JP4649478B2 - Ｃｎｔを選別するためにｃｎｔの流体流に静的な光を当てる方法 - Google Patents

Description

本発明の分野は、包括的にはカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）に関し、特に、ＣＮＴを選別するためにＣＮＴの流体流に静的な光を当てることに関する。

カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）を、チューブ（エンドキャップ型又は非エンドキャップ型）の形状に丸められたシート状の炭素として捉えることができる。或る特性を有するＣＮＴ（たとえば、金属に類似する電子特性を有する「導電性」ＣＮＴ）は、いくつかの用途に適当であり得るが、他の或る特性を有するＣＮＴ（たとえば、半導体に類似する電子特性を有する「半導体性」ＣＮＴ）は、いくつかの他の用途に適当であり得る。ＣＮＴ特性は、ＣＮＴの「カイラリティ（chirality：螺旋度）」及び径の関数である傾向にある。ＣＮＴのカイラリティは、その炭素原子の配置を特徴づける（たとえば、アームチェア、ジグザグ、螺旋／カイラル）。ＣＮＴの径は、チューブの断面を横切る全長である。

ＣＮＴの特性は、ＣＮＴのカイラリティ及び径の関数であり得るため、特定の用途に対する特定のＣＮＴの適合性は、ＣＮＴのカイラリティ及び径によって決まりがちである。不都合なことに、現ＣＮＴ製造プロセスでは、チューブの径及びカイラリティが広く変更されるＣＮＴのバッチを製造することしかできない。したがって、径及びカイラリティが、製造されたものの狭い１つの範囲（又は複数の範囲）内にしか存在しない（たとえば、特定の用途のための）ＣＮＴを収集することができないという問題が発生する。

Zhang、Hannah及びWoo（以下、「Zhang他」）による「光双極子トラップを用いる単一壁カーボンナノチューブの選別（Sorting of Single-Walled Carbon Nanotubes Using Optical Dipole Traps）」と題する米国特許出願公開第２００４／０１２０８８０号は、特定のカイラリティ及び径のＣＮＴは電気双極子モーメントを有し、それによってＣＮＴは印加される時変電場下で特有の「吸引／反発」挙動を示す、ということを教示している。したがって、Zhang他は、さらに、特定のチューブのカイラリティ及び径の「標的」ＣＮＴを収集するための基礎として特有の「吸引／反発」挙動を使用する技法を教示している。

ＣＮＴの「吸引／反発」挙動に関して、Zhang他は、時変電場に配置されたＣＮＴの系エネルギは、ε_０が自由空間の誘電率であり、χがＣＮＴの電気分極率であり、Ｅ^２が時変電場の強度である場合、Ｕ＝−１／２ε_０χＥ^２である、と教示している。電気分極率χは、印加される時変電場に応答するＣＮＴの個々の電気双極子モーメントの全体としての向き及び強度を示す。Zhang他によれば、電気分極率χは、印加される電場の振動数の関数であり、ＣＮＴの電気双極子モーメントの全体としての「向き」は振動数の関数として変化するということがより重要である。

特に、印加される電場振動数が「共鳴振動数」を下回る場合、双極子モーメントは全体として、ＣＮＴを増大する電場強度に向かって移動させる方向に「向く」（すなわち、電場強度が高いほど系エネルギが低くなるため、ＣＮＴは電場強度が増大する領域に吸引される）が、印加される電場振動数が上述した共鳴振動数を上回る場合、双極子モーメントは全体として、ＣＮＴを増大する電場強度から離れるように移動させる方向に「向く」（すなわち、電場強度が高いほど系エネルギが高くなるため、ＣＮＴは電場強度が増大する領域から反発される）。印加される時変電場の振動数が共鳴振動数である場合、ＣＮＴの全体としての向く方向及び動きは不安定である。

Zhang他はまた、ＣＮＴの特定の共鳴振動数はそのエネルギーバンドギャップの関数であるということと、ＣＮＴのエネルギーバンドギャップはＣＮＴのカイラリティ及び径の関数であるということも教示している。このため、印加される時変電場に応答する上述したＣＮＴの特有の吸引／反発挙動は、ＣＮＴのカイラリティ及び径の関数である。

Zhang他はさらに、上述した吸引／反発挙動に基づいてＣＮＴを選別する技法を述べている。特に、電場が種々のカイラリティ及び径を有するＣＮＴ群（たとえば、単一の製造プロセス実行によって製作されるＣＮＴのバッチ等）に印加される場合、収集されるよう求められるＣＮＴの共鳴振動数に鑑みて振動数が調整される時変電場の印加を通して、特定のＣＮＴを収集することができる。図１ａ〜図１ｃは、この技法をより詳細に説明する。

図１ａは、製造されたＣＮＴを含む流体流１０３を示す。製造されたＣＮＴは径及びカイラリティのさまざまな組合せを有するものとする。分かりやすくするために、図１ａは、２つのタイプの製造されたＣＮＴのみを示す。すなわち、１）第１のカイラリティ及び径の組合せを有する第１のグループ１０５、１０７、１１０、１１１、１１２、１１４、１１７、１１９、及び２）第２のカイラリティ及び径の組合せを有する第２のグループ１０６、１０８、１０９、１１３、１１５、１１６、１１８、１２０である。ＣＮＴ１０５〜１２０のすべてが、流体流１０３_１の一部として装置に入る。第２の流体流１０４が流体流１０３と並んで流れる。

