JP4785429B2

JP4785429B2 - 無機材料ナノ構造体の加工方法および同加工装置

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Publication number: JP4785429B2
Application number: JP2005167067A
Authority: JP
Inventors: 孝大河原; 洋治井上; 葉月下村
Original assignee: Toshiba Plant Systems and Services Corp
Current assignee: Toshiba Plant Systems and Services Corp
Priority date: 2005-06-07
Filing date: 2005-06-07
Publication date: 2011-10-05
Anticipated expiration: 2025-06-07
Also published as: JP2006341322A

Description

本発明は、キャビテーション泡の崩壊時に発生する衝撃波を利用して、無機材料ナノ構造体に微細な孔を開口させ、または無機材料ナノ構造体を破断させる無機材料ナノ構造体の加工方法および同加工装置に関する。

近年、無機材料ナノ構造体などに孔を開ける加工方法が開発され、例えばカーボンナノチューブを分散させる溶媒体中にて、超音波の照射強度を２５０〜３５０Ｗ／ｃｍ^２にて数時間程度照射することにより、カーボンナノチューブの表面に細孔若しくは欠陥のいずれかを付与することが提案されている（特許文献１参照）。

この提案によれば、カーボンナノチューブなどを切断し、カーボンナノチューブの内にイオンや原子、分子などを自由に出し入れすることが可能となる。

ただし、この従来技術の場合には、超音波の照射強度（音響強度）だけに依存した方式となっている。
特開２００３−２０５４９９号公報

上述した従来技術では、超音波の照射強度（音響強度）だけに依存した方式となっているため、必ずしも高エネルギによる加工を行うことができず、無機材料ナノ構造体に細孔を開けるまでに長時間を有し、また少数の孔形成が可能となっている程度である。

実際に、工業的レベルで利用に供するためには、無機材料ナノ構造体に微細な孔を開口させ、または無機材料ナノ構造体を破断させるには、無機材料ナノ構造体に細孔若しくは欠陥を人為的に大量に且つ、短時間で加工する手段が求められる。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、無機材料ナノ構造体に細孔若しくは欠陥を人為的に大量に且つ、短時間に加工することができ、工業的利用を大幅に促進させることができる無機材料ナノ構造体の加工方法および同加工装置を提供することを目的とする。

発明者の検討によると、無機材料ナノ構造体を分散させた溶液中に高周波振動する振動体と、この振動体による混合液の振動を反射させる反射体とを配置し、互いの間に狭隘な空間をあけて振動体を高周波対向させると、無機材料ナノ構造体を分散させた溶液に対して極めて高いキャビテーション効果が付与され、この無機材料ナノ構造体に細孔若しくは欠陥が大量に形成され、短時間で微細孔の開口または破断を起させることを見出した。

すなわち、無機材料ナノ構造体を分散させた溶液を、振動体と反射体との狭隘な空間に導入した状態で、振動体を反射体から離間する方向に動作させると、振動体と反射体との狭隘な空間に瞬間的に負圧になる場が形成され、その負圧により溶液中に気泡、すなわちキャビテーション泡が発生する。

次に、振動体を高周波振動により反射体に接近する方向に動作させると、瞬間的に高圧の圧力場が形成され、キャビテーション泡は高圧によって崩壊される。このキャビテーション泡の崩壊時には、高圧の衝撃波（泡崩壊時発生衝撃波）が発生する。この衝撃波は、溶液中の無機材料ナノ構造体に破壊エネルギとして作用し、キャビテーション泡の崩壊時には、その無機材料ナノ構造体に微細な孔を開口させ、または無機材料ナノ構造体を破断させる外向きの破壊エネルギが発生する。

このように、キャビテーション泡の崩壊時に大きな衝撃圧力が生じ、条件によっては、発生する衝撃圧力が数百ＭＰａに達する。この発生圧力を音響照射強度に換算すると数十万Ｗ／ｃｍ^２に相当する。

そして、衝撃波は振動体と反射体との間で反射し、衝撃波反射波となって、再び無機材料ナノ構造体に衝撃波として繰り返し作用する。これにより、カーボンナノチューブを瞬時に切断若しくは細孔を開口させることが可能となる。

特に、振動体を５００Ｈｚ以上の超音波領域で振動させると、キャビテーションによる衝撃圧力と、超音波振動の相乗効果により、無機材料ナノ構造体に多量の微細孔が開口し、また無機材料ナノ構造体の切断作用が行われる。この場合、振動体と反射体との間の空間の狭隘な対向面間隔を、１０ｍｍ以下とすることが望ましい。

