JP4803570B2 - Solid nano thin film and method for producing nano thin film - Google Patents
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Description
この出願の発明は、表面が分子膜で覆われた固体状態のナノ薄膜に関するものである。 The invention of this application relates to a solid-state nano thin film whose surface is covered with a molecular film.
さらに詳しくは、この出願の発明は、界面活性剤または界面活性剤に類似した特徴を有する化合物の希釈溶液を細孔に付着させることで得られる液体状態の薄膜から溶媒を蒸発させることで形成される表面が分子膜で覆われた固体状態のナノ薄膜に関するものである。 More specifically, the invention of this application is formed by evaporating a solvent from a thin film in a liquid state obtained by attaching a surfactant or a diluted solution of a compound having characteristics similar to that of a surfactant to pores. The present invention relates to a solid nano-thin film whose surface is covered with a molecular film.
自己支持性の膜は、少なくとも所定の面積において、他の支持体が存在しなくとも膜としての形状を保ちえる膜である。支持体なしに膜としての形状を保つためには、その膜は、固体である必要がある。なぜなら液体は、「一定の形を持たず流動的である」という特徴を有するからである。流動的でなければ、液体と固体の中間層であっても、自己支持性の膜となり得る。例えば、ゲルやガラスは自己支持性の膜になり得るが、液晶ではなり得ない。ストローを石鹸水につけると、その先端に泡膜(Foam Film )が形成される。しかし、これは、流動的であるために、ストローの存在なしに膜の形状を保持することができない。細胞膜やシャボン玉などは、一見、液体の自己支持性の膜のように見える。しかし、純粋な生体脂質から調製されたリポソームでは、膜の崩壊と再生が頻繁に起こっており、シャボン玉では、膜の内側と外側の圧力の僅かな違いが、その丸い形状を支持しているに過ぎない。一方、気液界面の単分子膜を写し取るとLB膜が得られる。密に充填した単分子膜(固体膜)を多孔性の基板に移し取ると、少なくとも多孔性の基板の細孔の面積において、自己支持性のLB膜が得られる。 A self-supporting membrane is a membrane that can maintain its shape as a membrane at least in a predetermined area even if no other support is present. In order to maintain the shape as a membrane without a support, the membrane needs to be solid. This is because the liquid has a characteristic of “fluidity without a fixed shape”. If not fluid, even a liquid and solid intermediate layer can be a self-supporting membrane. For example, gel or glass can be a self-supporting film, but not a liquid crystal. When a straw is put on soapy water, a foam film is formed at the tip of the straw. However, because it is fluid, it cannot retain the shape of the membrane without the presence of a straw. At first glance, cell membranes and soap bubbles appear to be liquid self-supporting membranes. However, in liposomes prepared from pure biological lipids, membrane disruption and regeneration occur frequently, and in soap bubbles, the slight difference in pressure inside and outside the membrane supports its round shape. Only. On the other hand, an LB film is obtained by copying the monomolecular film at the gas-liquid interface. When the densely packed monomolecular film (solid film) is transferred to the porous substrate, a self-supporting LB film is obtained at least in the area of the pores of the porous substrate.
ナノメートル厚みの自己支持性の膜(ナノ薄膜)は、物理的、化学的、あるいは力学的な特性を制御することで、ガスやイオンの分離、特定物質の吸着、触媒やセンサーなど、多様な用途が見込まれている。しかしながら、現在の技術では、薄く、安定で、かつ均一な厚みの自己支持性のナノ薄膜を、大面積に作製することは容易でない。 Nanometer-thick self-supporting membranes (nanothin films) control various physical, chemical, or mechanical properties, such as separation of gases and ions, adsorption of specific substances, catalysts and sensors. Applications are expected. However, with current technology, it is not easy to produce a thin, stable, and uniform self-supporting nanothin film in a large area.
マイクロメートル厚みの固体の薄膜であれば、多孔性の基板に貼り付けることで、その力学的特性が強化された自己支持性の薄膜を製造することができる。しかしながら、ナノ薄膜では、このような貼り付けの操作が容易でない。例えば、Whitesidesらは、アルカンチオールの自己組織化膜の表面にカチオンとアニオンの高分子電解質を吸着させ、二つの高分子電解質をアミド架橋させた後、自己組織化膜を除去することで厚さ5−10nmの自己支持性のナノ薄膜を得ている(非特許文献1)。同様に国武らは、スピンコートにより作製した高分子膜の上に表面ゾルゲル法により有機/無機ナノ複合薄膜を作製し、先の高分子膜を除去することで、10〜20nmの厚みの自己支持性のナノ薄膜を作製している。後者のナノ薄膜では、多孔性の基板表面に移し取ることも可能であるが、大面積の基板に均一に移し取ることは甚だ難しい(非特許文献2)。 If it is a solid thin film having a thickness of micrometer, it is possible to produce a self-supporting thin film with enhanced mechanical properties by sticking it to a porous substrate. However, such a pasting operation is not easy with nano thin films. For example, Whitesides et al. Adsorbed a cation and anion polymer electrolyte on the surface of an alkanethiol self-assembled film, cross-linked two polymer electrolytes with amide, and then removed the self-assembled film. A 5-10 nm self-supporting nano thin film has been obtained (Non-patent Document 1). Similarly, Kunitake et al. Produced an organic / inorganic nanocomposite thin film by a surface sol-gel method on a polymer film produced by spin coating, and removed the previous polymer film, thereby self-supporting a thickness of 10 to 20 nm. Nano-thin films. The latter nano thin film can be transferred to the surface of a porous substrate, but it is extremely difficult to transfer it uniformly to a large area substrate (Non-patent Document 2).
数マイクロメートルから数十ナノメートルの細孔の上に自己支持性のナノ薄膜を作製するためには、このような多孔性の材料を膜形成の基板として用いることが、より簡便で確実である。例えば、高分子電解質の交互吸着法は、サブミクロンレベルの細孔を覆うようにナノ薄膜を作製することが可能であり、既に様々なタイプの自己支持性のナノ薄膜の作製例が報告されている。その多くは、ナノ薄膜を介した分子やイオンの透過に関する研究に用いられており、選択的な透過挙動が観察されることも多い。しかしながら、交互吸着法では、高分子の分子長よりも大きな細孔を覆うことが難しく、膜の厚みが必ずしも一定にならず、ナノ薄膜の製造にも多段階のプロセスが必要という欠点を持つ(非特許文献3
)。
).
自己支持性のナノ薄膜に関しては、様々な技術が報告されている。しかしながら、現時点では、ナノからサブミリメートルの幅広い範囲の面積で、均一な厚みを有するナノ薄膜を、極めて簡単な操作で、確実に作製するための満足できる方法が見当たらない。 Various techniques have been reported for self-supporting nanofilms. However, at present, there is no satisfactory method for reliably producing a nano thin film having a uniform thickness in a wide range from nano to sub-millimeters by an extremely simple operation.
この出願の発明は、以上のような事情に鑑みてなされたものであって、固体状態のナノ薄膜、即ち、自己支持性のナノ薄膜を提供することを課題としている。 The invention of this application has been made in view of the above circumstances, and an object thereof is to provide a solid-state nano thin film, that is, a self-supporting nano thin film.