一般的な概念は、上で定義した第１のグループに関連するＣＮＴ等の特定のタイプのＣＮＴは、流体流１０３から抽出され流体流１０４に導入される、ということである。このため、第１のタイプのＣＮＴは、流体流１０４_２の一部として装置から流出し、第２のタイプのＣＮＴは流体流１０３_２の一部として装置から流出する。

抽出プロセスは、レーザビームの電場成分を使用して時変電場を印加する。レーザビームスポット１０１が、流体流１０３に当たっているものとして描かれている。レーザビームは、さらにおよそ流体流１０３の断面の中心内においてｘ軸に沿ってソースイメージ１０２に焦点が合せられ、そのためそこに収束する（より詳細に後述する図２は、このように集束されるレーザビームの３次元斜視図を提供する）。

流体流の中心の集光点１０２により、レーザビームによって照明される任意の領域の電場強度は、集光点１０２に向かう方向に増大する。したがって、ＣＮＴの第１のグループの共鳴振動数を下回るがＣＮＴの第２のグループの共鳴振動数を上回るレーザビーム振動数を選択することにより、第１のグループからのＣＮＴは集光点１０２に向かって吸引され、第２のグループからのＣＮＴは集光点１０２から反発される。

図１ａによって表される時点では、流体流１０３から流体流１０４までレーザビームを掃引することにより、ＣＮＴ１０５及び１０７は、それらの集光点１０２への吸引の結果として流体流１０４に引き込まれ、ＣＮＴ１０６は、その集光点１０２からの反発の結果として流体流１０３に残る。レーザビームの掃引の後の状態を図１ｂに示す。

図１ｂの状態から、ＣＮＴ１０５及び１０７は流出流１０４_２の一部として流出し、ＣＮＴ１０６は流出流１０３_２の一部として流出することが明らかである。図１ｃは、流れ１０３からＣＮＴ１１０、１１１及び１１２を取り込み、それらを流れ１０４に導入するように、レーザビームが流れ１０３から流れ１０４に再び掃引される場合の状況を示す。また、この掃引の動きを繰り返すことにより、第１のグループのＣＮＴは流出流１０４_２の一部として流出し、第２のグループのＣＮＴは流出流１０３_２の一部として流出することも明らかである。このように、ＣＮＴの選別が達成される。

本発明を、同様の参照符号が同様の要素を示す添付図面の図において、限定としてではなく例として図示する。

図２は、集光レーザビームの電場成分に応答する流体流内のＣＮＴの吸引／反発挙動の３次元斜視図を提供する。ここで、図２は、流体流の断面の観点から描かれている。すなわち、図２は、流体流が＋ｚ方向であると想定されるという点で図１と一貫している。流体流の断面２１１は矩形であるものとする。集光レーザビーム光からの光によって照明される流体流の領域は、非斜線部分として描かれており、集光レーザビームからの光によって照明されない流体流の領域は、斜線部分として描かれている。

レーザビーム光は、照明領域を通して電場強度の勾配を確立するように、流体流のおよそ中央に焦点が合せられる（２１２）。特に、照明領域内で、電場強度は、集光スポット２１２に向かって任意の方向に増大する。ここで、図１とは異なり、図２の流体流におけるＣＮＴ２０１〜２１０は、流体流の一方の側（すなわち、右手側）に集中しているように示されていることに留意されたい。

図２において、レーザビームの電場成分の影響下で各ＣＮＴにもたらされる、誘導される運動の方向を説明するために、ＣＮＴ２０１〜２１０の各々からベクトルが描かれている。ここで、ＣＮＴ２０１、２０２、２０３、２０４、２０５は、各々が集光スポット２１２に反発するという点で、図１に関して上述した「第２のグループ」に類似する。また、ＣＮＴ２０６、２０７、２０８、２０９、２１０は、各々が集光スポット２１２に吸引されるという点で、図１に関して上述した「第１のグループ」に類似する。図２において観察されるベクトル配置は、たとえば、レーザ光の振動数が第１のグループＣＮＴの共鳴振動数を下回るが第２のグループＣＮＴの共鳴振動数を上回る場合に構成することができる。

ＣＮＴ２０１〜２１０が集光スポット２１２の右手側に集中するため、第２のグループからのすべてのＣＮＴのベクトルは−ｙ軸に沿って向けられる成分を有し、第１のグループからのすべてのＣＮＴのベクトルは＋ｙ軸に沿って向けられる成分を有する、ということが重要である。したがって、第２のグループからのＣＮＴはすべて、−ｙ方向において或る程度の運動量／運動を示し、第１のグループからのＣＮＴはすべて、＋ｙ方向において或る程度の運動量／運動を示す。

