | 分離方法及び分離膜の製造方法 |
JP2017200684A (ja) * | 2016-05-06 | 2017-11-09 | 株式会社ユーテック | 分離膜及び溶質分離モジュール |
KR101928980B1 (ko) * | 2012-10-24 | 2018-12-14 | 한국과학기술원 | 일정한 크기의 기공을 가지는 탄소나노튜브 분리막 및 그 제조방법 |
WO2019151129A1 (ja) * | 2018-02-02 | 2019-08-08 | パナソニック株式会社 | 吸着器、濃縮器及び検出装置 |
JP2022532787A (ja) * | 2019-05-17 | 2022-07-19 | ツヴィ ヘルシュマン | ナノチュープセレクタを用いて血液等の流体から特定の不純物を除去するためのシステムおよび方法 |
Families Citing this family (70)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2008134825A1 (en) * | 2007-05-08 | 2008-11-13 | The University Of Queensland | Desalination method and apparatus |
DE102005055675B3 (de) * | 2005-11-23 | 2007-07-12 | Andreas Varesi | Detektorvorrichtung zum Erfassen des Vorliegens eines Gases |
US7849581B2 (en) * | 2006-05-05 | 2010-12-14 | University Of Utah Research Foundation | Nanopore electrode, nanopore membrane, methods of preparation and surface modification, and use thereof |
US7931838B2 (en) * | 2006-08-31 | 2011-04-26 | Virginia Tech Intellectual Properties, Inc. | Method for making oriented single-walled carbon nanotube/polymer nano-composite membranes |
US20090050601A1 (en) * | 2007-08-23 | 2009-02-26 | Unidym, Inc. | Inert gas etching |
EP2190778A4 (en) * | 2007-09-28 | 2014-08-13 | Univ Brigham Young | CARBON NANOTUBES ASSEMBLY |
CN101450288B (zh) * | 2007-11-30 | 2012-08-29 | 清华大学 | 过滤膜及其制备方法 |
US20120171106A1 (en) * | 2008-01-04 | 2012-07-05 | Raytheon Company | Carbon nanotube growth via chemical vapor deposition using a catalytic transmembrane to separate feedstock and growth chambers |
FR2928093B1 (fr) | 2008-02-28 | 2010-12-31 | Commissariat Energie Atomique | Dispositif de separation de molecules et procede de fabrication. |
US8252115B2 (en) * | 2008-04-02 | 2012-08-28 | Raytheon Company | System and method for growing nanotubes with a specified isotope composition via ion implantation using a catalytic transmembrane |
US20090257796A1 (en) * | 2008-04-09 | 2009-10-15 | Houston Advanced Research Center | Nanotechnology based image reproduction device |
US9039900B2 (en) * | 2008-05-09 | 2015-05-26 | New Jersey Institute Of Technology | Membrane distillation apparatus and methods |
WO2009148959A2 (en) * | 2008-05-29 | 2009-12-10 | Lawrence Livermore National Security, Llc | Membranes with functionalized carbon nanotube pores for selective transport |
US20090321355A1 (en) * | 2008-06-30 | 2009-12-31 | NANOASIS TECHNOLOGIES, INC., a corporation of the state of Delaware | Membranes with embedded nanotubes for selective permeability |
EP2342359B1 (en) * | 2008-08-01 | 2015-03-04 | Brown University | System and methods for determining molecules using mass spectrometry and related techniques |
US20100050619A1 (en) * | 2008-09-03 | 2010-03-04 | Houston Advanced Research Center | Nanotechnology Based Heat Generation and Usage |
US8192685B2 (en) | 2008-11-04 | 2012-06-05 | Advanced Concepts And Technologies International, L.L.C. | Molecular separators, concentrators, and detectors preparatory to sensor operation, and methods of minimizing false positives in sensor operations |
TWI508331B (zh) | 2008-11-13 | 2015-11-11 | Maven Optronics Corp | 用於形成螢光轉換型發光元件之薄膜螢光層的系統及方法、以及用於螢光轉換型發光元件之薄膜螢光層 |