本発明は、このような知見に基づくものであり、請求項１に係る発明では、側壁部ならびに底壁部を有する容器の前記底壁部の中心位置に前記底壁部に対向して水平に振動体が配置され、前記振動体に対向する前記底壁部内面側に反射体が設けられており、前記容器の前記底壁部中心位置に前記底壁部および前記反射体を貫通する導入口から、員環配列構造を有する無機材料ナノ構造体が分散した混合液を、前記振動体と前記反射体間の狭隘な空間内に収容または流動させ、前記振動体を高周波振動させて前記狭隘な空間内に発生するキャビテーション泡が崩壊するときの衝撃波により、前記無機材料ナノ構造体に微細な孔を開口させ、または前記無機材料ナノ構造体を破断させる処理を施すことを特徴とする無機材料ナノ構造体の加工方法を提供する。

請求項２に係る発明では、前記空間の狭隘な対向面の間隔を、１０ｍｍ以下とする無機材料ナノ構造体の加工方法を提供する。

請求項３に係る発明では、前記キャビテーション泡を発生させる振動周波数を、５００Ｈｚ以上の高周波領域とする請求項１記載の無機材料ナノ構造体の加工方法を提供する。

請求項４に係る発明では、前記無機材料ナノ構造体として、規則的な員環配列構造を有し、かつ三次元における少なくとも１方向の寸法がナノメートルの領域にあるシリコン等の導体または半導体を適用する無機材料ナノ構造体の加工方法を提供する。

請求項５に係る発明では、前記無機材料ナノ構造体として、炭素の六員環配列構造を有し、かつ三次元における少なくとも１方向の寸法がナノメートルの領域にあるカーボンナノチューブを適用する無機材料ナノ構造体の加工方法を提供する。

請求項６に係る発明では、前記無機材料ナノ構造体に微細な孔を開口させ、または前記無機材料ナノ構造体を破断させた後に、前記無機材料ナノ構造体を前記混合液から分離し、当該分離した無機材料ナノ構造体を加熱処理することにより、前記開口または破断部分の形状を安定化させる安定化処理を施す無機材料ナノ構造体の加工方法を提供する。

請求項７に係る発明では、前記無機材料ナノ構造体として、員環配列構造を持つチューブで、その内側に金属などの無機材料の原子または分子を内包するものを適用する無機材料ナノ構造体の加工方法を提供する。

請求項８に係る発明では、側壁部ならびに底壁部を有する縦軸筒状の密閉容器の前記底壁部の中心位置に前記底壁部に対向して水平に振動体が配置され、前記振動体は、前記容器外部に設置されている高周波振動発生装置に接続されており、前記振動体に対向する前記底壁部内面側に反射体が設けられており、前記容器の前記底壁部中心位置に前記底壁部および前記反射体を貫通する導入口が穿設されており、この導入口には混合液供給配管が接続されていて、この混合液供給配管は、員環配列構造を有する無機材料ナノ構造体が分散した混合液が収容されている原料混合タンクに接続されており、前記混合液は前記混合タンクから前記混合液供給配管を介して前記容器の前記底壁部および前記反射体に穿設された前記導入口から上向きに前記容器内に流入し、前記混合液を前記振動体と前記反射体間の狭隘な空間内に収容または流動させ、前記容器の前記側壁には排出口が設けられており、この排出口には排出管を介して収集タンクが配置されており、前記振動体を高周波振動させて前記狭隘な空間内に発生するキャビテーション泡が崩壊するときの衝撃波により、前記狭隘な空間に存在する前記混合液の前記無機材料ナノ構造体に微細な孔を開口させ、または前記無機材料ナノ構造体を破断させる処理を施すことにより、生成された無機材料ナノ構造体を前記排出口から前記排出管を介して前記収集タンクに収集することを特徴とする無機材料ナノ構造体の加工装置を提供する。

請求項９に係る発明では、前記容器内で高周波振動が付与される前記狭隘な空間を形成する一の面と、これに対向する他の面との間隔は、１０ｍｍ以下に設定されている無機材料ナノ構造体の加工装置を提供する。

請求項１０に係る発明では、前記キャビテーション泡を発生させる振動周波数は、５００Ｈｚ以上の高周波領域に設定されている無機材料ナノ構造体の加工装置を提供する。

請求項１１に係る発明では、前記高周波振動発生装置は、前記キャビテーション泡を発生させる手段として、超磁歪材料または圧電型セラミックス材料により構成された振動部を有する無機材料ナノ構造体の加工装置を提供する。

本発明によれば、狭隘な空間部を形成した溶液中にて振動体を高周波にて振動させることにより、微細なキャビテーション泡と、キャビテーション泡の崩壊によって生じる衝撃波を連続的に生成させることができ、高密度の衝撃波空間を安定して生成することが可能となる。

