JP2016531064A - ナノスケールカーボンのコロイド溶液を製造する方法 - Google Patents
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Abstract
本願方法の技術的成果は、簡便さ、低コスト及び種々のタイプのナノ粒子を製造できる可能性である。この成果は、ナノスケールカーボンのコロイド溶液を製造する方法を以下のように実施することにより達成される。：有機液体を、電極を収容するチャンバ内に供給し、不活性ガスを電極間のスペース内に注入し、高温度プラズマチャネルがガスバブル内に形成され、かくして炭素原子をアトマイズし、その後急冷する。
Description
提供されるナノスケールカーボンの安定なコロイド溶液を製造する方法は、ナノテクノロジーの分野に関わる。
ナノ構造化材料の製造及び研究は、科学的及び応用されるポイントの視点からも非常に興味深い（ユニークな電気的、磁気的、化学的、機械的、蛍光特性、触媒活性、等）。
基本的な利益は、本発明対象の構造的特徴及び物理的及び化学的特徴に関連する（大量のフリーな炭素結合、コンパクトな構造）。
ナノ流体のこのような特性、例えば熱伝導性、密度、粘度、導電性、光学及び磁気特性の研究は、非常に興味深い。
ナノ粒子の珍しい特性は、応用研究領域の多様性の基本である。：
・新素材テクノロジー、薬理学；
・電界電子放出のユニークなソース；
・最小型電子デバイスの金属性及び半電導性特性；
・本発明対象の表面構造は、液体及び気体（例えば水素）のための容器として使用可能である。
・新素材テクノロジー、薬理学；
・電界電子放出のユニークなソース；
・最小型電子デバイスの金属性及び半電導性特性；
・本発明対象の表面構造は、液体及び気体（例えば水素）のための容器として使用可能である。
最近、金属及び誘電体の２次放出係数を減らすため、ダイヤモンドフィルム及びガラスを育てるため、安定なコロイド溶液（太陽エネルギーの吸収剤）の調製のため、ナノ構造化カーボンの薄膜の製造に関する仕事に、多くの興味が引き付けられた（Ｒｏｂｅｒｔ Ｔａｙｌｏｒ， Ｓｙｌｖａｉｎ Ｃｏｕｌｏｍｂｅ， Ｔｏｄｄ Ｏｔａｎｉｃａｒ， Ｐａｔｒｉｃｋ Ｐｈｅｌａｎ ， Ａｎｄｒｅｙ Ｇｕｎａｗａｎ４， Ｗｅｉ Ｌｖ４， Ｇａｒｙ Ｒｏｓｅｎｇａｒｔｅｎ， Ｒａｖｉ Ｐｒａｓｈｅｒ， ａｎｄ Ｈｉｍａｎｓｈｕ Ｔｙａｇｉ． Ｓｍａｌｌ ｐａｒｔｉｃｌｅｓ， ｂｉｇ ｉｍｐａｃｔｓ： Ａ ｒｅｖｉｅｗ ｏｆ ｔｈｅ ｄｉｖｅｒｓｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ ｏｆ ｎａｎｏｆｌｕｉｄｓ． Ｊ． Ａｐｐｌ． Ｐｈｙｓ． １１３， ０１１３０１ （２０１３））。
ナノ粒子を形成するための多様な方法（物理的、化学的及びその他の）がある。：
・アーク（電弧）、
・繰り返しパルス化アーク及びスパーク、
・液体及び気体内でのレーザーアブレーション、
・化学反応生成物の堆積、
・金属触媒存在下の熱分解、
・導電体の電気爆発、
・火炎内でのコンポジットパウダーの接触変換、等。
・アーク（電弧）、
・繰り返しパルス化アーク及びスパーク、
・液体及び気体内でのレーザーアブレーション、
・化学反応生成物の堆積、
・金属触媒存在下の熱分解、
・導電体の電気爆発、
・火炎内でのコンポジットパウダーの接触変換、等。