US20100255303A1 (en) * | 2008-12-03 | 2010-10-07 | Massachusetts Institute Of Technology | Multifunctional composites based on coated nanostructures |
WO2010081077A2 (en) * | 2009-01-09 | 2010-07-15 | Massachusetts Institute Of Technology | Liquid filtration using pressure difference across a hydrophobic membrane |
US9283541B2 (en) * | 2009-07-01 | 2016-03-15 | Brigham Young University | Thin layer chromatography plates and related methods |
AU2010266329B2 (en) * | 2009-07-01 | 2014-05-29 | Brigham Young University | Thin layer chromatography plates and related methods |
US9164068B2 (en) * | 2009-07-01 | 2015-10-20 | Brigham Young University | Thin layer chromatography plates and related methods |
US20110042299A1 (en) * | 2009-08-20 | 2011-02-24 | General Electric Company | Composite membrane assemblies and methods of making and using the same |
US8168101B2 (en) * | 2009-08-20 | 2012-05-01 | General Electric Company | Inorganic membrane devices and methods of making and using the same |
US8307994B2 (en) * | 2009-10-28 | 2012-11-13 | International Business Machines Corporation | Surface charge enabled nanoporous semi-permeable membrane for desalination |
KR101636907B1 (ko) * | 2009-12-08 | 2016-07-07 | 삼성전자주식회사 | 다공성 나노 구조체 및 그 제조 방법 |
US8196756B2 (en) | 2010-04-02 | 2012-06-12 | NanOasis | Asymmetric nanotube containing membranes |
CN101857461B (zh) * | 2010-06-15 | 2012-05-30 | 清华大学 | 一种半导体碳纳米管阵列的制备方法 |
US8920654B2 (en) | 2010-09-30 | 2014-12-30 | Porifera, Inc. | Thin film composite membranes for forward osmosis, and their preparation methods |
US9095821B1 (en) | 2010-10-26 | 2015-08-04 | Nagare Membranes, Llc | Non-reactive process for fixing nanotubes in a membrane in through-passage orientation |
US9024310B2 (en) * | 2011-01-12 | 2015-05-05 | Tsinghua University | Epitaxial structure |
US9216391B2 (en) | 2011-03-25 | 2015-12-22 | Porifera, Inc. | Membranes having aligned 1-D nanoparticles in a matrix layer for improved fluid separation |
FR2980982B1 (fr) | 2011-10-07 | 2014-10-24 | Commissariat Energie Atomique | Dispositif comprenant un materiau composite presentant des nanotubes soumis a un champ electrique et ses utilisations |
WO2013059314A1 (en) * | 2011-10-17 | 2013-04-25 | Porifera, Inc. | Preparation of aligned nanotube membranes for water and gas separation applications |
US9776859B2 (en) | 2011-10-20 | 2017-10-03 | Brigham Young University | Microscale metallic CNT templated devices and related methods |
US20130146541A1 (en) | 2011-12-13 | 2013-06-13 | Nxstage Medical, Inc. | Fluid purification methods, devices, and systems |
KR101907106B1 (ko) * | 2011-12-16 | 2018-12-05 | 삼성전자주식회사 | 나노다공체를 포함하는 반투성 필름과 분리막 및 이들의 제조방법 |
US20130244008A1 (en) * | 2012-03-16 | 2013-09-19 | Massachusetts Institute Of Technology | Nanoporous to Solid Tailoring of Materials via Polymer CVD into Nanostructured Scaffolds |
WO2013180659A1 (en) * | 2012-06-01 | 2013-12-05 | National University Of Singapore | Method of making a membrane and a membrane for water filtration |
EP2882509B1 (en) * | 2012-08-10 | 2020-05-27 | Massachusetts Institute of Technology | Pressure control in fluidic systems |