この衝撃波空間に無機材料ナノチューブを混合・拡散した溶液を供給すると、空間に生成された衝撃波が繰り返し無機材料ナノチューブ表面に作用し、無機材慮ナノチューブを切断し、若しくは開口形成がなされる。

無機材料ナノチューブは、引張強度が大きい材料のため、通常の力では破断し得ないが、数百ＭＰａに及ぶ衝撃波を繰り返し作用させることにより、破断若しくは開口形成が可能となり、短時間でナノチューブの破断若しくは開口形成が可能となり、従来では数時間がかかっていた開口処理を、数秒程度に短縮することができ、無機材料ナノチューブを大量に且つ短時間に、しかも安価に加工することができ、工業上における実際的利用性を大幅に向上することができる。

以下、本発明に係る無機材料ナノ構造体の加工方法および同加工装置の実施形態について、図面を参照して説明する。

［第１実施形態（図１〜図３）］
本実施形態の無機材料ナノ構造体加工装置は、基本的に、員環配列構造を有する無機材料ナノ構造体が分散した溶液を収容または流動させる狭隘な空間を持つ処理容器と、この処理容器内の狭隘な空間を形成する少なくとも一の面とこれに対向する他の面との少なくともいずれか一方を他方に向って高周波振動させる高周波振動手段とを備えている。

そして、高周波振動手段には、高周波振動によって発生するキャビテーション泡が崩壊するときの衝撃波により、無機材料ナノ構造体に微細な孔を開口させ、または無機材料ナノ構造体を破断させる振動エネルギを発生させる設定としている。

この装置を使用して、本実施形態の無機材料ナノ構造体の加工方法では、員環配列構造を有する無機材料ナノ構造体が分散した溶液を、狭隘な空間内に収容または流動させ、空間を形成する少なくとも一の面をこれに対向する他の面に対して高周波振動させ、その振動によって発生するキャビテーション泡が崩壊するときの衝撃波により、無機材料ナノ構造体に微細な孔を開口させ、または無機材料ナノ構造体を破断させる処理を施す。

以下の実施形態においては、無機材料ナノ構造体の具体例として、炭素の六員環配列構造を有し、かつ三次元における少なくとも１方向の寸法がナノメートルの領域にあるカーボンナノチューブを適用する場合について説明する。

図１は、無機材料ナノ構造体加工装置を一部断面として示す構成図であり、図２は、キャビテーション作用を示す説明図である。図３は、無機材料ナノ構造体であるカーボンナノチューブへの微細孔の開口および破断作用を示す説明図である。

図１に示すように、本実施形態の無機材料ナノ構造体加工装置１は、六員環配列構造を有するカーボンナノチューブ２と、例えば酸性の溶液３とを収容する原料混合タンク４を有する。原料混合タンク４には攪拌装置５が設けられ、この攪拌装置５によって原料混合タンク４内のカーボンナノチューブ２と溶液３とが混合されるようになっている。これにより、原料混合タンク４内には、溶液３にカーボンナノチューブ２が均一に分散した混合液６が収容される。

原料混合タンク４には混合液供給配管７が接続され、この混合液供給配管７には混合液供給用ポンプ８および流量調節弁９が設けられている。混合液供給配管７は,キャビテーション処理用の処理容器１０に接続され、この処理容器１０に混合液供給配管７から混合液６が所定流量で連続的に供給される。

処理容器１０は、例えば縦軸筒状の密閉容器として構成されており、この処理容器１０内の底部近傍の中心位置に、上下方向に高周波振動する振動体１１が水平に配置されている。また、処理容器１０の底壁部内面側には、振動体１１と対向する水平な反射体１２が設けられている。なお、これら振動体１１と反射体１２との配置は一例であり、例えば横向きまたは傾斜方向で対向する配置であってもよく、さらに図示の配置を天地逆の配置としてもよい。また、図示の例では振動体１１と反射体１２とを処理容器１０内に１対配置しているが、複数対配置してもよい。

処理容器１０の底壁中心位置には、底壁および反射体１２を貫通する小口径の混合液導入口（ノズル）１３が穿設され、この混合液導入口に混合液供給配管７が接続されている。これにより、原料混合タンク４から混合液供給配管７を介して供給された混合液が、処理容器の底壁および反射体の混合液導入口１３から上向きに流入し、振動体１１の下面と反射体１２の上面との間の狭隘な空間に収容されるとともに、この振動体１１および反射体１２の外周側に向って流動するようになっている。

また、処理容器１０の側壁には液排出口１４が開設されており、この液排出口１４に流量調整弁１６を有する液排出管１５が連結され、処理後の混合液が例えば下方設置の収集タンク１７に排出されるようになっている。