したがって、選別メカニズムが存在することになる。すなわち、全体として、第１のグループＣＮＴは、第２のグループＣＮＴとは反対の方向に移動している。十分な時間が与えられると、いかなる衝突もなく、異なるグループからのＣＮＴは、レーザビーム光が取り除かれても互いから完全に分離する（すなわち、運動量保存が、ＣＮＴが示されているベクトルに沿って移動し続けるのを可能にする役割を果たす）。図１に関して上述した技法とは異なり、このような新たな分離技法では、レーザビームを掃引する必要がない。すなわち、レーザビームは、流体流内のその位置に関して実質的に固定された（「静止した」）ままであり得る。このため、少なくとも光学系に関して、図２の新たな技法は、図１の技法より複雑でないはずである。

上述したような図２の分離メカニズムをもたらすために、ＣＮＴを、集光レーザビームスポット２１２の側方に向かって集中させなければならない。図３は、このような選別技法をもたらすように焦点レーザビームスポット３１２の側方に沿ったＣＮＴの流れに影響を及ぼすように構成された装置を示す。図３の装置によれば、２つの流体流３０３、３０４が、＋ｚ方向に互いに並んで進むようになされる。ＣＮＴは、流体流３０４の流入流（すなわち流体流３０４_１）に沿って導入される。基本戦略は、特定のカイラリティ及び径（又はその範囲）の「標的」ＣＮＴを流体流３０４から流体流３０３に吸引するということである。

レーザビーム光は、標的ＣＮＴの吸引をもたらすように構成される。特に、光によって照明されるＣＮＴのみが選別技法によって影響を受けるため、レーザビーム光３０１の径は、流体流３０４_１からの可能な限り多くのＣＮＴを照明するように拡大される。ここで、拡大ビームからのレーザビーム光を集束させる１つの技法は、光を開口数（ＮＡ）が大きいレンズ（たとえば、ＮＡが０．５以上１．５以下）から集束させるというものである。さらに、集光スポット３１２は、標的ＣＮＴが流体流３０３から反発されないことを確実にするように、流体流３０３内（又は流体流３０３及び３０４の境界）に且つ流入流３０３_１及び３０４_１の収束部分に近接して配置される。最後に、レーザビームの電場成分は、標的ＣＮＴの共鳴振動数を下回る振動数を有する。

図３は、レーザビーム光３０１によって照明されるＣＮＴに対する例示的な運動ベクトルを示す。観察される運動ベクトルのすべてが、少なくとも流体流により＋ｚ方向の成分を有する。さらに、標的ＣＮＴは、流体流３０３に向かう＋ｙ方向に運動成分を有し、非標的ＣＮＴは、流体流３０３から離れる−ｙ方向に運動成分を有する。それら＋ｙ運動成分の結果として、標的ＣＮＴは、レーザ光３０１を超えて下流に流れた後であっても流体流３０３内に流れ込む（すなわち、運動量保存が、標的ＣＮＴが、もはや時変電場にさらされなくなった後でさえも＋ｙ方向に移動し続けるように作用する）。同様に、非標的ＣＮＴは、それらの−ｙ運動成分の結果として、レーザ光３０１を超えて下流に流れた後であっても流体流３０３から流れ出る（すなわち、運動量保存が、非標的ＣＮＴが、もはや時変電場にさらされなくなった後でさえも−ｙ方向に移動し続けるように作用する）。したがって、流体流がそれらの流出領域に達するまで、標的ＣＮＴは流出流３０３_２によって運ばれ、非標的ＣＮＴは流出流３０４_２によって運ばれる。

図４は、図３の基本装置に対する改良を示す。図４の手法によれば、標的ＣＮＴを吸引するために複数のレーザビーム４０１_１〜４０１_４が使用される。ここで、４つの別々のレーザビームが示されているが、設計に応じて４つより多いか又は少ないレーザビームを使用してもよい、ということが理解されるべきである。図３の手法と同様に、一対の流体流４０３、４０４は、互いに並んで進むようになされる。ＣＮＴは、流入流４０４_１の一部として装置に入る。

複数のレーザビーム４０１_１〜４０１_４が、ＣＮＴが長距離を下流に流れる際に、標的ＣＮＴを流体流４０３に向かって連続的に吸引し非標的ＣＮＴを流体流４０３から離れるように連続的に反発する光の壁を実質的に作る（たとえば、一実施形態によれば、各レーザビームの電場成分は、標的ＣＮＴの共鳴振動数を下回る振動数を有する）。図３の手法と同様に、標的ＣＮＴは、流出流４０３_２から現われなければならず、非標的ＣＮＴは流出流４０４_２から現われなければならない。当然ながら、光の壁を形成するために一連のレンズを使用することができる。

図４の実施形態では、レーザビームの「壁」は、さらに＋ｙ方向において流体流４０３内に徐々に後退するように方向付けられる。壁をこのように方向づける効果は、標的ＣＮＴを第１のビーム４０１_１の近くで吸引し始め、その後標的ＣＮＴを第２のビーム４０１_２の吸引力に「受け渡す」というものである。標的ＣＮＴが下流に移動するに従い、それらは次に第３のビーム４０１_３の吸引力に「受け渡される」。標的ＣＮＴが第４のビーム４０１_４の吸引力に受け渡される程十分に下流に移動する頃には、それらは、十分流体流４０３内にあり、したがって流出流４０３_２から装置を出るはずである。