FR2996780B1 (fr) * | 2012-10-16 | 2014-12-19 | Univ Claude Bernard Lyon | Procede et dispositif de production d'energie |
SG11201504829TA (en) | 2012-12-21 | 2015-07-30 | Porifera Inc | Separation systems, elements, and methods for separation utilizing stacked membranes and spacers |
EP2935128A4 (en) | 2012-12-21 | 2016-07-20 | Univ Texas | DESALINATION OF MEMBRANE-FREE SEA WATER |
US11326255B2 (en) * | 2013-02-07 | 2022-05-10 | Uchicago Argonne, Llc | ALD reactor for coating porous substrates |
CN105050696A (zh) * | 2013-03-05 | 2015-11-11 | 阿卜杜拉国王科技大学 | 包括纳米结构的蒸馏用膜、膜制备方法及脱盐和分离方法 |
WO2014144778A1 (en) | 2013-03-15 | 2014-09-18 | Porifera, Inc. | Advancements in osmotically driven membrane systems including multi-stage purification |
US9859066B2 (en) | 2013-05-24 | 2018-01-02 | Atlantis Technologies | Atomic capacitor |
JP6513085B2 (ja) * | 2013-07-16 | 2019-05-15 | パルティ、ヨーラム | ガス交換器および人工肺 |
WO2015023966A1 (en) * | 2013-08-16 | 2015-02-19 | Simpore Inc. | Nanoporous silicon nitride membranes |
WO2015080551A1 (en) * | 2013-11-27 | 2015-06-04 | Mimos Berhad | A method of adhering sensing membranes in a sensing device |
US20150238906A1 (en) * | 2014-02-27 | 2015-08-27 | University Of Rochester | Membranes with vertically correlated carbon nanotubes, and methods of making and using same |
WO2016057427A1 (en) | 2014-10-06 | 2016-04-14 | Lawrence Livermore National Security, Llc | Nanotube trans-membrane channels mimicking biological porins |
WO2016070103A1 (en) | 2014-10-31 | 2016-05-06 | Porifera, Inc. | Supported carbon nanotube membranes and their preparation methods |
EP3313786B8 (en) | 2015-06-24 | 2020-06-17 | Porifera, Inc. | Methods of dewatering of alcoholic solutions via forward osmosis and related systems |
CN105740509A (zh) * | 2016-01-22 | 2016-07-06 | 河北工业大学 | 一种考虑脱硼的分流部分二级卷式膜元件反渗透海水淡化系统优化方法 |
CA3048017A1 (en) | 2016-12-23 | 2018-06-28 | Porifera, Inc. | Removing components of alcoholic solutions via forward osmosis and related systems |
US11590459B2 (en) | 2017-02-23 | 2023-02-28 | Lawrence Livermore National Security, Llc | Nanoporous membranes for fast diffusion of ions and small molecules |
US10658349B1 (en) * | 2018-01-26 | 2020-05-19 | Facebook Technologies, Llc | Interconnect using embedded carbon nanofibers |
CN111937120A (zh) * | 2018-04-05 | 2020-11-13 | 麻省理工学院 | 多孔和纳米多孔半导体材料及其制造 |
CN108554206A (zh) * | 2018-04-17 | 2018-09-21 | 南京大学 | 一种基于碳纳米管内孔性质的高通量复合滤膜及制备方法 |
US10787378B2 (en) | 2018-05-30 | 2020-09-29 | Atlantis Technologies | Spirally wound electric double layer capacitor device and associated methods |
CN109012222B (zh) * | 2018-08-14 | 2020-12-11 | 大连理工大学 | 一种用于纯化生物法生产醇类化合物的复合膜的制备与应用 |
WO2021046684A1 (zh) * | 2019-09-09 | 2021-03-18 | 重庆康佳光电技术研究院有限公司 | 一种巨量转移装置及其方法 |
US11111578B1 (en) | 2020-02-13 | 2021-09-07 | Uchicago Argonne, Llc | Atomic layer deposition of fluoride thin films |
CN111704198B (zh) * | 2020-06-29 | 2021-05-11 | 四川懿灵生物科技有限公司 | 一种基于定向碳纳米管的水重构系统及方法 |
EP4175739A4 (en) * | 2020-07-06 | 2024-01-10 | Lawrence Livermore National Security, LLC | NANOPOROUS MEMBRANES FOR RAPID DIFFUSION OF IONS AND SMALL MOLECULES |