この出願の発明は、前期の課題を解決するために、発明者が鋭意研究を行った結果として、以下の(1) から(11)の発明を提供する。
(1) 界面活性剤の希薄溶液を細孔に付着させて得られる液体状態の薄膜から溶媒を蒸発させることで形成され、表面が該界面活性剤の分子膜で覆われていることを特徴する固体状態のナノ薄膜。
(2) 界面活性剤に類似した特徴を有する化合物の希薄溶液を細孔に付着させて得られる液体状態の薄膜から溶媒を蒸発させることで形成され、表面が該化合物の分子膜で覆われていることを特徴とする固体状態のナノ薄膜。
(3) 内径が5nm〜500μmである細孔を覆う、もしくはふさぐように形成されている前記発明(1)または(2)に記載のナノ薄膜
(4) 濃度が、1.0×10-5M〜1.0Mである希釈溶液から形成された前記発明(1)か
ら(3)のいずれかに記載のナノ薄膜。
(5) 膜厚が1nm〜1000nmである前記発明(1)から(4)のいずれかに記載のナノ薄膜。
(6) 網目状の構造を有する前記発明(1)から(5)のいずれかに記載のナノ薄膜。
(7) 有機、無機、または金属成分を、単独または複数成分、混合した溶液から形成される前記発明(1)から(6)のいずれかに記載のナノ薄膜。
(8) 有機、無機、あるいは金属成分が、単独または複数成分、コーティングされていることを特徴とする前記発明(1)から(7)のいずれかに記載のナノ薄膜。
(9) 前記発明(7)または(8)に記載のナノ薄膜から有機成分の一部あるいは全部を除去することで得られるナノ薄膜。
(10)細孔を有する基板を用いて作製された前記発明(1)から(9)のいずれかに記載のナノ薄膜。
(11)細孔を有する物質を用いて作製された前記発明(1)から(9)のいずれかに記載のナノ薄膜。
The invention of this application provides the following inventions (1) to (11) as a result of inventor's earnest research to solve the problems of the previous period.
(1) It is formed by evaporating a solvent from a thin film in a liquid state obtained by attaching a dilute solution of a surfactant to pores, and the surface is covered with a molecular film of the surfactant Solid state nano thin film.
(2) It is formed by evaporating the solvent from a thin film in a liquid state obtained by attaching a dilute solution of a compound having characteristics similar to a surfactant to the pores, and the surface is covered with a molecular film of the compound. A solid state nano thin film characterized by comprising:
(3) The nano thin film according to the invention (1) or (2), which is formed so as to cover or close a pore having an inner diameter of 5 nm to 500 μm.
(4) The nano thin film according to any one of the inventions (1) to (3), which is formed from a diluted solution having a concentration of 1.0 × 10 −5 M to 1.0 M.
(5) The nano thin film according to any one of the inventions (1) to (4), wherein the film thickness is 1 nm to 1000 nm.
(6) The nanothin film according to any one of the inventions (1) to (5), which has a network structure.
(7) The nano thin film according to any one of the inventions (1) to (6), which is formed from a solution in which organic, inorganic, or metal components are mixed singly or in combination.
(8) The nano thin film according to any one of the inventions (1) to (7), wherein an organic, inorganic, or metal component is coated alone or in a plurality of components.
(9) A nano thin film obtained by removing a part or all of an organic component from the nano thin film according to the invention (7) or (8).
(10) The nano thin film according to any one of the inventions (1) to (9), which is produced using a substrate having pores.
(11) The nano thin film according to any one of the inventions (1) to (9), which is produced using a substance having pores.
上記第1の表面が界面活性剤の分子膜で覆われていることを特徴する固体状態のナノ薄膜によれば、ナノからサブミリメートルの幅広い範囲の面積で、均一な厚みを有する自己支持性のナノ薄膜を得ることができる。 According to the solid state nano thin film characterized in that the first surface is covered with a molecular film of a surfactant, a self-supporting property having a uniform thickness in a wide area from nano to sub millimeters. Nano thin films can be obtained.
上記第2のナノ薄膜によれば、界面活性剤に類似した特徴を有する様々な化合物から、上記第1のナノ薄膜と同様な自己支持性のナノ薄膜を得ることができる。 According to the second nano thin film, a self-supporting nano thin film similar to the first nano thin film can be obtained from various compounds having characteristics similar to those of the surfactant.
上記第3のナノ薄膜によれば、上記第1または第2のナノ薄膜と同様な効果が得られ、力学的により安定な自己支持性のナノ薄膜を得ることができる。 According to the third nano thin film, the same effect as the first or second nano thin film can be obtained, and a mechanically more stable self-supporting nano thin film can be obtained.
上記第4のナノ薄膜によれは、上記第1から第3のナノ薄膜と同様な効果が得られ、さらに膜厚の均一性が高い自己支持性のナノ薄膜を得ることができる。 According to the fourth nano thin film, the same effects as those of the first to third nano thin films can be obtained, and a self-supporting nano thin film with high film thickness uniformity can be obtained.
上記第5のナノ薄膜によれば、上記第1から第4のナノ薄膜と同様な効果が得られ、さらに安定かつ均一性の高い自己支持性のナノ薄膜を確実に得ることができる。 According to the fifth nano thin film, the same effects as those of the first to fourth nano thin films can be obtained, and a more stable and highly uniform self-supporting nano thin film can be reliably obtained.
上記第6のナノ薄膜によれば、ガスや小分子が容易に透過するような自己支持性のナノ薄膜を得ることができる。 According to the sixth nano thin film, it is possible to obtain a self-supporting nano thin film through which gas and small molecules can easily pass.
上記第7のナノ薄膜によれば、有機、無機、または金属成分を含んだ自己支持性のナノ薄膜を得ることができる。 According to the seventh nanothin film, a self-supporting nanothin film containing an organic, inorganic, or metal component can be obtained.
上記第8のナノ薄膜によれは、有機、無機、または金属成分を表面に有する自己支持性のナノ薄膜を得ることができる。 According to the eighth nanothin film, a self-supporting nanothin film having an organic, inorganic, or metal component on the surface can be obtained.
上記第9のナノ薄膜によれば、上記第7または第8のナノ薄膜から、有機成分の一部あるいは全てが除去されることにより、さらに構造制御されたナノ薄膜を得ることができる。 According to the ninth nanothin film, a structure-controlled nanothin film can be obtained by removing a part or all of the organic component from the seventh or eighth nanothin film.
上記第10のナノ薄膜によれば、細孔を有する基板の表面または内部に自己支持性のナノ薄膜を得ることができる。 According to the tenth nano thin film, a self-supporting nano thin film can be obtained on the surface or inside of the substrate having pores.
上記第11のナノ薄膜によれば、細孔を有する物質の表面または内部に自己支持性のナノ薄膜を得ることができる。 According to the eleventh nano thin film, a self-supporting nano thin film can be obtained on the surface or inside of a substance having pores.
この出願の発明は、上記のとおりの特徴を持つものである。以下にその実施の形態について説明する。 The invention of this application has the characteristics as described above. The embodiment will be described below.