次に、振動体１１および反射体１の構成を詳細に説明する。振動体１１は図１に示すように、一定の肉厚を有する厚板状のコマとして構成されている。この振動体１１の中心部が、処理容器１０の上壁を貫通して上方から垂下した垂直な振動軸１８の下端に連結され、この振動軸１８の上端が高周波振動発生装置１９に連結されている。

高周波振動発生装置１９は、ケース内に高周波コイル２０と、この高周波コイル２０の中心位置に配置された振動子２１とを備えた構成とされており、アーム２２を介して処理容器１０上方の静止部２３に固定設置されている。振動子２１は、例えば圧電素子または超磁歪材料により構成されている。なお、振動体１１、振動軸１８および振動子２１は同一材料によって一体構造とすることもできる。

高周波コイル２０は、高周波電源装置２４に電源ケーブル２５を介して接続され、高周波電力の供給を受けるようになっている。なお、高周波電源装置２４は、図示省略の商用電源等の基本電源からの電力を周波数変換し、高周波電流を発生するものである。

高周波電源装置２４で発生した高周波電流は高周波コイル２０に印加され、振動子２１を高周波で上下方向（矢印ａ方向）に振動させる。そして、振動子２１の振動が振動軸１８を介して振動体１１に伝達され、振動体１１が高周波振動する。振動子２１ひいては振動体１１の高周波振動領域は、例えば高周波領域（５００Ｈｚ）以上に設定されている。

振動体１１および反射体１２は、狭隘な空間を介して対向し、その対向間隔であるギャップδは、０．１ｍｍ以上、１０ｍｍ以下、例えば数ｍｍの間隙に設定保持されている。

これらの振動体１１および反射体１２は、全体または少なくとも相対する面を構成する部分が硬度の高い材料、例えばセラミックスまたは超硬合金などの硬質材料などによって構成されている。これにより、振動体１１と反射体１２とはキャビテーション泡の崩壊時に発生する衝撃波にて十分に耐え、壌食されない高強度をもつ構成とされている。なお、振動体１１と反射体１２との対向部分のみを高硬度とする場合には、各種金属等の母材の表面にセラミックスもしくは超高合金の硬質メッキによる表面処理を施すことなどにより構成することができる。

セラミックスとしては、例えばアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）およびジルコニア（ＺｙＯ_２）等が適用される。

また、超硬合金としては、例えばタングステンカーバイド（ＷＣ）、タングステンカーバイド・コバルト合金（ＷＣ−Ｃｏ，ＷＣ−ＴｉＣ−Ｃｏ，ＷＣ−ＴｉＣ−ＴａＣ−Ｃｏ等）およびステライト（Ｓｔｅｌｌｉｔｅ）等が適用される。

次に作用を説明する。

まず、カーボンナノチューブ２と溶液３とを原料混合タンク４に供給し、撹拌装置５により十分に混合させ、カーボンナノチューブ２が溶液３中に均一に分散された状態の混合液６とする。

この混合液６を混合液供給管７から、混合液供給ポンプ８の駆動により、処理容器１０に連続的に供給する。この場合、混合液流量調整弁９の操作により、キャビテーション処理に必要な所定量のカーボンナノチューブ２および溶液３を設定する。

供給された混合液６は、処理容器１０の底壁および反射体１２の中央部に開口する小口径の混合液導入口１３を介して開口されており、カーボンナノチューブ２と混合液３との混合液６は、原料混合タンク４から混合液供給配管７を介して振動体１１の下面に流入する。これにより、振動体１１の下面は、カーボンナノチューブ２が混入された混合液６に浸漬される状態となる。

この状態で、高周波振動発生装置１９を起動し、振動体１１を混合液６中にて高周波で振動させると、振動体１１の下面と反射体１２の上面との狭隘な空間に、微細なキャビテーション泡が高密度に発生するキャビテーション発生部２６が形成される。

キャビテーション発生部２６においては、後述するように、キャビテーション泡の発生と崩壊とが繰返され、このキャビテーション泡の崩壊時に発生する衝撃波により混合液６中のカーボンナノチューブ２の切断または微細な孔の開口形成が行われる。

このようなキャビテーション泡の崩壊時に発生する衝撃波にて切断され、または微細孔が開口形成されがカーボンナノチューブ２は、混合液６として液排出管１５を介して収集タンク１７に排出される。

図２は、振動体１１によるキャビテーション泡の衝撃波によるカーボンナノチューブの加工メカニズムを示す作用説明図である。この図２を参照してキャビテーション発生部の衝撃波の作用をさらに詳細に説明する。