しかしながら、前記方法の殆どは、時間とコストがかかり、複雑で、典型的にはこれらは、不純物から有用な生成物の単離を必要とする。カーボンナノ構造は、熱力学的平衡から逸脱した場合のみに得られる縮合カーボンの準安定状態である。従って、カーボンメタル(carbon metals)及び様々な組成のナノ粒子を合成するのに、液体内でのパルス電気放電が使用される、多数の最近の研究に対して大きな関心が生じる。短パルス放電は、高温度放電チャネルにおける炭素アトマイゼーション、及びそれに続く急冷「クエンチング」の結果、炭素の準安定フェーズを形成するのに役立つ。
多くの特徴のため、当該方法は有望であると見なされる。：
・設備及び原料の単純さ及び低コスト；
・合成をスケーリングする可能性；
・ナノ粒子の様々なタイプを得る可能性；
・プラズマを囲む液体の存在は、その膨張を制限し、且つ発熱化学反応に有利な温度及び圧力を増大させるのに貢献する。
・設備及び原料の単純さ及び低コスト；
・合成をスケーリングする可能性；
・ナノ粒子の様々なタイプを得る可能性；
・プラズマを囲む液体の存在は、その膨張を制限し、且つ発熱化学反応に有利な温度及び圧力を増大させるのに貢献する。
液体内パルス電気放電は、２つのやり方で実現可能である。第１の場合、パルスエネルギーは≧１ｋＪであるのに対して、第２の場合、数Ｊ（ジュール）を超えない。第１の場合は、かなりバルクで且つ複雑な装置を必要し、リアクタはかなりな衝撃負荷に曝される。その上さらに、ミクロン乃至ナノメートルスケールの粒子がこのようにして得られ、そして様々なテクノロジーを使用することにより、それらを分離するためのさらなる努力が必要となる。グラファイト電極は、液体（例えば水）における炭素源である。有機液体を使用する場合、それは炭素源となる。
有機液体内における、特にエタノールにおけるカーボンナノ粒子合成の研究結果は記事に示される（Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｄ： Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ， ４３ （３２）． Ｐ． ３２３００１． Ｍａｒｉｏｔｔｉ， Ｄ ａｎｄ Ｓａｎｋａｒａｎ， ＲＭ （２０１０） Ｍｉｃｒｏｐｌａｓｍａｓ ｆｏｒ ｎａｎｏｍａｔｅｒｉａｌｓ ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ）。
当該方法に最も近いものは、記事に記載された方法である（Ｐｕｌｓｅｄ ｄｉｓｃｈａｒｇｅ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｏｆ ｎａｎｏ− ａｎｄ ｍｉｃｒｏｐａｒｔｉｃｌｅｓ ｉｎ ｅｔｈａｎｏｌ ａｎｄ ｔｈｅｉｒ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎ． Ｐａｒｋａｎｓｋｙ Ｎ．， Ａｌｔｅｒｋｏｐ Ｂ．， Ｂｏｘｍａｎ ＲＬ， Ｇｏｌｄｓｍｉｔｈ Ｓ．， Ｂａｒｋａｙ Ｚ．， Ｌｅｒｅａｈ Ｙ． Ｐｏｗｄｅｒ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ． ２００５． Ｔ． １５０． Ｎｏ． １． ｐｐ ３６−４１）。当該記事において、エタノール内パルスアーク放電が使用される。２つの電極（グラファイト、ニッケル、タングステン、その他）はエタノール内に置かれる。パルス繰り返し周波数はｆ＝１００Ｈｚ、電流及び電圧はそれぞれＩ＝１００−２００Ａ，Ｕ＝２０Ｖ、パルス幅(pulse duration)τ＝３０μｓであり、ナノスケール乃至ミクロンスケールの粒子はこのようにして形成される。