対照的に、流体流４０３内にある非標的ＣＮＴはいずれも、光の壁に反発するはずである。図４の実施形態では、最後のビーム４０１_４は、提供されるいかなる非標的ＣＮＴにも、流体流４０４内に流れ込むのに十分な時間、ビーム４０１_４の反発力によって流体流４０４に向かう運動量を与えるように、流出流４０４_２から十分離れている。

さらなる実施形態では、レーザビーム４０１_１〜４０１_４の集光スポットは、装置を通して流体流をより十分に照明するようにｘ軸に沿って異なるレベルで配置される。したがって、標的ＣＮＴの収集効率は、図３の手法より効率的であるはずである。この概念をより詳細に理解するために、図２を参照すると、標的ＣＮＴ及び非標的ＣＮＴの運動は一様に、照明されていない斜線領域のみを通過するＣＮＴに対してもたらされないことに留意されたい。集光スポットがｘ軸に沿って異なるレベルに配置される複数のビームを有することにより、流体流の照明領域を「それる」可能性のある標的ＣＮＴがより少なくなるはずである。

代替実施形態では、標的ＣＮＴの収集効率をさらに向上させるために、レーザビームの壁は、そのそれぞれの集光スポットに対して異なるｘ軸位置を含むのみでなく、流体流４０３内に徐々に後退するようになされるのではなく、＋ｚ方向にも（すなわち、実質的に流体流の方向に沿って）走る。レーザビームの壁をそのように方向づけることにより、すべてのＣＮＴが少なくとも１つのレーザビームの照明領域を通って流れる可能性がさらに増大する。

図５は、図４のような一対の選別器が複数のタイプのＣＮＴを選別するようにカスケード状に結合される別の実施形態を示す。特に、図５の選別器装置は、３つの異なる種類のＣＮＴ、すなわち「ドット」、「斜線」及び「黒塗り」を選別するように意図されている。第１の壁５０１は、振動数が「ドット」ＣＮＴの共鳴振動数を下回るが「斜線」ＣＮＴ及び「黒塗り」ＣＮＴの共鳴振動数を上回る光から構成される。第２の壁５０２は、振動数が「斜線」ＣＮＴの共鳴振動数を下回るが「黒塗り」ＣＮＴの共鳴振動数を上回る光から構成される。

ＣＮＴは、流入流５０３において投入される。上述した構成から、第１の壁５０１は、「ドット」ＣＮＴを、それらが流出流５０４から流れるように吸引し、「斜線」ＣＮＴ及び「黒塗り」ＣＮＴを、壁５０２に向かって流れる流れに入るように反発する。第２の壁５０２は、「斜線」ＣＮＴを、それらが流出流５０５から流れるように吸引し、「黒塗り」ＣＮＴを、それらが流出流５０６から流れるように反発する。一実施形態では、「ドット」ＣＮＴは、すべてのＣＮＴの中で最も低い共鳴振動数を有し、「斜線」ＣＮＴは、すべてのＣＮＴの中で２番目に低い共鳴振動数を有する。そうすることにより、壁５０１が標的とする、取り逃されたいかなる「ドット」ＣＮＴも、流出流５０５を「ドット」ＣＮＴによって汚さないように壁５０２によって反発されることが保証される。

図３、図４及び図５において観察される選別技法のうちの任意ものの収集効率を向上させるために、吸引力が提供されない流体流を流入流にフィードバックしてもよい。たとえば、図３を参照すると、流出流３０４_２を流入流３０４_１にフィードバックしてもよく、図４を参照すると、流出流４０４_２を流入流４０４_１にフィードバックしてもよく、図５を参照すると、流出流５０６を流入流５０３にフィードバックしてもよい。ここで、すべての標的ＣＮＴが、それらを捕らえるように構成された光ビーム（複数可）の吸引力によって捕らえるとは限らない可能性があると想定される。したがって、標的ＣＮＴは、最初に光のそばを通過する時に所望の出口ポートから流出しない確率が幾分かある。

図３及び図４の場合、流れ３０４_２を流れ３０４_１に戻すように且つ流れ４０４_２を流れ４０４_１に戻すように結合することにより、レーザ光のそばを通過することで捕らえられなかった（すなわち「取り逃された」）標的ＣＮＴが、捕らえられる別の機会を有するようになる。さらに、図５の場合、流れ５０６を流れ５０３に戻るように結合することにより、壁５０１のそばを通過することによって捕らえられなかった「ドット」ＣＮＴを再度捕らえることができる。ここで、上述したように、いかなる取り逃された「ドット」ＣＮＴも、「ドット」ＣＮＴが「斜線」ＣＮＴより低い共鳴振動数を有するとすれば、壁５０２によって反発される。

別の手法として、サイクル毎の標的ＣＮＴの流れ全体を増大させるために、図５のカスケード構造を使用してもよい。そこでは、両壁５０１、５０２の電場成分振動数が同じである（又は、少なくとも、両壁５０１、５０２の電場成分振動数は同じＣＮＴを吸引するように調整される）。この手法に従って、いずれかの標的ＣＮＴが壁５０１から逸れたとしても、それらを、流出流５０５から流れるように壁５０２によって吸引することができる。選別効率をさらに向上させるために追加の段階を加えてもよい。

