JP2016148092A - ナノ粒子製造システム - Google Patents

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Abstract

【課題】キャビティ内の冷却液体の影響を受けて反射や屈折などのような光学効果が生じることを防止できるナノ粒子製造システムの提供。
【解決手段】冷却液体をアブレーションキャビティ11に投入するとともに、光導管15を使用してレーザー源14から提供されるレーザー光をアブレーションキャビティ11内に位置するターゲット材2の表面に直接にガイドさせ、光導管15の光導出端152とターゲット材2との間の距離を特定距離(<5mm)に制御するナノ粒子製造システム。
【選択図】図2

Description

本発明は、ナノ粒子の技術分野に係り、特に、ナノ粒子製造システムに関するものである。
ナノ粒子とは、十数個から数百個の原子から構成される固体微細顆粒であり、一般的に粒径が1nmから100nmの間にある超微細顆粒を意味し、非常に特別な物理特性と化学特性を有する。化学分野において、ナノ技術を利用して作成される触媒は、極めて高い触媒効率が現われる。電子分野において、ナノ級の金属導線は、金属メッシュ(metal mesh)に作成されてタッチパネルの中に応用される。また、アルミニウムや鉛などの特殊な金属は、ナノ技術で超伝導体に作成される。このことから分かるように、ナノ技術とナノ材料は、既に化学、材料、光電、生物や医薬などの分野の中に広汎に応用されている。
ナノ材料が広汎な応用を有することに鑑みて、科学者は、各種のナノ顆粒またはナノユニットを製造する方法の研究開発を積極的に試みる。金属ナノ粒子の準備は、レーザーアブレーション法(laser ablation method)、金属気相成長法(metal vapor synthesis method)及び化学還元法(chemical reduction method)に分けられる。その中で、レーザーアブレーション法は、ナノ顆粒またはナノユニットの製造方法として常用されている。
図1に示す従来のレーザーアブレーション設備の構成図を参照する。図1に示すように、従来のレーザーアブレーション設備1’は、レーザー源10’と、基板11’と、合焦レンズ12’と、アブレーションキャビティ13’と、第1混合キャビティ14’と、第1ポンプ15’と、第2混合キャビティ14a’と、第2ポンプ15a’とを備える。その中で、前記基板11’は、前記アブレーションキャビティ13’の底部に設置され、かつその上に例えば金属ブラックのようなターゲット材2’が置かれる。
上記に続いて、レーザー源10’から発射されるレーザー光は、合焦レンズ12’を経由して合焦させ、そして前記レーザー光は、アブレーションキャビティ13’の頂部に設置される透明窓130’を通過してアブレーションキャビティ13’の底部に置かれる前記ターゲット材2’に向けて射出される。パワーを90mJ/pulseに制御するレーザー光の照射により、ターゲット材2’の上に金属アブレーション現象が発生することで、高密度金属原子雲がターゲット材2’の上に生成される。さらに、前記アブレーションキャビティ13’の中に注入する界面活性剤3’の作用(例えばsodium dodecyl sulfate,SDSと略称)により、複数の金属ナノ粒子が前記アブレーションキャビティ13’の中に生成される。
図1に示すように、生成される金属ナノ粒子は、第1収集管路131’と第2収集管路131a’を経由してそれぞれ第1混合キャビティ14’と第2混合キャビティ14a’に搬送される。その中、第1ポンプ15’は、第1溶液送入管路151’を介して第1高分子溶液を送入して前記第1混合キャビティ14’の中に入れ、かつ第2ポンプ15a’は、第2溶液送入管路151a’ を介して第2高分子溶液(または前記第1高分子溶液)を送入して前記第2混合キャビティ14a’の中に入れる。こうして、複数の金属ナノ粒子と第1高分子溶液とを第1混合キャビティ14’の中に第1ナノ高分子溶液になるように混合させ、かつ前記複数の金属ナノ粒子と第2高分子溶液とを第2混合キャビティ14a’の中に第2ナノ高分子溶液になるように混合させる。