この方法の決定は、コロイド溶液の不安定性（非常に速い析出）、広範囲の粒子サイズ、並びエタノール内での電気的破壊の非常に複雑な手順である。
本発明の技術的成果は、簡便さ、低コスト及び種々のタイプのナノ粒子を製造できる可能性である。その上さらに、本願の技術的ソリューションの以下の利点に留意すべきである。：
・電極間スペース内への不活性ガス注入による多重電極高電圧パルス放電は、エタノール内に安定なナノ構造化コロイド溶液を形成可能にする。特定のエネルギー蓄積のある閾値（Ｊ／ｃｍ３）が存在する。閾値より上ではコロイド溶液は安定になり、溶液の特性は１年以上変化しない。
・電極間スペース内への不活性ガス注入による多重電極高電圧パルス放電は、エタノール内に安定なナノ構造化コロイド溶液を形成可能にする。特定のエネルギー蓄積のある閾値（Ｊ／ｃｍ３）が存在する。閾値より上ではコロイド溶液は安定になり、溶液の特性は１年以上変化しない。
・低い特定エネルギー蓄積において、析出及び液体清澄化が２乃至３日間において生じる。
・溶液が沸点まで加熱され、次いで冷却されるならば、コロイド特性は変化しない。
・電流がコロイド溶液を通過するとき（電気泳動）、急速な析出及び液体清澄化が生じる。同時に、ナノ構造化カーボンフィルムが陽極に形成される。
・ナノ粒子サイズは特定エネルギー蓄積に依存する。近閾値特定エネルギーにおいて、サイズは５乃至１０ｎｍであり、且つこれらは無秩序な炭素の形態を有する。
・ナノパウダーは、蒸発により、又は電気泳動の結果コロイド溶液から単離され得る。
当該方法の技術的成果は、ナノスケールカーボンのコロイド溶液を製造する方法を以下のように実施することにより達成される。： 有機液体を、電極を収容するチャンバ内に供給し、不活性ガスを電極間のスペース内に注入し、高温度プラズマチャネルがガスバブル内に形成され、かくして炭素原子をアトマイズし、その後急冷する。
液体内で特定のエネルギー蓄積が閾値を超えると、安定なコロイド溶液が形成される。
有機液体としてエタノールを使用可能である。
ナノスケールカーボンのコロイド溶液を製造するための本方法は、有機液体（エタノール）中へ注入された不活性ガスのバブル内でパルス高電圧放電を実施するステップに基づく。上記のように、エタノール内でのパルス放電の特徴は、高温度チャネル内での炭素アトマイゼーション、次いで急冷である。プラズマチャネルの形成及びその冷却の特別さのおかげで、電極間スペースへのガス注入を伴う高電圧多重電極放電デバイスの使用は、ナノ構造、カーボンナノ流体の製造のための新しい可能性を開く。
それらは、誘電チャンバ１、多重電極放電デバイス３を使用する。その場合、ガスが、エタノール２内に置かれたチャンバ内部にある電極間スペースに注入される。エタノール２はチャンバを部分的に満たす。チャンバ１は、ガス注入のためのデバイス、有機液体（エタノール）を充填及び押し流す(flushing)ためのシステムを備える。放電デバイスは、高電圧パルスジェネレータ１２に接続される。デバイスは、パルスジェネレータ５、ロゴスキー（Ｒｏｇｏｗｓｋｉ）コイル６、分圧回路７、スペクトログラフ８、光導波路９、液体を押し流すためのパイプ１０、ガスベントパイプ１３を包含する。
デバイスは以下のように作動する。