図６は、図５の選別戦略の多次元拡張を示し、そこでは、さまざまな当てられるレーザビームの電場強度は、タイプの異なる標的ＣＮＴに対して複数の流出流を提供するように構成される。図６の技法によれば、製造されたＣＮＴのバッチは流入流６０１において投入され、第１のレーザビーム６０２（壁又は別のもの）の電場成分振動数ｆ１は、ｆ１を下回る共鳴振動数を有するＣＮＴが流体流区間６０３に向かうように吸引され、且つｆ１を上回る共鳴振動数を有するＣＮＴが流体流区間６０４に向かうように反発されるように、製造されたカイラリティ及び径の組合せの予期される範囲を（たとえばおよそ「半分に」）分割する。

第２のレーザビーム６０５（壁又は別のもの）の電場成分振動数ｆ２（ｆ２はｆ１を下回る）は、ｆ１及びｆ２を下回る共鳴振動数を有するＣＮＴが流体流区間６１４に向かうように吸引され、且つｆ１を下回りｆ２を上回る共鳴振動数を有するＣＮＴが流体流区間６１３に向かうように反発されるように、区間６０３を流れるＣＮＴを（たとえばおよそ「半分に」）分割する。第３のレーザビーム６０６（壁又は別のもの）の電場成分振動数ｆ３（ｆ３はｆ１を上回る）は、ｆ１を上回りｆ３を下回る共鳴振動数を有するＣＮＴが流体流区間６１２に向かうように吸引され、且つｆ１を上回りｆ３を上回る共鳴振動数を有するＣＮＴが流体流区間６１１に向かうように反発されるように、区間６０４を流れるＣＮＴを（たとえばおよそ「半分に」）分割する。

第４のレーザビーム６１０（壁又は別のもの）の電場成分振動数ｆ４（ｆ４はｆ２を下回る）は、ｆ１、ｆ２及びｆ４を下回る共鳴振動数を有するＣＮＴが流体流区間６１５に向かうように吸引され、且つｆ１及びｆ２を下回りｆ４を上回る共鳴振動数を有するＣＮＴが流体流区間６１６に向かうように反発されるように、区間６１４を流れるＣＮＴを（たとえば、およそ「半分に」）分割する。第５のレーザビーム６０９（壁又は別のもの）の電場成分振動数ｆ５（ｆ５はｆ２を上回るがｆ１を下回る）は、ｆ１を下回りｆ２を上回りｆ５を下回る共鳴振動数を有するＣＮＴが流体流区間６１７に向かうように吸引され、且つｆ１を下回りｆ２を上回りｆ５を上回る共鳴振動数を有するＣＮＴが流体流区間６１８に向かうように反発されるように、区間６１３を流れるＣＮＴを（たとえばおよそ「半分に」）分割する。

第６のレーザビーム６０８（壁又は別のもの）の電場成分振動数ｆ６（ｆ６はｆ３を下回るがｆ１を上回る）は、ｆ１を上回りｆ３を下回りｆ６を下回る共鳴振動数を有するＣＮＴが流体流区間６１９に向かうように吸引され、且つｆ１を上回りｆ３を下回りｆ６を上回る共鳴振動数を有するＣＮＴが流体流区間６２０に向かうように反発されるように、区間６１２を流れるＣＮＴを（たとえばおよそ「半分に」）分割する。第７のレーザビーム６０７（壁又は別のもの）の電場成分振動数ｆ７（ｆ７はｆ１及びｆ３を上回る）は、ｆ１を上回りｆ３を上回りｆ７を下回る共鳴振動数を有するＣＮＴが流体流区間６２１に向かうように吸引され、且つｆ１を上回りｆ３を上回りｆ７を上回る共鳴振動数を有するＣＮＴが流体流区間６２２に向かうように反発されるように、区間６１１を流れるＣＮＴを（たとえばおよそ「半分に」）分割する。

図７は、標的ＣＮＴの高純度濃度をもたらすように使用してもよい別の手法を示す（すなわち、標的範囲外のＣＮＴの収集が低減される）。図７は、図５に類似するが、標的ＣＮＴを吸引する２つ以上のレーザビーム壁７０１、７０２によって提供される流出流チャネル７０５が存在する。すなわち、レーザビーム壁７０１は、標的ＣＮＴを流体流７０４内に入るように吸引し、レーザビーム壁７０２は標的ＣＮＴを流体流７０５内に入るように吸引する。したがって、非標的ＣＮＴは、流体流７０５から出るためには、壁７０１及び７０２の両方の反発力から逃げなければならない。最終流出流の純度をさらに向上させるように、標的ＣＮＴを吸引するように設計された追加の１つ又は複数のレーザビーム壁段階を、流体流７０５から続くように設計することができる。