図２に示すように、振動体１１と反射体１２との間に噴出した混合液６中のカーボンナノチューブ２は、振動体１１が上向き（振動方向ａ；反射体１２から離間する方向）に動作すると、振動体１１と反射体１２との問に瞬間的に負圧になる場が形成され、その負圧により混合液６中に気泡、すなわちキャビテーション泡１００が発生する。特に、振動体１１と反射体１２とが狭隘なギャップδを隔てて反射体１２と対向し、そのギャップδが１０ｍｍ以下の微少な空間を保った状態で、振動体１１が上方に瞬時に移動すると、振動体１１の下面側の空間は瞬間的に負圧になり、溶液３の飽和蒸気圧以下の圧力場が形成され、キャビテーション泡と呼ばれる微細な泡１００が発生する。

このキャビテーション泡１００、は混合液６中に多数発生し、振動体１１が高周波振動により次の瞬間に下向きに動作すると、上記と逆に高圧の圧力場が形成され、発生していたキャビテーション泡１００は高圧により崩壊される。このキャビテーション泡１００の崩壊時には、数百ＭＰａに達する高圧の衝撃波（泡崩壊時発生衝撃波：矢印ｆ）が発生する。この衝撃波ｆは、カーボンナノチューブ２に加工エネルギとして作用する。特に混合液６内に発生したキャビテーション泡１００の崩壊時には、外向きの破壊エネルギが発生する。これにより、カーボンナノチューブに対し、衝撃波ｆが振動体１１と反射体１２との間で反射し、さらに衝撃反射波（以下、単に「反射波」という：矢印ｇ）となって、再びカーボンナノチューブ２に衝撃波として繰り返し作用する。

なお、この時発生する衝撃波ｆは距離が大きくなるに従って拡散、減衰されるため、数十ミリと離れた相手に対しては、ほとんど衝撃波としての作用を及ぼさないが、ギャップδを十ミリメートルから数百ミクロンの値にするとキャビテーション泡１００の崩壊によって生じた衝撃波ｆは他のキャビテーション泡１００と相互に作用しながら反射波ｇを発生し、その一部は振動体１１と反射体１２の表面間で反射を繰返す。

以上のように、振動体１１が混合液中で高周波振動すると、カーボンナノチューブ２に対して振動体１１の超高速往復動作によって微細なキャビテーション泡１００の形成・崩壊が繰り返される。そして、このキャビテーション泡１００の崩壊時に大きな衝撃圧力が生じ、条件によっては、発生する衝撃圧力が数百ＭＰａに達する。この衝撃圧力が数百ＭＰａに達することは、高周波振動を設定した本実施形態において明確に観測することができた。

図３は、六員環配列構造を有するカーボンナノチューブ２に、微細な孔が開口し、また破断される状態を示す模式図である。なお、図３に示したカーボンナノチューブ２の径ｄは、例えば１０〜５０ｎｍである。

図３に示すように、キャビテーション発生部２６において、キャビテーション泡１００の崩壊時に発生する衝撃波ｆと、発生した衝撃波ｆの反射波ｇとは、カーボンナノチューブ２に対して作用する。

すなわち、振動体１１を５００Ｈｚ以上の高周波領域で振動させると、カーボンナノチューブ２中の員環配列分子および原子等に作用し、キャビテーション発生領域にて発生するキャビテーション泡１００の崩壊によって生じる衝撃波ｆと、衝撃波ｆの反射によって生じる反射波ｇの相互作用により、カーボンナノチューブ２に多数の微細な孔１０２が開口し、また破断等の処理がなされる（破断部１０１）。

特に、キャビテーション泡１００が高密度に狭い空間に発生すると、キャビテーション泡１００自身が衝撃波ｆの反射体としても作用するので、衝撃波ｆが狭い空間に閉じこめられた状態が形成される。このような衝撃波ｆが閉じこめられた空間部にカーボンナノチューブ２が混入されている混合液６が配置されていると、衝撃波ｆおよび反射波ｇがカーボンナノチューブ２の表面に連続的に作用し、カーボンナノチューブ２が破断され、またチューブ側面部に微細な孔１０２が開口形成される。

なお、孔１０２の径は例えば数〜数十ｎｍであり、キャビテーション処理時間およびキャビテーションのエネルギ強度の関係によって変化させることができる。例えば、処理強度が小さい場合でも、処理時間を長くすると破断部１０１および孔１０２の数を増大させ、孔１０２の径を拡大させることができる。

以上のように、本実施形態によれば、短時間でカーボンナノチューブ２の破断若しくは開口形成が可能となり、従来では数時間を要していた開口処理を、数秒程度に短縮することができ、カーボンナノチューブ２を大量に且つ短時間で、しかも安価に加工することができ、工業上における実際的利用性を大幅に促進することが可能となる。