不活性ガスを、パイプ４を介して放電デバイス３内へ注入する。パイプ１３は、リアクタからそれを除去するために使用される。放電デバイス３を完全に覆うように、リアクタ１は液体で部分的に満たされる。設定値を有する高電圧（Ｕ≦２０ｋＶ）及びパルス繰り返し周波数（ｆ≦１００Ｈｚ）を、放電デバイスの末端電極に供給する。リアクタが継続モードで操作されるならば、パイプ１０は必要な液体流量を与える。パルス放電は、アルコール蒸気で満たされたガスバブル１１内に現れる。高温度プラズマチャネルが、電極間スペースのそれぞれにおいて形成され、数マイクロ秒間持続し、且つ以下のパラメータを有する。： 重い粒子の温度はＴ＝４，０００−５，０００Ｋであり、電子温度はＴｅ＝１−１．５ｅＶ、荷電粒子の濃度ｎ＝（２−３）×１０１７ｃｍ３、プラズマチャネルの直径は数百ミクロンである。シングルパルスエネルギー蓄積は≦２乃至３Ｊである。
炭素原子のアトマイゼーションは、プラズマチャネル内で生じる。電流パルスの終了後、プラズマチャネルの急速膨張が生じ、これはその急冷（「クエンチング」）及び非平衡カーボンナノ構造の形成をもたらし、それによりコロイド溶液の特徴、特性が決定される。放電チャネル冷却の典型的時間は数マイクロ秒、数十マイクロ秒である。プラズマチャネルの加熱及び冷却の力学は、ナノ粒子のパラメータに非常に顕著に影響する。
処理液体内の特定エネルギー蓄積は、コロイド溶液を製造するために必須である。連続フローモードではない場合、特定エネルギー蓄積γは、以下で求められる。
Ｗはシングルパルス蓄積であり、ｆはパルスの繰り返し周波数であり、Ｖは液体体積であり、ｔは液体処理の時間である。
連続フローモードの場合は、：
である。
Ｕは時間単位当たりの流量である（ｃｍ３／ｓ）。液体処理の時間（特定エネルギー蓄積）が増加すると、カーボンナノ粒子の形成の結果、液体は黒ずむ。そして特定エネルギー蓄積のある閾値を超過すると、安定なコロイド溶液が形成される（それは１年以上の間析出しない）。特定エネルギー蓄積の低い値において、炭素は１乃至２日間で容器の底に析出し、液体は清澄化する。
ナノ粒子のパラメータは、様々な方法で調査された。： ＲＳ（ラマン散乱）、ＤＬＳ（ダイナミック光散乱）、Ｘ線回折、電子顕微鏡法、元素組成、等。
コロイド溶液を、沸点に近い温度に加熱し、次いで冷却すると、溶液は安定のままであることに留意する。特定エネルギー蓄積の閾値は、電極材料に依存する。
コロイド溶液の蒸発により得られたナノ粒子パウダーの元素組成は以下の通り。： Ｃ ７９．０５％； Ｏ １９．５７％，その他の検出元素はＳｉ； Ｋ； Ｔｉ； Ｃｒ； Ｆｅである。酸素は、空気からの吸収の結果として現れる。
成果は様々な用途のため、特に２次電子放出係数を減らすため、金属をコートするカーボンフィルムを製造するため、ダイヤモンドフィルム及びガラスを成長させるテクノロジーにおいて、太陽輻射を吸収するエレメントの製造において、使用可能である。
提供されるナノスケールカーボンの安定なコロイド溶液を製造する方法は、ナノテクノロジーの分野に関わる。
ナノ構造化材料の製造及び研究は、科学的及び応用されるポイントの視点からも非常に興味深い（ユニークな電気的、磁気的、化学的、機械的、蛍光特性、触媒活性、等）。
基本的な利益は、本発明対象の構造的特徴及び物理的及び化学的特徴に関連する（大量のフリーな炭素結合、コンパクトな構造）。
ナノ流体のこのような特性、例えば熱伝導性、密度、粘度、導電性、光学及び磁気特性の研究は、非常に興味深い。
ナノ粒子の珍しい特性は、応用研究領域の多様性の基本である。：
・新素材テクノロジー、薬理学；
・電界電子放出のユニークなソース；
・最小型電子デバイスの金属性及び半電導性特性；
・本発明対象の表面構造は、液体及び気体（例えば水素）のための容器として使用可能である。