上記説明では、当てられるレーザ光の電気成分振動数は、常に、「標的」ＣＮＴの共鳴振動数を下回るように示唆された。上述したように標的ＣＮＴを吸引しようとするのではない逆の実施形態では、電場成分振動数は、標的ＣＮＴの共鳴振動数を上回る（標的ＣＮＴを反発するように）が１つ又は複数の非標的ＣＮＴの共鳴振動数を下回る（非標的ＣＮＴを吸引するように）ように設定される。この場合、たとえば、図３、図４及び図５を参照すると、標的ＣＮＴは、それぞれ流れ３０４_２、４０４_２及び５０６から出る。

図８Ａ〜図８Ｃは、収集されたＣＮＴが選別されるＣＮＴの流れ８０３とは異なる垂直面に沿って流れる、固定レーザ光を使用する選別技法の別の実施形態を示す。図８Ａ〜図８Ｃの手法によれば、選別されるＣＮＴの流れ８０３は、選別されるＣＮＴの流れ８０３内の標的ＣＮＴを収集するように設計される第２の流体チャネル８０２の「下」（ｘ軸に沿って測定する場合）を走る第１の流体チャネル８０１に沿って流れる。第２のチャネル８０２の流体流は＋ｙ方向に進む。したがって、純粋な流体８０５が、チャネル８０１及び８０２の交差部分より前にチャネル８０２に流れ込み、収集された標的ＣＮＴの流体流８０６は、チャネル８０１及び８０２の交差部分の後に流れる。

レーザビーム光は、標的ＣＮＴが流れ８０３から「上方に」チャネル８０２内に入るように吸引するような形状を有し且つ適当な電場成分振動数が与えられる。観察される記述によれば、レーザ光８０８の集光スポットは、１）レーザの光８０９が２つのチャネルの交差領域を照明し、２）選別されるＣＮＴの流れ８０３が図２に関して説明したものと同様な円形／楕円形形状の光８０９の側方に沿って進む（特に、観察されるように、流れ８０３は、光８０９の円形／楕円形フィールドの「下方」部分を通って進む）ように配置される。さらに、光の電場成分の振動数は、標的ＣＮＴの共鳴振動数を下回る振動数を有するようになされる。

これら条件により、以下のように２つのチャネルの交差の領域において増大する電場強度勾配が確立される。すなわち、１）標的ＣＮＴは、＋ｘ方向８０７においてチャネル８０１からチャネル８０２内に引き「上げられ」、２）非標的ＣＮＴ（又は少なくともレーザビームの電場成分振動数を上回る共鳴振動数を有するＣＮＴ）は、チャネル８０２において−ｘ方向にさらに「下方に」反発される。したがって、標的ＣＮＴは流れ８０６で流出し、非標的ＣＮＴは流れ８０４で流出する。

代替実施形態では、レーザビームスポット８０８を、その示された位置からチャネル８０１の真下に下げてもよく、光の電場成分の振動数を、標的ＣＮＴの共鳴振動数を上回るが他のすべてのＣＮＴの共鳴振動数を下回るように上昇させてもよい。この手法は、標的ＣＮＴをチャネル８０２内に入るように「上方に」「反発し」、他のすべてのＣＮＴをチャネル８０１に残るように吸引する。

図８Ａ〜図８Ｃの手法のあり得る実装上の問題は光学系である。すなわち、チャネル８０１が実際にチャネル８０２の「下に」あるとすると、光８０９は、チャネル８０１、８０２が中に構成されるチップ／担体の側部に沿って集束される。図８Ｄ及び図８Ｅは、チャネル８０２が垂直軸に沿ってチャネル８０１より高い場合に、図８Ａ〜図８Ｃの手法を実装するのが恐らくはより容易である別の手法を示す。図８Ｄ及び図８Ｅの手法によれば、当てられる光８１０は、チャネル８０１及び８０２が異なる垂直面に沿って走る場合、垂直軸に沿って進む。

さまざまな流れ８０３〜８０７の挙動は、図８Ａ〜図８Ｃに関して説明したものと同じである。図８Ｄ及び図８Ｅの記述によれば、当てられる光８１０の電気成分は、標的ＣＮＴをチャネル８０２内に入るように「上方に」吸引するように、標的ＣＮＴの共鳴振動数を下回る振動数を有する。代替手法では、光の焦点８０８をチャネル８０１の底部まで（又はチャネル８０１の下に）下げてもよく、光の電気成分の振動数を標的ＣＮＴの共鳴振動数を上回るように設定してもよい。これにより、標的ＣＮＴをチャネルに入るように「上方に」反発することができる。

図８Ｆは、図８Ｄ及び図８Ｅの技法に関する詳細を示す。ここでは、複数の光のビームが、チャネル８０１及び８０２の交差部分を通して当てられるように示されている。図４に関して上述した論考と同様に、複数の光のビームは、より強い電場強度勾配を適用し、且つ／又は単一の当てられる光のビームによってほとんど又はまったく光を受け取らない可能性のあるチャネル領域に光を当てることにより収集効率を向上させることができる。図８Ｆの記述によれば、さまざまなビームの焦点がｚ軸に沿って示されている。同様に、図示しないが、他の追加のビームの焦点が、ｙ軸に沿って存在してもよい。また、この場合も図８Ｆに図示しないが、焦点を、収集光を適当に形成するように異なるｘ軸レベルに配置してもよい。光の複数のビームを、図８Ａ〜図８Ｃに示す収集手法に対し、上述した図８Ｄ及び図８Ｅの収集手法と同様に適用してもよい。最後に、光のビームを、焦点の位置に基づいて標的ＣＮＴを吸引又は反発するように配置してもよい。