最後に、前記第1ナノ高分子溶液及び第2ナノ高分子溶液とを第1排出管路141’と一第2排出管路141a’を経由してそれぞれ後端の第1段階製品加工区(first product process stage)と第2段階加工区(second product process stage)に搬送されることにより、次段階加工を経由して第1複合ナノユニットと第2複合ナノユニットになる。
図1に図示されるレーザーアブレーション設備1’は、既に各種の複合ナノ製品の作製に広汎に応用されているが、かかるレーザーアブレーション設備1’は、依然として以下の主要な欠点がある。
(1)前記レーザーアブレーション設備1’の中には、レーザー光のパワーを90mJ/pulseに精密に制御する必要があり、こうすることで、ターゲット材2’の上に金属アブレーション現象が生じる。このことから分かるように、前記レーザーアブレーション設備1’の中に応用されるレーザー源10’は、高パワー、高精度のレーザー生成装置でなければならないので、その購買コストが必然的に相当高額とならざるを得ない。
(2)ほかに、前記レーザーアブレーション設備1’は、合焦レンズ12’を使用してレーザー光をターゲット材2’の上に合焦させ、これにより、レーザー光の高エネルギーによってターゲット材2’の上に金属アブレーション現象を引き起こす。しかしながら、ターゲット材2’(即ち、金属ブロック材)の表面が凹凸不平坦になる可能性があるため、金属アブレーション現象により生成される複数の金属ナノ粒子が粒径の均一性に欠ける可能性がある。
(3)上記第(1)点に続いて、前記アブレーションキャビティ13’の中には、界面活性剤3’が注入されるため、レーザー光が前記アブレーションキャビティ13’の内部に入射する時に、一部のレーザー光は、界面活性剤3’の影響を受けて例えば反射や屈折などのような光学効果が生じてしまい、レーザー光の入射率の低下につながり、設備の使用コストの増加をもたらす。
そのため、従来のレーザーアブレーション設備1’の実務応用上には数多くの欠点が現われる。これに鑑みて、本願の発明者は、極力研究発明した結果、本発明のナノ粒子製造システムを研究開発して完成させた。
本発明の主要な目的は、従来のナノ粒子製造設備と異なるナノ粒子製造システムを提供することである。このナノ粒子製造システムは、光導管を使用してレーザー源から提供されるレーザー光をアブレーションキャビティ内に位置するターゲット材の表面に直接にガイドさせ、この方式によりレーザー光がアブレーションキャビティ内の冷却液体の影響を受けて例えば反射や屈折などのような光学効果が生じるのを防止することができる。ほかに、本発明が提供するナノ粒子製造システムにおいて、光導管の光導出端と前記ターゲット材との間の距離を特定距離(<5mm)に制御する。このように設計すれば、レーザー源から提供されるレーザー光が低パワー(<30mJ/pulse)のレーザー光であっても、前記レーザー光をレーザーアブレーションにより、前記ターゲット材を複数個のナノ粒子に作成することができる。
従って、本発明の主要な目的を達成するために、本願の発明者は、ナノ粒子製造システムを提出する。
かかるナノ粒子製造システムは、その頂部に透明窓が設けられるアブレーションキャビティと、前記アブレーションキャビティの中に設けられ、ターゲット材を置くための基板と、冷却液体輸送管を介して前記アブレーションキャビティに連結され、冷却液体を前記アブレーションキャビティの中に流入させるための冷却液体投入装置と、レーザー光を提供するレーザー源と、光導入端と光導出端とを有する少なくとも1つの光導管とを備え、前記冷却液体の液面高さと前記透明窓の設置高さとの間に第1距離が隔てられ、また、前記液面高さと前記ターゲット材の表面との間に第2距離が隔てられ、前記光導入端は、前記レーザー源に連結され、かつ前記光導出端は、前記アブレーションキャビティの内部に延入することにより、前記光導出端と前記ターゲット材の表面との間に第3距離を隔てさせ、前記レーザー光は、前記少なくとも1つの光導管を経て前記アブレーションキャビティの内部に導入されると共に、前記ターゲット材に向けて射出した後、前記ターゲット材は、前記レーザー光により複数個のナノ粒子になるようにアブレーションされる。