［第２実施形態（図４）］
本実施形態では、上述の第１実施形態によりカーボンナノチューブ２に微細な孔１０２を開口させ、またはカーボンナノチューブ２を破断させた後に、カーボンナノチューブ２を溶液３から分離し、その分離したカーボンナノチューブ２を加熱処理等することにより、開口または破断部分の形状を安定化させる安定化処理を施す無機材料ナノ構造体加工方法および同加工装置について説明する。

図４は、ナノ構造体加工装置を示す構成図である。

図４に示すように、本実施形態では、処理容器１０に処理済みナノチューブを送給する送給管３１が設けられ、この送給管３１に送給ポンプ３２が設けられている。送給管３１の先端には、ナノチューブ分離装置３３が設けられている。このナノチューブ分離装置３３は溶液３とナノチューブ２の比重差を利用した旋回流式の固液分離装置である。

ナノチューブ分離装置３３には、混合液リターン配管３４と、ナノチューブ送給パイプ３５が連結されている。混合液リターン配管３４には、混合液リターンポンプ３６が設けられ、混合液リターン配管３４は、原料混合タンク４に連結されている。そして、ナノチューブ分離装置３３でナノチューブから分離された混合液は、混合液リターンポンプ３６にて再び原料混合タンク４に戻され、再利用されるようになっている。

一方、ナノチューブ送給パイプ３５には、ナノチューブ処理タンク３７が連結されている。ナノチューブ処理タンク３７には、ナノチューブ分離装置３３の外周部に濃縮されたナノチューブが送給されるようになっている。このナノチューブ処理タンク３７には、ナノチューブ２を分散させた酸性の溶液に対する中和液３８と、ナノチューブ２を洗浄するためのナノチューブ洗浄液３９とが交互に供給され、中和と洗浄とを繰返す処理が行われる構成となっている。

そして、ナノチューブ洗浄液３９でナノチューブ２が所定の清浄な状態になった後、切断ナノチューブ送給パイプ４０にて真空処理タンク４１に送給されるようになっている。

真空処理タンク４１には真空ブロア４３が設けられ、送給されたナノチューブ２が真空ブロア４３にて形成された真空処理タンク４１内の真空空間において、ナノチューブ２の表面や内部に侵入しているイオンなどを強制的に除去させるようになっている。

真空処理タンク４１には、ナノチューブ取出し管４４が連結され、所定の清浄状態が確保されたナノチューブ２ａが、ナノチューブ貯留タンク４５に送給され、貯留されるようになっている。

ナノチューブ貯留タンク４５には、送給配管４６、送給ポンプ４７および流量調節弁４８が設けられ、ナノチューブ貯留タンク４５で清浄状態となったナノチューブ２ａが送給されるようになっている。この送給配管４６には、熱処理炉４９が連結されている。

熱処理炉４９はヒータ５０を備え、送給されたナノチューブ２ａを８００℃程度の高温酸素雰囲気中にて一定時間熱処理する機能を有している。なお、ヒータ５０は、加熱用配線５１を介して図示省略の電源に接続されている。そして、熱処理炉４９では、ナノチューブ２ａを一定時間熱処理することにより、ナノチューブ２ａの破断部１０１若しくは開口した孔１０２が再び六員環格子状態に閉塞されることを防止する処理が施される。

また、熱処理炉４９には、ナノチューブ排出管５２および排出用弁５３が設けられ、タンク５４に熱処理済みナノチューブ２ｃを供給することができるようになっている。

熱処理された熱処理済みナノチューブ２ｃは、タンク５４に貯留され、冷却された後、後述する他の目的に使用される。

次に、以上の構成を有する本実施形態の作用を説明する。

まず、第１実施形態で説明したキャビテーション泡１００の崩壊時に発生する衝撃波により切断され、若しくは微細な孔１０２が開口されたカーボンナノチューブ２は、送給ポンプ３２によってナノチューブ分離装置３３に送給される。

ナノチューブ分離装置３３では、溶液３とナノチューブ２との比重差を利用した旋回流によって固液分離がされ、外周部に濃縮されたナノチューブ２はナノチューブ送給パイプ３５を介してナノチューブ処理タンク３７に送給される。

また、ナノチューブ分離装置３３においてナノチューブと分離された溶液３は、混合液リターンポンプ３６により再び原料混合タンク４に戻され、再利用される。

ナノチューブ処理タンク３７では、ナノチューブの溶液の中和液３８とナノチューブ洗浄液３９が交互に供給され、中和と洗浄とが繰返される。

ナノチューブ２が所定の清浄な状態になると、切断ナノチューブ送給パイプ４０にて真空処理タンク４１に送給される。送給されたナノチューブ２は、真空処理タンク４１に設けられた真空ブロア４３によって形成された真空空間において、ナノチューブ２の表面や内部に侵入しているイオンなどを強制的に除去される。