まず、この出願の発明の着眼点について説明すると、その基本は、巨視的なスケールでの泡膜(Foam Film)にある。泡膜の一つの形態であるシャボン玉では、薄い水の膜の表
面に界面活性剤が、その疎水部を外側に向けて配向し、水の表面張力を抑えている。また、界面活性剤は、薄い水の膜中にも含まれており、水中を移動することで、シャボン玉の変形によって生じる新たな気液界面を覆うことができる。しかし、シャボン玉では、水の膜の厚みがナノメートルレベルになると、急速に不安定になり、壊れてしまう。
First, the point of focus of the invention of this application will be described. The basis is a foam film on a macroscopic scale. In a soap bubble, which is one form of a foam film, a surfactant is oriented on the surface of a thin water film with its hydrophobic portion facing outward to suppress the surface tension of water. Further, the surfactant is also contained in a thin water film, and by moving in the water, a new gas-liquid interface generated by deformation of the soap bubbles can be covered. However, soap bubbles quickly become unstable and break when the water film thickness reaches the nanometer level.
そしてまた、基板にあけた数ミリメートルの穴に界面活性剤の水溶液を付着させると、平坦な泡膜を作製することができる。このような泡膜は、数100ナノメートルの厚みまで薄膜化させることができる。可視光の波長より薄い泡膜は、Black Soap Film と呼ばれることも多い(非特許文献4または5)。湿度を厳密に制御した密封容器中で、NaClなどの無機塩を多量に加えて界面活性剤間の反発力を抑えつつ、慎重に作製すると、100ナノメートル以下の厚みの泡膜を作製することも可能である。例えば、Bergerらは、100mMのNaClを含むドデシル硫酸ナトリウム(SDS)の水溶液から得られる泡膜では、膜厚が4nm程度になり、表面の界面活性剤の分子層の間にある水の膜の厚みが2nm程度になることを、エリプソメトリーやラマンスペクトルから確認している(非特許文献6)。
たとえば以上のような、一定の湿度で平衡状態として存在する泡膜には、表面の界面活性剤の分子層の間に一定の厚みの水溶液のコア層が存在する。泡膜は、湿度さえ調節すれば、数センチメートルのフレームの中でも安定に存在できる。しかし、このコア層がなくなると、泡膜が著しく不安定になり、消滅する。このことから明らかなように、泡膜の優れた安定性は、コア層の水の存在による。このコア層は、表面に存在する界面活性剤を水和させ、泡膜に適度の流動性を与える。これまで研究されてきた泡膜は、常に、このコア水を有していた。実際、「界面活性剤の分子層の間に水の層がある膜」を泡膜の定義として用いるのが一般的である。 For example, in the foam film that exists in an equilibrium state at a constant humidity as described above, a core layer of an aqueous solution having a constant thickness exists between the surface active agent molecular layers. The foam film can exist stably in a frame of several centimeters as long as the humidity is adjusted. However, when this core layer disappears, the foam film becomes extremely unstable and disappears. As is apparent from this, the excellent stability of the foam film is due to the presence of water in the core layer. This core layer hydrates the surfactant present on the surface and gives the foam film moderate fluidity. Foam membranes that have been studied so far have always had this core water. In fact, “a film having a water layer between molecular layers of a surfactant” is generally used as the definition of the foam film.
一方、この出願の発明者は、固体状態の自己支持性のナノ薄膜を作製するために、上記のような液体状態の泡膜を多種多様に作製し、十分に溶媒を蒸発させても膜としての形態を保持する条件について、鋭意検討を行い、その結果として前記のとおりのこの出願の発明「固体状ナノ薄膜」を完成した。 On the other hand, in order to produce a solid-state self-supporting nano-thin film, the inventors of this application produced a variety of liquid-state foam films as described above, and even if the solvent was sufficiently evaporated, As a result, the invention “solid nano thin film” of this application as described above was completed.
この出願の発明における固体状ナノ薄膜は、界面活性剤の希薄溶液を細孔に付着させて得られる液体状態の薄膜から溶媒を蒸発させることで形成され、表面が該界面活性剤の分子膜で覆われていることを特徴する固体状態のナノ薄膜を指している。通常の泡膜がコア水を有しており、この部分が流動的な液体としての性質を示すのに対し、この出願の発明の固体状ナノ薄膜では、液体としてのコア水を有していない。即ち、流動的な性質を有しない固体状態の泡膜と定義することもできる。 The solid nano thin film in the invention of this application is formed by evaporating the solvent from a liquid thin film obtained by attaching a dilute solution of a surfactant to the pores, and the surface is a molecular film of the surfactant. It refers to a solid-state nano thin film characterized by being covered. A normal foam film has core water, and this part exhibits the property of a fluid liquid, whereas the solid nano-thin film of the invention of this application does not have core water as a liquid. . That is, it can be defined as a solid state foam film having no fluid property.
上記定義における固体状ナノ薄膜には、表面に界面活性剤の分子膜が存在する。純粋な界面活性剤の溶液から形成された固体状ナノ薄膜では、その一つの形態として、表面の分子膜自体が固体状ナノ薄膜であることもあり得る。この出願の発明では、このような場合にも、表面が界面活性剤分子で覆われている膜と見なしている。一方、この出願の発明における固体状ナノ薄膜では、表面の分子膜の間に、有機、無機、または金属成分が存在する場合もある。従って、この出願の発明における固体状ナノ薄膜は、より一般的には、表面の分子膜を一つの構成要素とし、概分子膜の間の有機、無機、または金属成分の層を一つの構成要素として有する固体状ナノ薄膜であると定義できる。但し、後者の構成要素は、存在しない場合もあり得る。 In the solid nanothin film in the above definition, a surfactant molecular film is present on the surface. In a solid nano thin film formed from a pure surfactant solution, as one form thereof, the surface molecular film itself may be a solid nano thin film. In the invention of this application, even in such a case, the surface is regarded as a film covered with surfactant molecules. On the other hand, in the solid nano thin film in the invention of this application, an organic, inorganic, or metal component may exist between the molecular films on the surface. Therefore, the solid-state nano thin film in the invention of this application is more generally composed of a molecular film on the surface as one component, and an organic, inorganic, or metal component layer between the almost molecular films as one component. It can be defined as a solid nano-thin film. However, the latter component may not exist.
このような固体状ナノ薄膜は、従来、安定に存在できるとは考えられていなかった。事実、液体の泡膜が数平方センチメートルあるいは1平方メートルに近い面積まで作製できるのに対し、固体状ナノ薄膜では、このような大面積の膜を作製することができない。また、通常の泡膜が数100マイクロメートルの厚みの液体を引き伸ばして、あるいは薄膜化させて作製されるのに対し、固体状ナノ薄膜では、より薄い液体膜から作製する。面積や厚みの相違から、固体状ナノ薄膜の形成に最適な界面活性剤の濃度は、通常の泡膜の濃度とは異なっている。 Such a solid nano-thin film has not been thought to exist stably in the past. In fact, while a liquid foam film can be produced up to an area close to several square centimeters or 1 square meter, such a large-area film cannot be produced with a solid nano thin film. In addition, a normal foam film is produced by stretching or thinning a liquid having a thickness of several hundreds of micrometers, whereas a solid nano thin film is produced from a thinner liquid film. Due to the difference in area and thickness, the optimum concentration of the surfactant for forming the solid nano thin film is different from the concentration of the normal foam film.