従来のレーザーアブレーション設備の構成図である。 本発明のナノ粒子製造システムの模式的構成図である。 アブレーションキャビティ、光導管と低圧均質装置との模式的連結構成図である。 ナノユニット製造システムの第1模式的構成図である。 ナノユニット製造システムの第2模式的構成図である。
本発明が提出したナノ粒子製造システムをより明瞭に記述するために、添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施例を以下に詳述する。
図2は、本発明のナノ粒子製造システムの模式的構成図である。図2を参照して示すように、前記ナノ粒子製造システム1は、アブレーションキャビティ11と、基板12と、冷却液体投入装置13と、レーザー源14と、少なくとも1つの光導管15と、ターゲット材送給装置1Aと、液面制御装置1Bと、低圧均質装置1Cと、恒温システム(未図示)とを備える。その中、前記アブレーションキャビティ11は、ポリフルオロエテン(Polytetrafluoroethene,PTFE)から作成され、かつその頂部に透明窓111が設けられる。
続いて図2を参照すると共に、図3に示すアブレーションキャビティ、光導管と低圧均質装置との模式的連結構成図を同時に参照する。図示のように、前記基板12は、前記アブレーションキャビティ11内に設けられ、ターゲット材2を置くためのものである。操作上、作業員が前記アブレーションキャビティ11に連結されるターゲット材送給装置1Aを操作することで、前記ターゲット材2を前記アブレーションキャビティ11の中に送り込むことができる。
本発明において、前記ターゲット材2は、不活性金属ターゲット材であり、かつ前記基板12の材質は、前記ターゲット材2の材質と同じである。なお、前記冷却液体投入装置13は、冷却液体輸送管131を介して前記アブレーションキャビティ11に連結され、冷却液体を前記アブレーションキャビティ11の中に投入させるためのものである。その内、前記冷却液体は、有機相冷凝縮液または水相冷凝縮液のいずれか1種であってもよい。特に言及すべきは、前記冷却液体の液面高さと前記透明窓111の設置高さとの間に第1距離d1が隔てられ、かつ前記液面高さと前記ターゲット材2の表面との間に第2距離d2が隔てられる。その内、前記アブレーションキャビティ11に連結される前記液面制御装置1Bは、前記冷却液体を注入/抽出する方式で、前記液面高さと前記設置高さとの間の距離を前記第1距離d1に制御する。
前記レーザー源14は、少なくとも1つの光導管15を介してレーザー光を前記ターゲット材2の表面に提供する。図2と図3に示すように、前記光導管15は、光ファイバーまたは石英ガラス柱のいずれか1種であってもよく、光導入端151と光導出端152とを有し、その中、前記光導入端151は、前記レーザー源14に連結され、かつ前記光導出端152は、前記アブレーションキャビティ11の内部に延入することにより、前記光導出端152と前記ターゲット材2の表面との間に第3距離d3を隔てさせる。
さらに、前記レーザー光は、前記少なくとも1つの光導管15を経て前記アブレーションキャビティ11の内部に導入されると共に、前記ターゲット材2に向けて射出した後、前記ターゲット材2は、前記レーザー光により複数個のナノ粒子になるようにアブレーションされる。ここで、補充説明すべき点は、基板12の材質は、ターゲット材2の材質と同じであるため、レーザー光がターゲット材2を射出通過しても、ターゲット材2を射出通過したレーザー光がさらに基板12に向けて射出される点である。このように設計すれば、ターゲット材2を射出通過したレーザー光をアブレーションキャビティ11の内壁面に向けて直接に射出して不要な汚染物の生成を防止することができる。
本発明のナノ粒子製造システム1は、低圧均質装置1Cと、恒温システム(未図示)とをさらに備え、その中、前記低圧均質装置1Cは、前記アブレーションキャビティ11に連結され、前記アブレーションキャビティ11内の前記冷却液体を循環させて、前記複数個のナノ粒子を前記冷却液体の中に生成するように加速させるためのものである。なお、前記恒温システムは、前記アブレーションキャビティ11に連結され、前記冷却液体の温度を維持するためのものである。