・新素材テクノロジー、薬理学；
・電界電子放出のユニークなソース；
・最小型電子デバイスの金属性及び半電導性特性；
・本発明対象の表面構造は、液体及び気体（例えば水素）のための容器として使用可能である。
最近、金属及び誘電体の２次放出係数を減らすため、ダイヤモンドフィルム及びガラスを育てるため、安定なコロイド溶液（太陽エネルギーの吸収剤）の調製のため、ナノ構造化カーボンの薄膜の製造に関する仕事に、多くの興味が引き付けられた（Ｒｏｂｅｒｔ Ｔａｙｌｏｒ， Ｓｙｌｖａｉｎ Ｃｏｕｌｏｍｂｅ， Ｔｏｄｄ Ｏｔａｎｉｃａｒ，
Ｐａｔｒｉｃｋ Ｐｈｅｌａｎ ， Ａｎｄｒｅｙ Ｇｕｎａｗａｎ４， Ｗｅｉ Ｌｖ４， Ｇａｒｙ Ｒｏｓｅｎｇａｒｔｅｎ， Ｒａｖｉ Ｐｒａｓｈｅｒ， ａｎｄ Ｈｉｍａｎｓｈｕ Ｔｙａｇｉ． Ｓｍａｌｌ ｐａｒｔｉｃｌｅｓ， ｂｉｇ ｉｍｐａｃｔｓ： Ａ ｒｅｖｉｅｗ ｏｆ ｔｈｅ ｄｉｖｅｒｓｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ ｏｆ ｎａｎｏｆｌｕｉｄｓ． Ｊ． Ａｐｐｌ． Ｐｈｙｓ． １１３， ０１１３０１ （２０１３））。
Ｐａｔｒｉｃｋ Ｐｈｅｌａｎ ， Ａｎｄｒｅｙ Ｇｕｎａｗａｎ４， Ｗｅｉ Ｌｖ４， Ｇａｒｙ Ｒｏｓｅｎｇａｒｔｅｎ， Ｒａｖｉ Ｐｒａｓｈｅｒ， ａｎｄ Ｈｉｍａｎｓｈｕ Ｔｙａｇｉ． Ｓｍａｌｌ ｐａｒｔｉｃｌｅｓ， ｂｉｇ ｉｍｐａｃｔｓ： Ａ ｒｅｖｉｅｗ ｏｆ ｔｈｅ ｄｉｖｅｒｓｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ ｏｆ ｎａｎｏｆｌｕｉｄｓ． Ｊ． Ａｐｐｌ． Ｐｈｙｓ． １１３， ０１１３０１ （２０１３））。
ナノ粒子を形成するための多様な方法（物理的、化学的及びその他の）がある。：
・アーク（電弧）、
・繰り返しパルス化アーク及びスパーク、
・液体及び気体内でのレーザーアブレーション、
・化学反応生成物の堆積、
・金属触媒存在下の熱分解、
・導電体の電気爆発、
・火炎内でのコンポジットパウダーの接触変換、等。
・アーク（電弧）、
・繰り返しパルス化アーク及びスパーク、
・液体及び気体内でのレーザーアブレーション、
・化学反応生成物の堆積、
・金属触媒存在下の熱分解、
・導電体の電気爆発、
・火炎内でのコンポジットパウダーの接触変換、等。
しかしながら、前記方法の殆どは、時間とコストがかかり、複雑で、典型的にはこれらは、不純物から有用な生成物の単離を必要とする。カーボンナノ構造は、熱力学的平衡から逸脱した場合のみに得られる縮合カーボンの準安定状態である。従って、カーボンメタル(carbon metals)及び様々な組成のナノ粒子を合成するのに、液体内でのパルス電気放電が使用される、多数の最近の研究に対して大きな関心が生じる。短パルス放電は、高温度放電チャネルにおける有機エタノール分子アトマイゼーション、及びそれに続く急冷「クエンチング」の結果、炭素の準安定フェーズを形成するのに役立つ。
多くの特徴のため、当該方法は有望であると見なされる。：
・設備及び原料の単純さ及び低コスト；
・合成をスケーリングする可能性；
・ナノ粒子の様々なタイプを得る可能性；
・プラズマを囲む液体の存在は、その膨張を制限し、且つ発熱化学反応に有利な温度及び圧力を増大させるのに貢献する。
・設備及び原料の単純さ及び低コスト；
・合成をスケーリングする可能性；
・ナノ粒子の様々なタイプを得る可能性；