CN113198329B (zh) * | 2021-04-09 | 2022-03-29 | 华南理工大学 | 一种高通量膜上合成微纳米材料的制备方法 |
US12065738B2 (en) | 2021-10-22 | 2024-08-20 | Uchicago Argonne, Llc | Method of making thin films of sodium fluorides and their derivatives by ALD |
US11901169B2 (en) | 2022-02-14 | 2024-02-13 | Uchicago Argonne, Llc | Barrier coatings |
Family Cites Families (24)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPS5535910A (en) * | 1978-09-06 | 1980-03-13 | Teijin Ltd | Permselectivity composite membrane and preparation thereof |
DE3105550C2 (de) * | 1981-02-16 | 1983-10-20 | Hager & Elsässer GmbH, 7000 Stuttgart | Verfahren zur weitestgehenden Aufbereitung von Süßwasser, Brackwasser, Meerwasser und Abwasser zu Trink- und Brauchwasserzwecken |
JPH01180208A (ja) * | 1988-01-11 | 1989-07-18 | Toray Ind Inc | 複合半透膜の製造方法およびその膜 |
US5102550A (en) * | 1990-11-01 | 1992-04-07 | The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy | Apparatus and process for desalination of seawater |
EP0570341B1 (de) * | 1992-05-15 | 1996-09-18 | Christ AG | Vorrichtung zur kontinuierlichen elektrochemischen Entsalzung wässriger Lösungen |
JP2595903B2 (ja) * | 1994-07-05 | 1997-04-02 | 日本電気株式会社 | 液相におけるカーボン・ナノチューブの精製・開口方法および官能基の導入方法 |
US6683783B1 (en) * | 1997-03-07 | 2004-01-27 | William Marsh Rice University | Carbon fibers formed from single-wall carbon nanotubes |
US6863942B2 (en) * | 1998-06-19 | 2005-03-08 | The Research Foundation Of State University Of New York | Free-standing and aligned carbon nanotubes and synthesis thereof |
MXPA02000576A (es) * | 1999-07-21 | 2002-08-30 | Hyperion Catalysis Int | Metodos para oxidar nanotubos de carbono de paredes multiples. |
KR100408871B1 (ko) | 2001-12-20 | 2003-12-11 | 삼성전자주식회사 | 바이오칩 상에서 탄소나노튜브를 이용한 시료의 분리 또는여과 방법 |
US6713519B2 (en) * | 2001-12-21 | 2004-03-30 | Battelle Memorial Institute | Carbon nanotube-containing catalysts, methods of making, and reactions catalyzed over nanotube catalysts |
WO2003069019A1 (en) * | 2002-02-11 | 2003-08-21 | Rensselaer Polytechnic Institute | Directed assembly of highly-organized carbon nanotube architectures |
US6858197B1 (en) * | 2002-03-13 | 2005-02-22 | The United States Of America As Represented By The Administrator Of The National Aeronautics And Space Administration | Controlled patterning and growth of single wall and multi-wall carbon nanotubes |
WO2005001021A2 (en) | 2002-06-06 | 2005-01-06 | California Institute Of Technology | Nanocarpets for trapping particulates, bacteria and spores |
GB2399092B (en) * | 2003-03-03 | 2005-02-16 | Morgan Crucible Co | Nanotube and/or nanofibre synthesis |
US7641863B2 (en) * | 2003-03-06 | 2010-01-05 | Ut-Battelle Llc | Nanoengineered membranes for controlled transport |
WO2005034659A2 (en) * | 2003-08-11 | 2005-04-21 | University Of Tennessee Research Foundation | Fluorochemical electret treatment for barrier fabrics |
US7473411B2 (en) * | 2003-12-12 | 2009-01-06 | Rensselaer Polytechnic Institute | Carbon nanotube foam and method of making and using thereof |
US7611628B1 (en) * | 2004-05-13 | 2009-11-03 | University Of Kentucky Research Foundation | Aligned nanotubule membranes |