上記説明から分かるように、図2と図3に示すようなナノ粒子製造システム1は、アブレーションレーザー設備であり、不活性金属ターゲット材を複数個のナノ粒子に作成するためのものである。さらに、図2に示すようなナノ粒子製造システム1は、その他の加工設備と合わせてナノユニット製造システムになることができる。
図4に示すナノユニット製造システムの第1模式的構成図を参照する。図4に示すように、前記ナノユニット製造システムは、図2に示すようなナノ粒子製造システム1を含むほかに、一次混合装置16と、高分子材料投入装置17と、二次混合装置18と、ナノユニット成形装置19と、第1高圧均質装置1Dと、第2高圧均質装置1Eとをさらに備える。
上記に続いて、前記一次混合装置16は、ナノ粒子輸送管112を介して前記アブレーションキャビティ11に連結され、かつ前記高分子材料投入装置17は、高分子材料輸送管171を介して前記一次混合装置16に連結される。このように設置すれば、前記複数個のナノ粒子は、前記ナノ粒子輸送管112を通過して前記アブレーションキャビティ11から前記一次混合装置16に輸送されると同時に、前記高分子材料投入装置17は、前記高分子材料輸送管171を通過して高分子溶液を前記一次混合装置16の中に送入して、前記複数個のナノ粒子と前記高分子溶液とを前記一次混合装置16の中に一次混合溶液になるように混合させる。ここで、補充説明すべき点は、前記高分子溶液は、有機相高分子溶液または水相高分子溶液のいずれか1種であってもよい点である。
前記二次混合装置18は、第1混合溶液輸送管161を介して前記一次混合装置16に連結され、かつ前記ナノユニット成形装置19は、第2混合溶液輸送管181を介して前記二次混合装置18に連結される。このように設置すれば、前記一次混合溶液は、一次混合装置16から前記二次混合装置18に送入され、前記二次混合装置18が実行する再混合工程により前記一次混合溶液をナノ/高分子混合溶液になるように混合する。
さらに、前記ナノ/高分子混合溶液は、前記二次混合装置18から前記ナノユニット成形装置19まで送出されると共に、前記ナノユニット成形装置19の中に複合ナノユニットに成形される。補充説明すべき点は、本発明において、前記アブレーションキャビティ11、前記一次混合装置16、前記二次混合装置18と前記ナノユニット成形装置19の内部は、いずれも真空環境に設置される点である。
また、冷却液体及び高分子溶液の送入流速を制御するために、前記ナノユニット製造システムは、それぞれ前記冷却液体輸送管131と前記高分子材料輸送管171の上に第1流速制御弁132と第2流速制御弁172が付加的に取り付けられる。また、一次混合工程と二次混合工程の作業を加速させるために、前記第1高圧均質装置1Dは、前記一次混合装置16に連結されて前記複数個のナノ粒子と前記高分子溶液との混合を加速させると同時に、前記第2高圧均質装置1Eは、前記二次混合装置18に連結されて前記再混合工程の完了を加速させる。
図4に開示するナノユニットの製造システムは、図1に示すようなナノ粒子製造システム1、一次混合装置16、高分子材料投入装置17、二次混合装置18、ナノユニット成形装置19、第1高圧均質装置1D及び第2高圧均質装置1Eから構成されるが、しかしながら、これらは前記ナノユニット製造システムの実施態様を限定するものではない。
図5に示すナノユニット製造システムの第2模式的構成図を参照する。図5に示すように、前記ナノユニット製造システムは、図1に示すようなナノ粒子製造システム1を含むほかに、製粉装置1R及び前記高分子材料投入装置17をさらに備える。その内、前記製粉装置1Rは、前記ナノ粒子輸送管112を介して前記アブレーションキャビティ11に連結されて、前記複数個のナノ粒子を前記アブレーションキャビティ11から前記製粉装置1Rの中に輸送することができる。なおかつ、前記高分子材料投入装置17は、前記高分子材料輸送管171を介して前記製粉装置1Rに連結され、前記高分子溶液を前記製粉装置1Rの中に送入するためのものである。こうして、前記複数個のナノ粒子と前記高分子溶液とを前記製粉装置1Rの中に粉状ナノユニットになるように作成することができる。