さらに、液体状態の泡膜が一様な厚みの水溶液のコア層と界面活性剤の分子膜からなる平滑な形態を有するのに対し、固体状ナノ薄膜では、多孔性の膜や繊維状の膜ともなり得る。これは、前者が液体膜であり、表面積を最小にするような形態に限定されるが、後者は固体膜であり、様々な形態でも安定に存在できることを意味している。さらにまた、通常の泡膜が水という表面張力の極めて大きな溶媒を用いて作製されるのに対し、固体状ナノ薄膜では、エタノールなどの有機溶媒からも作製することが可能になる。その上、固体状ナノ薄膜は、界面活性剤に類似した特徴を有する化合物からも形成することができる。
即ち、気液界面に集まり、液体の界面張力を下げるような傾向がある化合物を用いて固体状ナノ薄膜を作製することが可能である。
Further, while the foam film in the liquid state has a smooth form consisting of a core layer of an aqueous solution having a uniform thickness and a molecular film of a surfactant, the solid nano-thin film is a porous film or a fibrous film. Can be a friend. This means that the former is a liquid film and is limited to a form that minimizes the surface area, while the latter is a solid film and can stably exist in various forms. Furthermore, while a normal foam film is produced using a solvent having a very large surface tension such as water, a solid nano-thin film can be produced from an organic solvent such as ethanol. In addition, solid nanofilms can be formed from compounds having characteristics similar to surfactants.
That is, it is possible to produce a solid nano thin film using a compound that gathers at the gas-liquid interface and tends to lower the interfacial tension of the liquid.
さらに固体状ナノ薄膜は、コア層の水を有しない固体膜であるため、超高真空下でも安定に存在できる。このため、その表面に他の物質を蒸着などの方法によりコーティングすることが可能となる。また、異なる物質を固体状ナノ薄膜中に固定化することも可能であり、場合によっては、焼成などの方法で有機成分を除去しても膜としての形態を維持する。また、固体状ナノ薄膜は自己支持性の膜であり、独立して存在することも可能であり、様々な細孔を有する基板あるいは物質の表面または内部に作製することも可能である。 Furthermore, since the solid nano thin film is a solid film having no core layer water, it can exist stably even under an ultrahigh vacuum. For this reason, it becomes possible to coat other materials on the surface by a method such as vapor deposition. Moreover, it is possible to fix different substances in the solid nano thin film, and in some cases, even if the organic component is removed by a method such as baking, the form as a film is maintained. In addition, the solid nano thin film is a self-supporting film, and can exist independently, and can be formed on the surface or inside of a substrate or substance having various pores.
このように、固体状ナノ薄膜は、泡膜の作製に類似した方法により形成されるが、一般の泡膜とは全く異なる特性を有する固体の膜である。また、このような固体状ナノ薄膜の概念は、発明者によってはじめて提供されるものであり、液体状態の泡膜では不可能な多くの技術的な問題を解決することができる。 Thus, the solid nano thin film is formed by a method similar to the production of a foam film, but is a solid film having completely different characteristics from a general foam film. In addition, the concept of such a solid nano thin film is provided for the first time by the inventor, and can solve many technical problems that are impossible with a liquid foam film.
以下に、この出願の発明の固体状ナノ薄膜の製造方法とその特性について、さらに詳しく述べる。 Below, the manufacturing method and the characteristic of the solid nano thin film of the invention of this application will be described in more detail.
この出願の発明の方法では、界面活性剤または界面活性剤に類似した特徴を有する化合物を用いる。上記の界面活性剤としては、一般に用いられる界面活性剤を幅広く用いることが可能である。界面活性剤の多くは、分子内に疎水性の基と親水性の基を有する。特に限定される訳ではないが、アルキル鎖を有する界面活性剤が好適に用いられる。また、不飽和結合を有するもの、ベンゼン環や複素環を有するもの、分岐あるいは置換基等を有するものなど、様々な疎水性の基を有する界面活性剤を用いることができる。さらに、疎水性の基は、一本である必要はなく、二本鎖型の界面活性剤、三本鎖型の界面活性剤、ジェミニ型の界面活性剤など多様な分子構造を有する界面活性剤を利用できる。 In the method of the invention of this application, a surfactant or a compound having characteristics similar to the surfactant is used. A wide variety of commonly used surfactants can be used as the surfactant. Many surfactants have a hydrophobic group and a hydrophilic group in the molecule. Although not particularly limited, a surfactant having an alkyl chain is preferably used. In addition, surfactants having various hydrophobic groups such as those having an unsaturated bond, those having a benzene ring or a heterocyclic ring, those having a branch or a substituent, and the like can be used. Furthermore, the hydrophobic group does not need to be a single one, and has a variety of molecular structures such as a double-stranded surfactant, a triple-stranded surfactant, and a gemini-type surfactant. Can be used.
一方、親水性の基としては、一般に界面活性剤として使用できる化合物の親水部であれば、特に制限がない。具体的な例を列挙すれば、トリメチルアンモニウム基などの4級アミンを有するもの、ジメチルアミノ基などの3級アミンを有するもの、メチルアミノ基などの2級アミンを有するもの、アミノ基を有するもの、これらのアミノ基が酸などでプロトン化されているもの、ピリジニウム基を有するものなどが用いられる。親水性の基は、リン酸やスルフォン酸、フェノール、カルボン酸などの官能基、あるいはこれらの塩でもよい。さらに、ポリエチレングリコールなどのポリエーテルを有するもの、糖などの複数の水酸基を有する構造を持つものでもよい。ジエタノールアミドなどのアミド基やエステル基を含むもの、アミノ酸やベタイン、アミンオキシドなどの基を有するものでもよい。さらに、これらの親水性の基を組み合わせて有する界面活性剤も利用できる。このような例としては、特に制限される訳ではないが、アルファスルホ脂肪酸エステルナトリウム、ホスホコリンの誘導体などが挙げられる。また、ステロイドサポニンなど、天然の界面活性剤も利用できる。この出願の発明の界面活性剤は、溶媒に溶ける必要がある。また、その界面活性剤は、溶液中に存在するだけでなく、気液界面にも存在して溶液の表面張力を下げなければならない。一方、代表的な溶媒としては水が用いられるが、アルコールやアセトン、アセトニトリルなどの有機溶媒であってもよく、有機溶媒と水との混合溶液であってもよい。具体的には、ヘキサデシルトリメチルアンモニウムブロミドのエタノール溶液は、この出願の発明の固体状ナノ薄膜の作製に好適に利用できる。即ち、この出願の発明の界面活性剤は、溶媒の表面張力を下げるように気液界面に分子膜を形成する特性が重要であり、その溶媒には特に制限がない。 On the other hand, the hydrophilic group is not particularly limited as long as it is a hydrophilic part of a compound that can be generally used as a surfactant. Specific examples include those having a quaternary amine such as trimethylammonium group, those having a tertiary amine such as dimethylamino group, those having a secondary amine such as methylamino group, those having an amino group Those having these amino groups protonated with an acid or the like and those having a pyridinium group are used. The hydrophilic group may be a functional group such as phosphoric acid, sulfonic acid, phenol, carboxylic acid, or a salt thereof. Further, those having a polyether such as polyethylene glycol and those having a structure having a plurality of hydroxyl groups such as sugar may be used. Those having an amide group or ester group such as diethanolamide and those having an amino acid, betaine, amine oxide or the like may be used. Furthermore, a surfactant having a combination of these hydrophilic groups can also be used. Examples of such include, but are not particularly limited to, sodium alphasulfo fatty acid ester, phosphocholine derivatives, and the like. Natural surfactants such as steroid saponins can also be used. The surfactant of the invention of this application must be soluble in a solvent. The surfactant must be present not only in the solution but also at the gas-liquid interface to lower the surface tension of the solution. On the other hand, water is used as a typical solvent, but it may be an organic solvent such as alcohol, acetone or acetonitrile, or a mixed solution of an organic solvent and water. Specifically, an ethanol solution of hexadecyltrimethylammonium bromide can be suitably used for the production of the solid nanofilm of the invention of this application. That is, the surfactant of the invention of this application has an important property of forming a molecular film at the gas-liquid interface so as to lower the surface tension of the solvent, and the solvent is not particularly limited.