US7459121B2 (en) * | 2004-07-21 | 2008-12-02 | Florida State University Research Foundation | Method for continuous fabrication of carbon nanotube networks or membrane materials |
US7439731B2 (en) * | 2005-06-24 | 2008-10-21 | Crafts Douglas E | Temporary planar electrical contact device and method using vertically-compressible nanotube contact structures |
US7623340B1 (en) * | 2006-08-07 | 2009-11-24 | Nanotek Instruments, Inc. | Nano-scaled graphene plate nanocomposites for supercapacitor electrodes |
US20090321355A1 (en) * | 2008-06-30 | 2009-12-31 | NANOASIS TECHNOLOGIES, INC., a corporation of the state of Delaware | Membranes with embedded nanotubes for selective permeability |
US7993524B2 (en) * | 2008-06-30 | 2011-08-09 | Nanoasis Technologies, Inc. | Membranes with embedded nanotubes for selective permeability |
-
2006
- 2006-08-23 WO PCT/US2006/033180 patent/WO2007025104A2/en active Application Filing
- 2006-08-23 EP EP06813738A patent/EP1928587A2/en not_active Withdrawn
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- 2006-08-23 MY MYPI20064008A patent/MY146808A/en unknown
-
2008
- 2008-02-14 IL IL189534A patent/IL189534A0/en unknown
Cited By (18)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2011526834A (ja) * | 2008-06-30 | 2011-10-20 | ナノエイシス テクノロジーズ,インコーポレイティド | 選択透過性のためのナノチューブが埋め込まれた膜 |
JP2010254570A (ja) * | 2009-04-27 | 2010-11-11 | Qinghua Univ | 正/負のポアソン比を有する構造体 |
US8545745B2 (en) | 2009-04-27 | 2013-10-01 | Tsinghua University | Method for using a poisson ratio material |
JP2013545825A (ja) * | 2010-07-02 | 2013-12-26 | コミッサリア ア レネルジー アトミーク エ オ ゼネルジ ザルタナテイヴ | マトリックス中にグラフト化ナノチューブ又はナノワイヤーを含む材料、その調製方法及びその用途 |
WO2012063953A1 (ja) * | 2010-11-11 | 2012-05-18 | 東京エレクトロン株式会社 | 濾過用フィルタの製造方法 |
JP2012101196A (ja) * | 2010-11-11 | 2012-05-31 | Tokyo Electron Ltd | 濾過用フィルタの製造方法 |
JP2012136362A (ja) * | 2010-12-24 | 2012-07-19 | Aisin Seiki Co Ltd | 多層カーボンナノチューブの製造方法 |
JP2014521367A (ja) * | 2011-03-09 | 2014-08-28 | ハーシュマン、ズヴィ | 血液のような流体から特定の不純物を取り除くための埋込み可能なシステム及び方法 |
JP2017080426A (ja) * | 2011-03-09 | 2017-05-18 | ハーシュマン、ズヴィHERSCHMAN, Zvi | 流体から不純物を取り除くシステム及び方法 |
JP2014521836A (ja) * | 2011-07-25 | 2014-08-28 | エッカルト ゲゼルシャフト ミット ベシュレンクテル ハフツング | 特殊粉末化コーティング物質を使用するコーティング方法、およびそのようなコーティング物質の使用 |
US9580787B2 (en) | 2011-07-25 | 2017-02-28 | Eckart Gmbh | Coating method using special powdered coating materials and use of such coating materials |
KR101928980B1 (ko) * | 2012-10-24 | 2018-12-14 | 한국과학기술원 | 일정한 크기의 기공을 가지는 탄소나노튜브 분리막 및 그 제조방법 |
JP2015047587A (ja) * | 2013-09-04 | 2015-03-16 | 日立造船株式会社 | 分離膜の製造方法 |
JP2017200685A (ja) * | 2016-05-06 | 2017-11-09 | 株式会社ユーテック | 分離方法及び分離膜の製造方法 |
JP2017200684A (ja) * | 2016-05-06 | 2017-11-09 | 株式会社ユーテック | 分離膜及び溶質分離モジュール |
WO2019151129A1 (ja) * | 2018-02-02 | 2019-08-08 | パナソニック株式会社 | 吸着器、濃縮器及び検出装置 |
JP2022532787A (ja) * | 2019-05-17 | 2022-07-19 | ツヴィ ヘルシュマン | ナノチュープセレクタを用いて血液等の流体から特定の不純物を除去するためのシステムおよび方法 |
JP7525908B2 (ja) | 2019-05-17 | 2024-07-31 | ツヴィ ヘルシュマン | ナノチュープセレクタを用いて血液等の流体から特定の不純物を除去するためのシステムおよび方法 |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
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