上記の説明のように、本発明のナノ粒子製造システムの構成要素と技術的特徴を十分かつ明瞭に開示した。さらに、上記によれば、本発明のナノ粒子製造システムは、下記の三点の利点を有することが分かる。
(1)従来のナノ粒子製造設備と異なって、本発明のナノ粒子製造システムは、光導管15を使用してレーザー源14から提供されるレーザー光をアブレーションキャビティ11内に位置するターゲット材2の表面に直接にガイドさせ、この方式によりレーザー光がアブレーションキャビティ11内の冷却液体の影響を受けて例えば反射や屈折などのような光学効果が生じるのを防止することができる。
(2)ほかに、本発明において、光導管15の光導出端152と前記ターゲット材2との間の距離を特定距離(<5mm)に制御する。このように設計すれば、レーザー源14から提供されるレーザー光が低パワー(<30mJ/pulse)のレーザー光であっても、前記レーザー光をレーザーアブレーションにより、前記ターゲット材2を複数個のナノ粒子に作成することができる。
(3)上記第(2)点に続いて、本発明は、光導管15の光導出端152と前記ターゲット材2との間の距離を特定距離(<5mm)に制御するため、ターゲット材2’は、凹凸不平坦な表面を有しても、レーザー源14から提供されるレーザー光は、ターゲット材2を粒径均一性を有する複数の金属ナノ粒子になることができる。
強調すべき点は、上記の詳細な説明は、本発明の実施可能な実施例を具体的に説明したものであり、本発明の特許範囲はこれらの実施例に限定されるものではなく、本発明の技芸精神を逸脱しない限り、その等効果の実施又は変更は、なお、本願の特許請求の範囲内に含まれる点である。
1 ナノ粒子製造システム
11 アブレーションキャビティ
12 基板
13 冷却液体投入装置
14 レーザー源
15 光導管
1A ターゲット材送給装置
1B 液面制御装置
1C 低圧均質装置
111 透明窓
2 ターゲット材
131 冷却液体輸送管
d1 第1距離
d2 第2距離
d3 第3距離
151 光導入端
152 光導出端
16 一次混合装置
17 高分子材料投入装置
18 二次混合装置
19 ナノユニット成形装置
1D 第1高圧均質装置
1E 第2高圧均質装置
112 ナノ粒子輸送管
171 高分子材料輸送管
161 第1混合溶液輸送管
181 第2混合溶液輸送管
132 第1流速制御弁
172 第2流速制御弁
1R 製粉装置
1’ レーザーアブレーション設備
10’ レーザー源
11’ 基板
12’ 合焦レンズ
13’ アブレーションキャビティ
14’ 第1混合キャビティ
15’ 第1ポンプ
14a’ 第2混合キャビティ
15a’ 第2ポンプ
2’ ターゲット材
130’ 透明窓
3’ 界面活性剤
131’ 第1収集管路
131a’ 第2収集管路
151’ 第1溶液送入管路
151a’ 第2溶液送入管路
141’ 第1排出管路
141a’ 第2排出管路

Claims (15)

  1. ナノ粒子製造システムであって、
    その頂部に透明窓が設けられるアブレーションキャビティと、
    前記アブレーションキャビティの中に設けられ、ターゲット材を置くための基板と、
    冷却液体輸送管を介して前記アブレーションキャビティに連結され、冷却液体を前記アブレーションキャビティの中に投入させるための冷却液体投入装置と、
    レーザー光を提供するレーザー源と、
    光導入端と光導出端とを有する少なくとも1つの光導管とを備え、
    前記冷却液体の液面高さと前記透明窓の設置高さとの間に第1距離が隔てられ、また、前記液面高さと前記ターゲット材の表面との間に第2距離が隔てられ、
    前記光導入端は、前記レーザー源に連結され、かつ前記光導出端は、前記アブレーションキャビティの内部に延入することにより、前記光導出端と前記ターゲット材の表面との間に第3距離を隔てさせ、
    前記レーザー光は、前記少なくとも1つの光導管を経て前記アブレーションキャビティの内部に導入されると共に、前記ターゲット材に向けて射出した後、前記ターゲット材は、前記レーザー光により複数個のナノ粒子になるようにアブレーションされることを特徴とする、
    ナノ粒子製造システム。
  2. 前記冷却液体は、有機相冷凝縮液または水相冷凝縮液のいずれか1種であることを特徴とする、請求項1に記載のナノ粒子製造システム。