前記の気液界面に分子膜を形成するという界面活性剤の特性は、この出願の発明の本質的な部分であり、このような特徴を有する分子であれば、固体状ナノ薄膜の作製に特に制
限なく用いることができる。即ち、界面活性剤に類似した特徴をもつポリマー、有機化合物、生体分子など、溶液に溶解し、気液界面に分子膜を形成する傾向がある化合物であれば、この出願の発明に用いることができる。このような分子としては、アルキル鎖を有する金属アルコキシドなどの有機金属化合物も含まれる。具体的には、オクタデシルトリメトキシシランやオクタデシルジメチル(3−トリメトキシシリルプロピル)アンモニウムクロリドなどが挙げられる。一方、この出願の発明に用いられる界面活性剤または界面活性剤に類似した特徴を有する化合物は、溶媒が蒸発する過程で固体の膜を形成する必要がある。従って、通常、融点が室温以下のものは、用いることができない。
The property of the surfactant that forms a molecular film at the gas-liquid interface is an essential part of the invention of this application. If the molecule has such characteristics, it is particularly useful for the production of solid nano thin films. Can be used without limitation. In other words, polymers, organic compounds, biomolecules, and the like having characteristics similar to those of surfactants can be used in the invention of this application as long as they have a tendency to dissolve in solution and form a molecular film at the gas-liquid interface. it can. Such molecules also include organometallic compounds such as metal alkoxides having an alkyl chain. Specific examples include octadecyltrimethoxysilane and octadecyldimethyl (3-trimethoxysilylpropyl) ammonium chloride. On the other hand, the surfactant used in the invention of this application or a compound having characteristics similar to the surfactant needs to form a solid film in the process of evaporation of the solvent. Accordingly, those having a melting point of not more than room temperature cannot usually be used.
この出願の発明の固体状ナノ薄膜の作製では、界面活性剤または界面活性剤に類似した特徴を有する化合物を組み合わせて用いることも可能である。 In the production of the solid nanofilm of the invention of this application, a surfactant or a compound having characteristics similar to the surfactant can be used in combination.
この出願の発明の固体状ナノ薄膜は、界面活性剤または界面活性剤に類似した特徴を有する化合物の溶液を細孔に付着させ、溶媒を乾燥させることで形成される。かかる細孔のサイズは、内径が5nmから500μmの範囲にあることが好適であり、25nmから100μmの範囲にあることがより好適であり、100nmから25μmの範囲にあることがさらに好適である。この出願の発明の固体状ナノ薄膜は、一般の泡膜とは異なり、500μm以下の著しく小さな細孔にのみ作製することができる。概細孔の表面は、特に制限させる訳ではないが、適度に親水性であることが好ましい。例えば、合成高分子や天然高分子、金属あるいは金属酸化物からなる細孔などが好適に用いられる。概細孔の形状には特に制限がない。また概細孔は、平たい基板に空いた穴であっても、物質の表面の窪みであっても、細孔を有する物質の表面や内部の細孔であっても、チューブ状の物質の細孔であっても、片側が閉じたチューブ状の物質の細孔であってもよい。 The solid nanofilm of the invention of this application is formed by attaching a surfactant or a solution of a compound having characteristics similar to a surfactant to the pores and drying the solvent. The pores preferably have an inner diameter in the range of 5 nm to 500 μm, more preferably in the range of 25 nm to 100 μm, and even more preferably in the range of 100 nm to 25 μm. The solid nano-thin film of the invention of this application can be produced only in extremely small pores of 500 μm or less, unlike ordinary foam films. The surface of the approximate pore is not particularly limited, but is preferably moderately hydrophilic. For example, pores made of synthetic polymers, natural polymers, metals or metal oxides are preferably used. There is no particular limitation on the shape of the approximate pores. In addition, even though the pores are holes in a flat substrate, depressions on the surface of the substance, pores on the surface of the substance having pores, or pores on the inside, fine pores of the tube-like substance are used. Even if it is a hole, the hole of the tube-shaped substance with which the one side was closed may be sufficient.
この出願の発明の固体状ナノ薄膜は、一般に界面活性剤または界面活性剤に類似した特徴を有する化合物の希薄溶液を用いて作製される。これは、一定厚みのナノ薄膜を形成するために、溶媒の蒸発過程で、溶媒中に存在する界面活性剤または界面活性剤に類似した特徴を有する化合物が移動する必要があるからである。センチメートル領域での泡膜が濃厚溶液から作製できないことと同様に、ナノからマイクロメートル領域の固体状ナノ薄膜も濃厚溶液からは作製できない。前記希薄溶液の濃度としては、付着させる細孔のサイズにも依存するが、1.0×10-5Mから1.0Mの範囲が好適であり、1.0×10-4Mから1.0×10-1Mの範囲がより好適であり、1.0×10-3Mから1.0×10-2Mの範囲がさらに好適である。この好適な濃度範囲は、別の見方をすると、界面活性剤の臨界ミセル濃度(CMC)の近傍と言える。このCMCの値は、界面活性剤の分子構造によって大きく異なる。例えば、二本鎖型の界面活性剤では、一本鎖型の界面活性剤に比べてCMCが3桁程度低い。このため、二本鎖型の界面活性剤では、比較的低濃度でも固体状ナノ薄膜の形成が可能になる。また、水溶液から固体状ナノ薄膜を作製する場合と比べて、水以外の溶媒を用いる場合は、一桁程度高い濃度の溶液が必要となる。 The solid nanofilm of the invention of this application is generally made using a surfactant or a dilute solution of a compound having characteristics similar to a surfactant. This is because, in order to form a nano thin film having a constant thickness, it is necessary to move a surfactant present in the solvent or a compound having characteristics similar to the surfactant during the evaporation of the solvent. Just as a foam film in the centimeter region cannot be made from a concentrated solution, a solid nanofilm in the nano to micrometer region cannot be made from a concentrated solution. The concentration of the dilute solution depends on the size of the pores to be attached, but is preferably in the range of 1.0 × 10 −5 M to 1.0 M, 1.0 × 10 −4 M to 1.M. A range of 0 × 10 −1 M is more preferable, and a range of 1.0 × 10 −3 M to 1.0 × 10 −2 M is more preferable. From another viewpoint, this preferable concentration range can be said to be close to the critical micelle concentration (CMC) of the surfactant. The CMC value varies greatly depending on the molecular structure of the surfactant. For example, a double-stranded surfactant has a CMC that is about three orders of magnitude lower than a single-stranded surfactant. For this reason, with a double-stranded surfactant, it is possible to form a solid nanofilm even at a relatively low concentration. In addition, when using a solvent other than water as compared with the case of producing a solid nano-thin film from an aqueous solution, a solution having a concentration one digit higher is required.