上述した手法のいずれに対しても、レーザ出力が高い場合に、それが強い光学力に対応する強い吸引／反発力をもたらすことに留意されたい。一般に、最強の選別の影響を提供するために、流れによってもたらされる抵抗力が光学吸引／反発力より小さくなるようなレベルで流量を維持することが得策である。流体流を実現する使用可能な溶液（複数可）に関し、流体チャネルを破壊しなければ、水又はＣＮＴを可溶性にする任意の溶液を使用してもよい（水、有機溶剤、酸等）。

上述した明細書において、本発明を、その特定の例示的な実施形態に関して説明した。しかしながら、添付の特許請求の範囲において示されるように本発明のより広い精神及び範囲から逸脱することなくそれに対してさまざまな変更及び変形を行ってもよい、ということが明らかとなろう。したがって、明細書及び図面は、限定する意味ではなく例示する意味でみなされるべきである。

（従来技術）レーザビームの掃引を採用するＣＮＴの選別技法を示す図である。 ＣＮＴを含む流体流内の集光レーザビームの電場成分に応答する種々のカイラリティ及び径のＣＮＴの吸引／反発挙動を示す図である。 流体流内でＣＮＴを選別するために固定レーザビームを採用する技法を示す図である。 流体流内でＣＮＴを選別するために複数の固定レーザビームが使用される図３の技法の拡張を示す図である。 流体流内で複数のタイプのＣＮＴを選別するカスケード状選別装置を示す図である。 図５のカスケード選別装置の拡張バージョンを示す図である。 標的ＣＮＴの浄化された濃度をもたらす選別装置を示す図である。 収集されたＣＮＴが、選別されるＣＮＴが流れる平面とは異なる垂直面に沿って流れるＣＮＴ選別を示す図である。 収集されたＣＮＴが、選別されるＣＮＴが流れる平面とは異なる垂直面に沿って流れるＣＮＴ選別を示す図である。 収集されたＣＮＴが、選別されるＣＮＴが流れる平面とは異なる垂直面に沿って流れるＣＮＴ選別を示す図である。 収集されたＣＮＴが、選別されるＣＮＴが流れる平面とは異なる垂直面に沿って流れるＣＮＴ選別を示す図である。 収集されたＣＮＴが、選別されるＣＮＴが流れる平面とは異なる垂直面に沿って流れるＣＮＴ選別を示す図である。 収集されたＣＮＴが、選別されるＣＮＴが流れる平面とは異なる垂直面に沿って流れるＣＮＴ選別を示す図である。

Claims (32)