  3. 前記アブレーションキャビティは、ポリフルオロエテン(Polytetrafluoroethene,PTFE)から作成されることを特徴とする、請求項1に記載のナノ粒子製造システム。
  4. 前記ターゲット材は、不活性金属ターゲット材であることを特徴とする、請求項1に記載のナノ粒子製造システム。
  5. 前記光導管は、光ファイバーまたは石英ガラス柱のいずれか1種であることを特徴とする、請求項1に記載のナノ粒子製造システム。
  6. 前記第1距離が5mmよりも小さく、前記第2距離が5cmよりも小さく、かつ前記第3距離が5mmよりも小さいことを特徴とする、請求項1に記載のナノ粒子製造システム。
  7. 前記アブレーションキャビティに連結され、前記ターゲット材を前記アブレーションキャビティ内に送り込むためのターゲット材送給装置と、前記アブレーションキャビティに連結され、前記冷却液体の前記液面高さを検出すると共に、前記冷却液体を注入/抽出する方式で、前記液面高さと前記設置高さとの間の距離を前記第1距離に制御するための液面制御装置と、前記アブレーションキャビティに連結され、前記アブレーションキャビティ内の前記冷却液体を循環させて、前記複数個のナノ粒子を前記冷却液体の中に生成するように加速させるための低圧均質装置と、前記アブレーションキャビティに連結され、前記冷却液体の温度を維持するための恒温システムとをさらに備えることを特徴とする、請求項1に記載のナノ粒子製造システム。
  8. 前記基板の材質は、前記ターゲット材の材質と同じであることを特徴とする、請求項4に記載のナノ粒子製造システム。
  9. ナノ粒子輸送管を介して前記アブレーションキャビティに連結される製粉装置をさらに備えることを特徴とする、請求項7に記載のナノ粒子製造システム。
  10. ナノ粒子輸送管を介して前記アブレーションキャビティに連結される一次混合装置と、高分子材料輸送管を介して前記一次混合装置に連結され、高分子溶液を前記一次混合装置の中に送入して、前記複数個のナノ粒子と前記高分子溶液とを前記一次混合装置の中に一次混合溶液になるように混合させるための高分子材料投入装置と、第1混合溶液輸送管を介して前記一次混合装置に連結される二次混合装置と、第2混合溶液輸送管を介して前記二次混合装置に連結されるナノユニット成形装置とをさらに備え、前記一次混合溶液は、前記一次混合装置から前記二次混合装置に送入され、前記二次混合装置が実行する再混合工程により前記一次混合溶液をナノ/高分子混合溶液になるように混合し、前記ナノ/高分子混合溶液は、前記二次混合装置から前記ナノユニット成形装置まで送出されると共に、前記ナノユニット成形装置の中に複合ナノユニットに成形されることを特徴とする、請求項7に記載のナノ粒子製造システム。
  11. 前記高分子材料輸送管を介して製粉装置に連結され、前記高分子溶液を前記製粉装置の中に送入するための高分子材料投入装置をさらに備え、前記複数個のナノ粒子と前記高分子溶液とを前記製粉装置の中に粉状ナノユニットになるように作成させるための高分子材料投入装置をさらに備えることを特徴とする、請求項10に記載のナノ粒子製造システム。
  12. 前記高分子溶液は、有機相高分子溶液または水相高分子溶液のいずれか1種であることを特徴とする、請求項10に記載のナノ粒子製造システム。
  13. 前記一次混合装置に連結され、前記複数個のナノ粒子と前記高分子溶液との混合を加速させるための第1高圧均質装置と、
    前記二次混合装置に連結され、前記再混合工程の完了を加速させるための第2高圧均質装置とをさらに備えることを特徴とする、請求項10に記載のナノ粒子製造システム。
  14. 前記アブレーションキャビティ、前記一次混合装置、前記二次混合装置と前記ナノユニット成形装置の内部は、いずれも真空環境に設置されることを特徴とする、請求項10に記載のナノ粒子製造システム。
  15. 前記冷却液体輸送管と前記高分子材料輸送管の上に、それぞれ第1流速制御弁と第2流速制御弁が取り付けられることを特徴とする、請求項10に記載のナノ粒子製造システム。
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