上記希薄溶液を細孔に付着させる方法としては、スプレー法、塗布法、スピンコーティング法などの様々な方法を用いることが可能であるが、一般には、細孔を有する基板または物質を概希薄溶液中に浸漬する方法が好適に用いられる。ここで界面活性剤もしくは界面活性剤に類似した特徴を有する化合物の溶液は、細孔を覆うように液体状態の薄膜を形成する。ここでの薄膜は、一定の厚みを有する訳はなく、細孔を覆うための必要最小限の水溶液が付着していればよい。しかしながら、この出願の発明の方法では、このような薄膜から溶媒が蒸発する過程で、一様な厚みの液体状態の薄膜が形成されると考えられる。 As a method for attaching the diluted solution to the pores, various methods such as a spray method, a coating method, and a spin coating method can be used. In general, a substrate or substance having pores is generally diluted. A method of immersing in is preferably used. Here, a surfactant or a solution of a compound having characteristics similar to the surfactant forms a thin film in a liquid state so as to cover the pores. The thin film here does not necessarily have a certain thickness, and it is sufficient that the minimum necessary aqueous solution for covering the pores adheres. However, in the method of the invention of this application, it is considered that a thin liquid film having a uniform thickness is formed in the process of evaporation of the solvent from such a thin film.
この出願の発明の固体状ナノ薄膜は、上記方法によって細孔に付着させられた液体状態の薄膜から溶媒を蒸発させることによって形成される。溶媒の蒸発は、一般には、数秒から数十分の間、空気中に放置することで行うことができる。蒸発の速度は、乾燥した空気
を吹き付けること、あるいは室温よりも高い温度で放置することで、速めることができる。必要に応じて、減圧下で乾燥されることも可能である。
The solid nano thin film of the invention of this application is formed by evaporating the solvent from the liquid thin film attached to the pores by the above method. The evaporation of the solvent can generally be performed by leaving it in the air for several seconds to several tens of minutes. The speed of evaporation can be increased by blowing dry air or leaving it at a temperature higher than room temperature. If necessary, it can be dried under reduced pressure.
この出願の発明の固体状ナノ薄膜は、10-5Pa程度の真空条件下でも十分に安定である。このような条件下で固体状ナノ薄膜の中に液体状態の溶媒が存在しないことは、通常の溶媒の蒸気圧からも明らかである。また、この出願の発明の固体状ナノ薄膜に溶媒が存在しないことは、別途、赤外吸収スペクトルからも実証することができる。即ち、この出願の発明の固体状ナノ薄膜は、液体が完全に蒸発することで形成される固体状態のナノ薄膜であると言える。 The solid nano thin film of the invention of this application is sufficiently stable even under vacuum conditions of about 10 −5 Pa. The absence of a liquid solvent in the solid nanofilm under such conditions is apparent from the vapor pressure of ordinary solvents. Further, the absence of a solvent in the solid nanothin film of the invention of this application can be verified separately from an infrared absorption spectrum. That is, it can be said that the solid nano thin film of the invention of this application is a solid nano thin film formed by the complete evaporation of the liquid.
この出願の発明の固体状ナノ薄膜は、表面が界面活性剤または界面活性剤に類似した特徴を有する化合物の分子膜で覆われている。これは、この出願の発明の固体状ナノ薄膜が、該分子膜で覆われた液体状態の薄膜から形成されることに由来している。該固体状ナノ薄膜の厚みは1nm〜1000nmの範囲内にあるのが一般的であり、2nmから200nmの範囲内にあるのがより一般的であり、4nmから40nmの範囲にあるのがさらに一般的である。この出願の発明の固体状ナノ薄膜の厚みは、純粋な界面活性剤の水溶液から形成される場合には、疎水性の基を外側に、親水性の基を内側に向けて配列した二分子膜に相当することが多い。しかしながら、この出願の発明の固体状ナノ薄膜は、界面活性剤に類似した特徴を有する化合物からも作製することができ、この場合は、純粋な界面活性剤の水溶液から得られる固体状ナノ薄膜よりも厚い固体状ナノ薄膜が作製されることが多い。さらに、この出願の発明の固体状ナノ薄膜は、有機、無機、あるいは金属成分を混入した溶液からも作製でき、この場合は、これらの成分が固体状ナノ薄膜中に存在するため、前記二分子膜に相当する厚みよりも遥かに厚い固体状ナノ薄膜が形成される。しかしながら、その厚みは、1000nm以下であることが一般的である。前述の有機、無機、あるいは金属成分としては、特に制限される訳ではないが、色素分子、一般の有機小分子、DNAなどの生体高分子、タンパク質、ウイルス、合成高分子、糖、無機塩、金属錯体、金属クラスター、ポリオキソメタレート、無機ナノ粒子、無機クラスター、ナトリウムシリケート、金属アルコキシド、有機シラン化合物、有機シランアルコキシド、金属ナノ粒子などが挙げられる。また、前記の有機、無機、あるいは金属成分としては、界面活性剤または界面活性剤に類似した特徴を有する化合物をも含む。 In the solid nanofilm of the invention of this application, the surface is covered with a molecular film of a compound having characteristics similar to a surfactant or a surfactant. This is because the solid nano thin film of the invention of this application is formed from a liquid thin film covered with the molecular film. The thickness of the solid nano-thin film is generally in the range of 1 nm to 1000 nm, more generally in the range of 2 nm to 200 nm, and more generally in the range of 4 nm to 40 nm. Is. The thickness of the solid nano thin film of the invention of this application is, when formed from an aqueous solution of a pure surfactant, a bimolecular film in which hydrophobic groups are arranged on the outside and hydrophilic groups are arranged on the inside. Often corresponds to. However, the solid nanofilm of the invention of this application can also be prepared from a compound having characteristics similar to a surfactant, and in this case, than the solid nanofilm obtained from an aqueous solution of a pure surfactant. Also, a thick solid nanofilm is often produced. Furthermore, the solid nanofilm of the invention of this application can also be prepared from a solution mixed with an organic, inorganic, or metal component. In this case, since these components are present in the solid nanofilm, the bimolecular A solid nano-thin film that is much thicker than the thickness corresponding to the film is formed. However, the thickness is generally 1000 nm or less. The organic, inorganic, or metal component described above is not particularly limited, but is a dye molecule, a general organic small molecule, a biopolymer such as DNA, a protein, a virus, a synthetic polymer, a sugar, an inorganic salt, Examples include metal complexes, metal clusters, polyoxometalates, inorganic nanoparticles, inorganic clusters, sodium silicates, metal alkoxides, organic silane compounds, organic silane alkoxides, and metal nanoparticles. In addition, the organic, inorganic, or metal component includes a surfactant or a compound having characteristics similar to those of the surfactant.