所定の清浄状態が確保されたナノチューブ２は、ナノチューブ取出し管４４を介してナノチューブ貯留タンク４５に貯留される。

ナノチューブ貯留タンク４５に貯留された処理済みナノチューブ２ａは、ポンプ４７にて熱処理炉４９に送給される。熱処理炉４９では、破断若しくは開口処理されたナノチューブの破断若しくは開口部が再び六員環格子状態にて閉塞されないようにするために、ヒータ５０によって８００℃程度の高温酸素雰囲気中で一定時間の熱処理が行われ、ナノチューブ２ａの切断部１０１若しくは微細な孔１０２の開口部の再閉塞が防止される。

熱処理された熱処理済みナノチューブ２ｃは、タンク５４に貯留され、冷却された後に、他の目的に使用される。

［第３実施形態］
以上の実施形態では、無機材料ナノ構造体として、カーボンナノチューブ２を適用したが、本実施形態では、種々の無機材料ナノ構造体を適用することができる。

例えば、無機材料ナノ構造体として、規則的な員環配列構造を有し、かつ三次元における少なくとも１方向の寸法がナノメートルの領域にあるシリコン等の導体または半導体を適用することができる。

また、無機材料ナノ構造体として、炭素の六員環配列構造を有し、かつ三次元における少なくとも１方向の寸法がナノメートルの領域にあるカーボンナノチューブを適用することも可能である。

さらに、カーボンナノチューブ、あるいはそれ以外の員環配列構造を持つチューブで、その内側に金属などの無機材料の原子または分子を内包する無機材料ナノ構造体を適用することも可能である。

［他の実施形態］
本実施形態では、第２実施形態において熱処理された熱処理済みナノチューブ２ｃに関し、冷却後の利用形態について説明する。

まず、熱処理済みナノチューブ２ｃは、例えばリチュウムイオン電池の電極材料として使用することができる。この場合には、破断されたナノチューブ２ｃの開口部からリチュウムイオンの吸蔵させることにより電荷を蓄えさせ、これと反対に電荷を放出させる作用を行わせて放電させることにより、充放電を繰り返し行う蓄電池として使用することができる。

このように、リチュウムイオンをナノチューブ２ｃ内に可逆的に内包させることにより、多量のリチウムイオンの貯蔵と放出が可能となり、小型で大容量の蓄電池の製造および提供が可能となる。

また、熱処理済みナノチューブ２ｃは、例えば化学薬品の触媒としても使用することができる。予め溶液から抽出すべき物質の分子または原子を、内包可能な大きさのナノチューブとして作成しておき、前記加工方法によって熱処理済みナノチューブ２ｃを抽出対象の溶液に投与し、熱処理済みナノチューブ２ｃの破断若しくは開口された箇所から抽出すべき物質をチューブ内に内包させ、内包させたチューブを溶液から分離し、分離したチューブ内から抽出する物質を溶媒などを用いて抽出することにより、原子または分子レベルで均一に揃った物質を簡単に抽出することが可能となる。

さらに、熱処理済みナノチューブ２ｃは、例えばバイオ分野において、特定細胞を抽出する抽出手段として使用することができる。予め種々の培養液から抽出すべき細胞の分子を内包可能な大きさのナノチューブとして作成しておき、前記加工方法にて熱処理済みナノチューブ２ｃを抽出対象の培養液に投与し、熱処理済みナノチューブ２ｃの破断若しくは開口された箇所から抽出すべき特定細胞をチューブに内包させ、内包させたチューブを溶液から分離し、分離したチューブ内から抽出する特定細胞を、溶媒などを用いて抽出することにより、分子レベルで均一に揃った特定細胞を簡単に抽出することが可能となる。

以上の実施形態によれば、工業上における実際的利用性を大幅に向上することができる。

本発明に係る無機材料ナノ構造体加工装置の第１実施形態を示す構成図。上記第１実施形態のキャビテーション作用を示す作用説明図。上記第１実施形態によるカーボンナノチューブの加工状態を示す作用説明図。本発明に係る無機材料ナノ構造体加工装置の第１実施形態を示す構成図。

符号の説明

１無機材料ナノ構造体加工装置
２カーボンナノチューブ
３溶液
４原料混合タンク
５攪拌装置
６混合液
７混合液供給配管
８混合液供給用ポンプ
９流量調節弁
１０処理容器
１１振動体
１２反射体
１３混合液導入口（ノズル）
１４液排出口
１５液排出管
１６流量調整弁
１７収集タンク
１８振動軸
１９高周波振動発生装置
２０高周波コイル
２１振動子
２２アーム
２３静止部
２４高周波電源装置
２５電源ケーブル
３１送給管
３２送給ポンプ
３３ナノチューブ分離装置
３４混合液リターン配管
３５ナノチューブ送給パイプ
３６混合液リターンポンプ
３７ナノチューブ処理タンク
３８中和液
３９ナノチューブ洗浄液
４０切断ナノチューブ送給パイプ
４１真空処理タンク
４３真空ブロア
４４ナノチューブ取出し管
４５ナノチューブ貯留タンク
４６送給配管
４７送給ポンプ
４８流量調節弁
４９熱処理炉
５０ヒータ
５１加熱用配線
５２ナノチューブ排出管
５３排出用弁
５４タンク
１００キャビテーション泡
１０２孔
１０１破断部