1. 流体流内のカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）を該ＣＮＴの標的とされる一部を得るために選別する工程を備え、
   前記選別する工程は、前記流体流内の前記ＣＮＴの少なくとも一部分を、固定した光のビームの電場成分の強度が増大する方向に吸引することを含み、前記電場成分は前記ＣＮＴの少なくとも一部分内の前記ＣＮＴの１つ又は複数の共鳴振動数を下回る振動数を有し、前記選別する工程は、第２の固定した光のビームの電場成分の強度の増大する方向に前記ＣＮＴの第２の部分を吸引することを含み、前記第２の固定した光のビームの前記電場成分は、前記第２の部分内の前記ＣＮＴの１つ又は複数の共鳴振動数を下回る振動数を有し、前記第２の部分は、前記光のビームの前記電場成分の強度が低減する方向に反発された前記流体流内の前記ＣＮＴからのものである、方法。
2. 前記ＣＮＴの少なくとも一部分は前記標的とされる一部を含む、請求項１に記載の方法。
3. 前記固定した光のビームは、固定したレーザ光のビームをさらに含む、請求項１に記載の方法。
4. 前記固定したレーザ光のビームは前記流体流内のスポットに集束される、請求項３に記載の方法。
5. 前記ＣＮＴは、
   前記スポットの側方に沿って又は該側方へ逸れるように、且つ前記スポットの前記側方とは反対側の別の側方に沿わず且つ該別の側方へは逸れないように
   流れるようになされる、請求項４に記載の方法。
6. 前記吸引することは、前記ＣＮＴの少なくとも一部分を前記流体流から別の流体流に引き込む、請求項５に記載の方法。
7. 前記ＣＮＴの少なくとも一部分は前記標的とされる一部を含む、請求項６に記載の方法。
8. 前記光のビームは、複数の光ビームのうちの１つであり、その電場成分の各々は前記１つ又は複数の共鳴振動数を下回る、請求項６に記載の方法。
9. 前記第２の固定した光のビームの前記電場成分の前記振動数は、前記固定した光のビームの前記電場成分の前記振動数を下回る、請求項１に記載の方法。
10. 前記第２の固定した光のビームの前記電場成分は、前記振動数を上回る第２の振動数を有する、請求項１に記載の方法。
11. 前記光のビームの前記電場成分は、前記１つ又は複数の共鳴振動数を下回る第２の振動数を有する、請求項１に記載の方法。
12. 前記ＣＮＴの標的とされる一部が、前記流体流とは異なる垂直平面に沿って進む第２の流体流内に移動することをさらに含む、請求項１に記載の方法。
13. ａ）第１の流体流を案内する第１の流体流チャネルと、
    ｂ）カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）を運ぶ第２の流体流を案内する第２の流体流チャネルと、
    ｃ）前記第１の流体流チャネル及び前記第２の流体流チャネルに結合された第３の流体流チャネルであって、前記第１の流体流及び前記第２の流体流を互いに並んだ状態で案内する、第３の流体流チャネルと、
    ｄ）前記第３の流体流チャネル内のスポットに固定した光を集束させる固定したレンズであって、前記第２の流体流が
    前記スポットの側方に沿って又は該側方へ逸れるように、且つ前記スポットの前記側方とは反対側の別の側方に沿わず且つ該側方へは逸れないように流れるように、前記スポットを配置するように位置づけられる、レンズと
    を具備する、装置。
14. 前記第３の流体流チャネル内に一連の集光スポットを形成するように、該第３の流体流チャネル内のスポットに各々集束される複数の光のビームを形成する一連のレンズをさらに具備する、請求項１３に記載の装置。
15. 前記一連のレンズは、前記第１の流体流内に前記スポットを後退させるように配置される、請求項１４に記載の装置。
16. 前記第３の流体流チャネルに結合された第４の流体流チャネルをさらに具備し、該第４の流体流チャネルは、前記第１の流体流の少なくとも一部分に入るように吸引された前記ＣＮＴの少なくとも一部分を移送するものであり、それは、前記光の電場成分が前記ＣＮＴの前記部分内のＣＮＴの１つ又は複数の共鳴振動数を下回る振動数を有していたためである、請求項１３に記載の装置。
17. 前記第３の流体流チャネルに結合された第５の流体流チャネルをさらに具備し、該第５の流体流チャネルは、該第５の流体流チャネルを通って流れる流体流に向かって反発された前記ＣＮＴの少なくとも第２の部分を移送するものであり、それは、前記光の電場成分が前記ＣＮＴの前記第２の部分内のＣＮＴの１つ又は複数の共鳴振動数を上回る振動数を有していたためである、請求項１６に記載の装置。
18. 前記第４の流体流チャネルから下流の第６の流体流チャネルと、
    該第６の流体流チャネル内に第２の光を集束させるレンズと
    をさらに具備する、請求項１７に記載の装置。
19. 前記第２の光の前記電場成分の前記振動数は、前記光の前記電場成分の前記振動数を上回る、請求項１８に記載の装置。
20. 前記第２の光の前記電場成分の前記振動数は、前記ＣＮＴの少なくとも一部分内のＣＮＴの一部の前記１つ又は複数の共鳴振動数を下回る、請求項１８に記載の装置。
21. 前記第５の流体流チャネルから下流の第７の流体流チャネルと、
    該第７の流体流チャネル内に第３の光を集束させるレンズと
    をさらに具備する、請求項１８に記載の装置。
22. 前記第３の光の前記電場成分の前記振動数は、前記光の前記電場成分の前記振動数を下回る、請求項２１に記載の装置。
23. 前記第５の流体流チャネルから下流の第６の流体流チャネルと、
    該第６の流体流チャネル内に第２の光を集束させるレンズと
    をさらに具備する、請求項１７に記載の装置。
24. 前記第２の光の前記電場成分の前記振動数は、前記光の前記電場成分の前記振動数を下回る、請求項２３に記載の装置。
25. 前記第２の光の前記電場成分の前記振動数は、前記ＣＮＴの前記第２の部分内のＣＮＴの一部の前記１つ又は複数の共鳴振動数を上回る、請求項２３に記載の装置。
26. ａ）第１の流体流及び第２の流体流を互いに並んだ状態で進ませる流体流チャネルと、
    ｂ）前記流体流のうちの少なくとも１つの内に電場強度の勾配を形成する固定した集光レーザ光を生成するように配置された１つ又は複数のレンズ及びレーザ光源であって、前記電場強度の勾配及び前記レーザ光の電場成分の振動数は、ＣＮＴが、それらの１つ又は複数の共鳴振動数の前記振動数に対する結果として、前記第１の流体流から出て前記第２の流体流に入るようにするものである、１つ又は複数のレンズ及びレーザ光源と
    を具備する、装置。
27. 前記第１の流体流及び第２の流体流は異なる垂直平面に沿って進む、請求項２６に記載の装置。
28. 前記第２の流体流は前記第１の流体流の上方を進む、請求項２６に記載の装置。
29. 前記ＣＮＴは、前記レーザ光の前記電場成分の前記振動数を下回る共鳴振動数を有する、請求項２６に記載の装置。
30. 前記ＣＮＴは標的とされるＣＮＴである、請求項２９に記載の装置。
31. 前記ＣＮＴは、前記レーザ光の前記電場成分の前記振動数を上回る共鳴振動数を有する、請求項２６に記載の装置。
32. 前記ＣＮＴは標的とされるＣＮＴである、請求項３１に記載の装置。

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