さらに、この出願の発明の固体状ナノ薄膜は、必ずしも均質な薄膜である必要がなく、ナノ細孔を有する固体状ナノ薄膜や網目状の構造を有する固体状ナノ薄膜をも含む。この出願の発明の固体状ナノ薄膜は、固体であり、自己支持性であるため、このような特殊な構造のナノ薄膜を形成することができる。 Furthermore, the solid nanothin film of the invention of this application is not necessarily a homogeneous thin film, and includes a solid nanothin film having nanopores and a solid nanothin film having a network structure. Since the solid nano thin film of the invention of this application is solid and self-supporting, a nano thin film having such a special structure can be formed.
この出願の発明の固体状ナノ薄膜は、自己支持性のナノ薄膜であり、その表面に有機、無機、あるいは金属成分をコーティングすることができる。概コーティングの手法としては、スプレーコーティングやスピンコーティングなどの既存の手法が特に制限なく用いられる。さらに、この出願の発明の固体状ナノ薄膜は、真空条件下でも安定に存在することができ、スパッタ法やCVD法、真空蒸着などの手法により、コーティングすることもできる。 The solid nano thin film of the invention of this application is a self-supporting nano thin film, and the surface thereof can be coated with an organic, inorganic, or metal component. As the general coating method, an existing method such as spray coating or spin coating is used without any particular limitation. Furthermore, the solid nano thin film of the invention of this application can exist stably even under vacuum conditions, and can be coated by a technique such as sputtering, CVD, or vacuum deposition.
この出願の発明の固体状ナノ薄膜は、複数の有機、無機、あるいは金属成分を混入することができ、複数の有機、無機、あるいは金属成分をコーティングすることもできる。 The solid nanofilm of the invention of this application can be mixed with a plurality of organic, inorganic, or metal components, and can be coated with a plurality of organic, inorganic, or metal components.
このような有機、無機、あるいは金属成分を混入あるいはコーティングした固体状ナノ薄膜は、洗浄や焼成、酸素プラズマ処理などの方法により、有機成分の一部あるいは全部を除去することができる。また、この出願の発明の固体状ナノ薄膜は、細孔を有する基板、あるいは細孔を有する物質に容易に作製することができる。 Such a solid nano-thin film mixed or coated with an organic, inorganic, or metal component can be partially or entirely removed by a method such as washing, baking, or oxygen plasma treatment. In addition, the solid nano thin film of the invention of this application can be easily produced on a substrate having pores or a substance having pores.
次に、実施例を示して、この出願の発明の特徴をさらに具体的に説明する。なお、以下の実施例に示す材料、使用量、割合、処理内容、処理手順等は、適宜変更することができる。従って、この出願の発明は、以下の実施例によって限定されるものではない。
<実施例1>
実施例1として、カチオン性ならびにアニオン性界面活性剤を用いて固体状ナノ薄膜の作製を行った。
Next, the features of the invention of this application will be described more specifically with reference to examples. In addition, the material, usage-amount, ratio, processing content, processing procedure, etc. which are shown in the following Examples can be changed suitably. Therefore, the invention of this application is not limited by the following examples.
<Example 1>
As Example 1, a solid nanofilm was prepared using a cationic and anionic surfactant.
固体状ナノ薄膜の形成は、細孔を有する基板を界面活性剤の水溶液に浸して垂直に引き上げ、空気中で30分間乾燥させることで行った。乾燥の過程で、溶媒である水が蒸発し、ナノ薄膜が自発的に形成される。即ち、液体状態の泡膜は、放置すること、あるいは減圧下で乾燥させることで、固体状ナノ薄膜となる。実施例1では、基板として電子顕微鏡用の銅メッシュ(応研商事150−Bタイプ、1インチに150のメッシュを有する)を用いた。この銅メッシュは、1マイクロメートル程度の細孔をもつフォルムバール支持膜を有する(図1)。実施例1での固体状ナノ薄膜の形成は、透過型電子顕微鏡観察により確認した。 The solid nano thin film was formed by immersing a substrate having pores in an aqueous solution of a surfactant and pulling it up vertically, followed by drying in air for 30 minutes. During the drying process, water as a solvent evaporates and a nano thin film is spontaneously formed. That is, the foam film in a liquid state is allowed to stand or is dried under reduced pressure to form a solid nano thin film. In Example 1, a copper mesh for electron microscope (Oken Shoji 150-B type, having 150 mesh per inch) was used as the substrate. This copper mesh has a form bar support membrane having pores of about 1 micrometer (FIG. 1). Formation of the solid nano thin film in Example 1 was confirmed by observation with a transmission electron microscope.
実施例1では、カチオン性界面活性剤として、ドデシルトリメチルアンモニウムブロミド(DTAB)、テトラデシルトリメチルアンモニウムブロミド(TTAB)、ヘキサデシルトリメチルアンモニウムブロミド(CTAB)を用い、溶媒として水を用いた。それぞれの水溶液の濃度は、8.2mMである。図2の(A)には、DTABの固体状ナノ薄膜の電子顕微鏡写真を示す。固体状ナノ薄膜の形成は、非常に薄くかつ均一な薄膜でフォルムバール支持膜の細孔が覆われていることから確認できる。 In Example 1, dodecyltrimethylammonium bromide (DTAB), tetradecyltrimethylammonium bromide (TTAB), and hexadecyltrimethylammonium bromide (CTAB) were used as the cationic surfactant, and water was used as the solvent. The concentration of each aqueous solution is 8.2 mM. FIG. 2A shows an electron micrograph of a solid nanofilm of DTAB. The formation of the solid nano thin film can be confirmed from the fact that the pores of the form bar support film are covered with a very thin and uniform thin film.
このフィルムは非常に薄いため、高分解能の電子顕微鏡観察では、電子ビームによって破れたり、縮まったりする。この問題を解決するために、固体状ナノ薄膜の表面に白金の薄膜をコーティングさせた。白金コーティングは、10Paでのアルゴンプラズマによるスパッタ法により行い、10mAで0.67Å/sのスピードで行った。図2の(B)と(C)には、30秒の白金コーティングにより電子ビームに対して強化された固体状ナノ薄膜の電子顕微鏡写真を示す。この結果は、この実施例の固体状ナノ薄膜が、電子顕微鏡の観察条件である1×10-5Paの減圧下でも安定に存在し、さらに固体状ナノ薄膜の上にはスパッタ法により金属のナノ薄膜を作製できることを示している。 Since this film is very thin, it is broken or shrunk by an electron beam in high-resolution electron microscope observation. In order to solve this problem, a platinum thin film was coated on the surface of the solid nano thin film. The platinum coating was performed by sputtering with argon plasma at 10 Pa, and performed at 10 mA at a speed of 0.67 s / s. FIGS. 2B and 2C show electron micrographs of a solid nanofilm strengthened against an electron beam by a 30 second platinum coating. This result shows that the solid nano thin film of this example exists stably even under reduced pressure of 1 × 10 −5 Pa, which is an observation condition of an electron microscope, and a metal film is formed on the solid nano thin film by sputtering. It shows that nano thin films can be produced.