・プラズマを囲む液体の存在は、その膨張を制限し、且つ発熱化学反応に有利な温度及び圧力を増大させるのに貢献する。
液体内パルス電気放電は、２つのやり方で実現可能である。第１の場合、パルスエネルギーは≧１ｋＪであるのに対して、第２の場合、数Ｊ（ジュール）を超えない。第１の場合は、かなりバルクで且つ複雑な装置を必要し、リアクタはかなりな衝撃負荷に曝される。その上さらに、ミクロン乃至ナノメートルスケールの粒子がこのようにして得られ、そして様々なテクノロジーを使用することにより、それらを分離するためのさらなる努力が必要となる。グラファイト電極は、液体（例えば水）における炭素源である。有機液体を使用する場合、それは炭素源となる。
有機液体内における、特にエタノールにおけるカーボンナノ粒子合成の研究結果は記事に示される（Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｄ： Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ， ４３ （３２）． Ｐ． ３２３００１． Ｍａｒｉｏｔｔｉ， Ｄ ａｎｄ
Ｓａｎｋａｒａｎ， ＲＭ （２０１０） Ｍｉｃｒｏｐｌａｓｍａｓ ｆｏｒ ｎａｎｏｍａｔｅｒｉａｌｓ ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ）。
Ｓａｎｋａｒａｎ， ＲＭ （２０１０） Ｍｉｃｒｏｐｌａｓｍａｓ ｆｏｒ ｎａｎｏｍａｔｅｒｉａｌｓ ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ）。
当該方法に最も近いものは、記事に記載された方法である（Ｐｕｌｓｅｄ ｄｉｓｃｈａｒｇｅ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｏｆ ｎａｎｏ− ａｎｄ ｍｉｃｒｏｐａｒｔｉｃｌｅｓ ｉｎ ｅｔｈａｎｏｌ ａｎｄ ｔｈｅｉｒ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎ． Ｐａｒｋａｎｓｋｙ Ｎ．， Ａｌｔｅｒｋｏｐ Ｂ．， Ｂｏｘｍａｎ ＲＬ，
Ｇｏｌｄｓｍｉｔｈ Ｓ．， Ｂａｒｋａｙ Ｚ．， Ｌｅｒｅａｈ Ｙ． Ｐｏｗｄｅｒ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ． ２００５． Ｔ． １５０． Ｎｏ． １． ｐｐ ３６−４１）。当該記事において、エタノール内パルスアーク放電が使用される。２つの電極（グラファイト、ニッケル、タングステン、その他）はエタノール内に置かれる。パルス繰り返し周波数はｆ＝１００Ｈｚ、電流及び電圧はそれぞれＩ＝１００−２００Ａ，Ｕ＝２０Ｖ、パルス幅(pulse duration)τ＝３０μｓであり、ナノスケール乃至ミクロンスケールの粒子はこのようにして形成される。
Ｇｏｌｄｓｍｉｔｈ Ｓ．， Ｂａｒｋａｙ Ｚ．， Ｌｅｒｅａｈ Ｙ． Ｐｏｗｄｅｒ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ． ２００５． Ｔ． １５０． Ｎｏ． １． ｐｐ ３６−４１）。当該記事において、エタノール内パルスアーク放電が使用される。２つの電極（グラファイト、ニッケル、タングステン、その他）はエタノール内に置かれる。パルス繰り返し周波数はｆ＝１００Ｈｚ、電流及び電圧はそれぞれＩ＝１００−２００Ａ，Ｕ＝２０Ｖ、パルス幅(pulse duration)τ＝３０μｓであり、ナノスケール乃至ミクロンスケールの粒子はこのようにして形成される。