Claims

側壁部ならびに底壁部を有する容器の前記底壁部の中心位置に前記底壁部に対向して水平に振動体が配置され、前記振動体に対向する前記底壁部内面側に反射体が設けられており、前記容器の前記底壁部中心位置に前記底壁部および前記反射体を貫通する導入口から、員環配列構造を有する無機材料ナノ構造体が分散した混合液を、前記振動体と前記反射体間の狭隘な空間内に収容または流動させ、前記振動体を高周波振動させて前記狭隘な空間内に発生するキャビテーション泡が崩壊するときの衝撃波により、前記無機材料ナノ構造体に微細な孔を開口させ、または前記無機材料ナノ構造体を破断させる処理を施すことを特徴とする無機材料ナノ構造体の加工方法。
前記空間の狭隘な対向面の間隔を、１０ｍｍ以下とする請求項１記載の無機材料ナノ構造体の加工方法。
前記キャビテーション泡を発生させる振動周波数を、５００Ｈｚ以上の高周波領域とする請求項１記載の無機材料ナノ構造体の加工方法。
前記無機材料ナノ構造体として、規則的な員環配列構造を有し、かつ三次元における少なくとも１方向の寸法がナノメートルの領域にあるシリコン等の導体または半導体を適用する請求項１記載の無機材料ナノ構造体の加工方法。
前記無機材料ナノ構造体として、炭素の六員環配列構造を有し、かつ三次元における少なくとも１方向の寸法がナノメートルの領域にあるカーボンナノチューブを適用する請求項１記載の無機材料ナノ構造体の加工方法。
前記無機材料ナノ構造体に微細な孔を開口させ、または前記無機材料ナノ構造体を破断させた後に、前記無機材料ナノ構造体を前記混合液から分離し、当該分離した無機材料ナノ構造体を加熱処理することにより、前記開口または破断部分の形状を安定化させる安定化処理を施す請求項１記載の無機材料ナノ構造体の加工方法。
前記無機材料ナノ構造体として、員環配列構造を持つチューブで、その内側に金属などの無機材料の原子または分子を内包するものを適用する請求項１記載の無機材料ナノ構造体の加工方法。
側壁部ならびに底壁部を有する縦軸筒状の密閉容器の前記底壁部の中心位置に前記底壁部に対向して水平に振動体が配置され、前記振動体は、前記容器外部に設置されている高周波振動発生装置に接続されており、前記振動体に対向する前記底壁部内面側に反射体が設けられており、前記容器の前記底壁部中心位置に前記底壁部および前記反射体を貫通する導入口が穿設されており、この導入口には混合液供給配管が接続されていて、この混合液供給配管は、員環配列構造を有する無機材料ナノ構造体が分散した混合液が収容されている原料混合タンクに接続されており、前記混合液は前記混合タンクから前記混合液供給配管を介して前記容器の前記底壁部および前記反射体に穿設された前記導入口から上向きに前記容器内に流入し、前記混合液を前記振動体と前記反射体間の狭隘な空間内に収容または流動させ、前記容器の前記側壁には排出口が設けられており、この排出口には排出管を介して収集タンクが配置されており、前記振動体を高周波振動させて前記狭隘な空間内に発生するキャビテーション泡が崩壊するときの衝撃波により、前記狭隘な空間に存在する前記混合液の前記無機材料ナノ構造体に微細な孔を開口させ、または前記無機材料ナノ構造体を破断させる処理を施すことにより、生成された無機材料ナノ構造体を前記排出口から前記排出管を介して前記収集タンクに収集することを特徴とする無機材料ナノ構造体の加工装置。
前記容器内で高周波振動が付与される前記狭隘な空間を形成する一の面と、これに対する他の面との間隔は、１０ｍｍ以下に設定されている請求項８記載の無機材料ナノ構造体の加工装置。
前記キャビテーション泡を発生させる振動周波数は、５００Ｈｚ以上の高周波領域に設定されている請求項８記載の無機材料ナノ構造体の加工装置。
前記高周波振動発生装置は、前記キャビテーション泡を発生させる手段として、超磁歪材料または圧電型セラミックス材料により構成された振動部を有する請求項８記載の無機材料ナノ構造体の加工装置。