この方法の決定は、コロイド溶液の不安定性（非常に速い析出）、広範囲の粒子サイズ、並びエタノール内での電気的破壊の非常に複雑な手順である。
本発明の技術的成果は、簡便さ、低コスト及び種々のタイプのナノ粒子を製造できる可能性である。その上さらに、本願の技術的ソリューションの以下の利点に留意すべきである。：
・電極間スペース内への不活性ガス注入による多重電極高電圧パルス放電は、エタノール内に安定なナノ構造化コロイド溶液を形成可能にする。特定のエネルギー蓄積のある閾値（Ｊ／ｃｍ３）が存在する。閾値より上ではコロイド溶液は安定になり、溶液の特性は１年以上変化しない。
・電極間スペース内への不活性ガス注入による多重電極高電圧パルス放電は、エタノール内に安定なナノ構造化コロイド溶液を形成可能にする。特定のエネルギー蓄積のある閾値（Ｊ／ｃｍ３）が存在する。閾値より上ではコロイド溶液は安定になり、溶液の特性は１年以上変化しない。
・低い特定エネルギー蓄積において、析出及び液体清澄化が２乃至３日間において生じる。
・溶液が沸点近くまで加熱され、次いで冷却されるならば、コロイド特性は変化しない。
・電流がコロイド溶液を通過するとき（電気泳動）、急速な析出及び液体清澄化が生じる。同時に、ナノ構造化カーボンフィルムが陽極に形成される。
・ナノ粒子サイズは特定エネルギー蓄積に依存する。近閾値特定エネルギーにおいて、サイズは５乃至１０ｎｍであり、且つこれらは無秩序な炭素の形態を有する。
・ナノパウダーは、蒸発により、又は電気泳動の結果コロイド溶液から単離され得る。
当該方法の技術的成果は、ナノスケールカーボンのコロイド溶液を製造する方法を以下のように実施することにより達成される。： 有機液体を、電極を収容するチャンバ内に供給し、不活性ガスを電極間のスペース内に注入し、高温度プラズマチャネルがガスバブル内に形成され、かくしてエタノール分子原子をアトマイズし、その後急冷する。
液体内で特定のエネルギー蓄積が閾値を超えると、安定なコロイド溶液が形成される。
有機液体としてエタノールを使用可能である。
ナノスケールカーボンのコロイド溶液を製造するための本方法は、有機液体（エタノール）中へ注入された不活性ガスのバブル内でパルス高電圧放電を実施するステップに基づく。上記のように、エタノール内でのパルス放電の特徴は、高温度チャネル内でのエタノ ール分子アトマイゼーション、次いで急冷である。プラズマチャネルの形成及びその冷却の特別さのおかげで、電極間スペースへのガス注入を伴う高電圧多重電極放電デバイスの使用は、ナノ構造、カーボンナノ流体の製造のための新しい可能性を開く。
それらは、誘電チャンバ１、多重電極放電デバイス２を使用する。その場合、ガスが、エタノール３内に置かれたチャンバ内部にある電極間スペースに注入される。エタノール２はチャンバを部分的に満たす。チャンバ１は、ガス注入のためのデバイス、有機液体（エタノール）を充填及び押し流す(flushing)ためのシステムを備える。放電デバイスは、高電圧パルスジェネレータ４に接続される。デバイスは、パルスジェネレータ４、ロゴスキー（Ｒｏｇｏｗｓｋｉ）コイル５、分圧回路６、スペクトログラフ７、光導波路８、液体を押し流すためのパイプ９、ガスベントパイプ１０を包含する。
デバイスは以下のように作動する。
不活性ガスを、パイプ１１を介して放電デバイス２内へ注入する。パイプ１０は、リアクタからそれを除去するために使用される。放電デバイス３を完全に覆うように、リアクタ１は液体で部分的に満たされる。設定値を有する高電圧（Ｕ≦２０ｋＶ）及びパルス繰り返し周波数（ｆ≦１００Ｈｚ）を、放電デバイスの末端電極に供給する。リアクタが継続モードで操作されるならば、パイプ９は必要な液体流量を与える。パルス放電は、アルコール蒸気で満たされたガスバブル１２内に現れる。高温度プラズマチャネルが、電極間スペースのそれぞれにおいて形成され、数マイクロ秒間持続し、且つ以下のパラメータを有する。： 重い粒子の温度はＴ＝４，０００−５，０００Ｋであり、電子温度はＴｅ＝１−１．５ｅＶ、荷電粒子の濃度ｎ＝（２−３）×１０１７ｃｍ３、プラズマチャネルの直径は数百ミクロンである。シングルパルスエネルギー蓄積は≦１．６Ｊである。
エタノール分子のアトマイゼーションは、プラズマチャネル内で生じる。続く急冷（「 クエンチング」）の結果、非平衡カーボンナノ構造が形成され、それによりコロイド溶液の特徴、特性が決定される。放電チャネル冷却の典型的時間は数マイクロ秒、数十マイクロ秒である。プラズマチャネルの加熱及び冷却の力学は、ナノ粒子のパラメータに非常に顕著に影響する。
処理液体内の特定エネルギー蓄積は、コロイド溶液を製造するために必須である。連続フローモードではない場合、特定エネルギー蓄積γは、以下で求められる。
Ｗはシングルパルス蓄積であり、ｆはパルスの繰り返し周波数であり、Ｖは液体体積であり、ｔは液体処理の時間である。
連続フローモードの場合は、：
である。
Ｕは時間単位当たりの流量である（ｃｍ３／ｓ）。液体処理の時間（特定エネルギー蓄積）が増加すると、カーボンナノ粒子の形成の結果、液体は黒ずむ。そして特定エネルギー蓄積のある閾値を超過すると、安定なコロイド溶液が形成される（それは１年以上の間析出しない）。特定エネルギー蓄積の低い値において、炭素は１乃至２日間で容器の底に析出し、液体は清澄化する。
ナノ粒子のパラメータは、様々な方法で調査された。： ＲＳ（ラマン散乱）、ＤＬＳ（ダイナミック光散乱）、Ｘ線回折、電子顕微鏡法、元素組成、等。
コロイド溶液を、沸点に近い温度に加熱し、次いで冷却すると、溶液は安定のままであることに留意する。特定エネルギー蓄積の閾値は、電極材料に依存する。
コロイド溶液の蒸発により得られたナノ粒子パウダーの元素組成は以下の通り。： Ｃ
７９．０５％； Ｏ １９．５７％，その他の検出元素はＳｉ； Ｋ； Ｔｉ； Ｃｒ； Ｆｅである。酸素は、空気からの吸収の結果として現れる。
７９．０５％； Ｏ １９．５７％，その他の検出元素はＳｉ； Ｋ； Ｔｉ； Ｃｒ； Ｆｅである。酸素は、空気からの吸収の結果として現れる。
成果は様々な用途のため、特に２次電子放出係数を減らすため、金属をコートするカーボンフィルムを製造するため、ダイヤモンドフィルム及びガラスを成長させるテクノロジーにおいて、太陽輻射を吸収するエレメントの製造において、使用可能である。
Claims (3)
- 有機液体を、電極を収容するチャンバ内に供給し、不活性ガスを電極間のスペース内に注入し、高温度プラズマチャネルがガスバブル内に形成され、かくして炭素原子をアトマイズし、その後急冷することを特徴とする、ナノスケールカーボンのコロイド溶液を製造する方法。
- 液体内で特定のエネルギー蓄積が閾値を超えると、安定なコロイド溶液が形成されることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
- 有機液体としてエタノールを使用することを特徴とする、請求項１又は２に記載の方法。
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