参考として、図3には、TTABを用いて固体状ナノ薄膜の作製を試み、電子顕微鏡で観察した結果を示す。DTABと比較してアルキル鎖が長いTTABの場合、均一な薄膜が形成されにくい。また、図4には、CTABを用いて固体状ナノ薄膜を作製し、電子顕微鏡で観察した結果を示す。TTABよりもさらにアルキル鎖が長いCTABでは、一部に固体状ナノ薄膜が形成されているものの、その被覆率は高くない。図4の電子顕微鏡写真には、固体状ナノ薄膜の中に数100nmのサイズの穴が見られる。このような穴は、この実施例の固体状ナノ薄膜が自己支持性のナノ薄膜であり、液体状態の泡膜とは全く異なることを明確に示している。即ち、液体状態の泡膜では、穴が開くと同時に消滅するのが一般的であるが、固体状ナノ薄膜では、穴が形成されても膜としての構造を維持することができる。 For reference, FIG. 3 shows a result of an attempt to produce a solid nano thin film using TTAB and observation with an electron microscope. In the case of TTAB having a long alkyl chain compared to DTAB, it is difficult to form a uniform thin film. Further, FIG. 4 shows the result of producing a solid nano thin film using CTAB and observing it with an electron microscope. In CTAB having a longer alkyl chain than TTAB, a solid nano-thin film is partially formed, but the coverage is not high. In the electron micrograph of FIG. 4, a hole with a size of several hundred nm is seen in the solid nano thin film. Such holes clearly show that the solid nanofilm of this example is a self-supporting nanofilm and is quite different from the liquid foam film. That is, in the bubble film in the liquid state, it is generally disappeared as soon as the hole is opened, but in the solid nano thin film, the structure as a film can be maintained even if the hole is formed.
図5の(A)と(B)には、ドデシル硫酸ナトリウム(SDS)ならびにテトラデシル硫酸ナトリウム(STS)を用いて固体状ナノ薄膜の作成を試み、電子顕微鏡で観察した結果を示す。SDSやSTSでは、その8.2mMの水溶液から固体状ナノ薄膜を作製することは困難であった。 FIGS. 5A and 5B show the results of an attempt to create a solid nanothin film using sodium dodecyl sulfate (SDS) and sodium tetradecyl sulfate (STS) and observation with an electron microscope. In SDS or STS, it was difficult to produce a solid nanofilm from the 8.2 mM aqueous solution.
しかしながら、図3、図4、図5の結果は、これらの界面活性剤から、この出願の発明の方法により、固体状ナノ薄膜が形成できないということを示すものではない。固体状ナノ薄膜の形成は、その作製条件に大きく依存する。例えば、後の実施例で述べるように、
CTABの場合、溶媒を水からエタノールに変えることで、均一な固体状ナノ薄膜の形成が可能となる。
However, the results of FIGS. 3, 4 and 5 do not indicate that a solid nanofilm cannot be formed from these surfactants by the method of the present invention. Formation of a solid nano thin film largely depends on the production conditions. For example, as described in the examples below,
In the case of CTAB, a uniform solid nano thin film can be formed by changing the solvent from water to ethanol.
固体状ナノ薄膜の厚みは、走査型電子顕微鏡による断面観察により見積もられた。基板としてG2000HSタイプ(応研商事、1インチに2000のメッシュを有する)の銅メッシュを用い、DTABの固体状ナノ薄膜の作製を行った。ここで、固体状ナノ薄膜は、銅メッシュのマイクロ孔(1辺が7.5マイクロメートルの正方形)を直接覆うように成形されている。図6には、DTABの固体状ナノ薄膜を切断し、白金コーティングを行った後、断面を走査型電子顕微鏡により観察した結果を示す。観察像の一部は、拡大して示してある。薄膜の断面を注意深く観察することにより、その膜厚が5nm〜6nmであることが分かる。DTABの固体状ナノ薄膜に約2nmの白金コーティングが施されていることを考慮すると、固体状ナノ薄膜の厚みは3nm〜4nmであり、これはDTAB分子の分子長の2倍に相当する。即ち、固体状ナノ薄膜の厚みは、DTAB分子の疎水性の基を外側に、親水性の基を内側に向けて配列した二分子膜の厚みに相当する。このような固体状ナノ薄膜の構造を、図7に模式的に示した。DTABの分子長は、1.6nmであり、この界面活性剤の二分子膜の厚みは、3nm〜4nmと推定できる。 The thickness of the solid nano thin film was estimated by cross-sectional observation with a scanning electron microscope. Using a G2000HS type copper mesh (having 2000 mesh per inch) as a substrate, a DTAB solid nano-thin film was prepared. Here, the solid nano thin film is formed so as to directly cover the micropores of the copper mesh (a square having a side of 7.5 micrometers). FIG. 6 shows the results of observing the cross section with a scanning electron microscope after cutting the solid nanothin film of DTAB and performing platinum coating. A part of the observation image is shown enlarged. By carefully observing the cross section of the thin film, it can be seen that the film thickness is 5 nm to 6 nm. Considering that the solid nanothin film of DTAB has a platinum coating of about 2 nm, the thickness of the solid nanothin film is 3 nm to 4 nm, which corresponds to twice the molecular length of the DTAB molecule. That is, the thickness of the solid nano-thin film corresponds to the thickness of the bilayer film in which the hydrophobic groups of the DTAB molecules are arranged on the outside and the hydrophilic groups are arranged on the inside. The structure of such a solid nano thin film is schematically shown in FIG. The molecular length of DTAB is 1.6 nm, and the thickness of the bilayer film of this surfactant can be estimated to be 3 nm to 4 nm.
走査型電子顕微鏡の観察は、室温かつ約10-5Paの真空条件下で行われており、この条件では、液体状態の水は存在できない。即ち、DTABの固体状ナノ薄膜は、一般の泡膜と同様に、表面が界面活性剤の分子膜で覆われているが、その分子膜の間には液体状態の水が存在しないという構造上の特徴を有する。
<実施例2>
実施例2として、非イオン性界面活性剤を用いて固体状ナノ薄膜の作製を行った。
Observation with a scanning electron microscope is carried out under vacuum conditions at room temperature and about 10 −5 Pa, and under these conditions, liquid water cannot exist. That is, the solid nano-thin film of DTAB is covered with a surfactant molecular film, like a general foam film, but there is no liquid water between the molecular films. It has the characteristics of.
<Example 2>
As Example 2, a solid nanofilm was prepared using a nonionic surfactant.
実施例2では、実施例1の方法と同様にフォルムバール支持膜を有する銅メッシュ上に固体状ナノ薄膜を作製した。界面活性剤としてはアルキル鎖とポリエチレングリコール鎖からなるBrij−35を用いた。その分子構造を、図8に示す。また、界面活性剤の溶液としては、2.5mg/mlの濃度の水溶液を用いた。フォルムバール支持膜を覆うように形成されたBrij−35の固体状ナノ薄膜の透過型電子顕微鏡による観察像を図8に示している。この界面活性剤では、実施例1での固体状ナノ薄膜と異なり、不連続かつ引き裂かれたような薄膜として得られる。このような構造は、固体状ナノ薄膜の形成過程で、界面活性剤の二分子膜が収縮し、数10ナノメートルのサイズで網目状の構造に変化するために形成されるのであろう。網目状の構造においても、固体状ナノ薄膜の表面は、非イオン性界面活性剤の分子膜で覆われているものと考えられる。 In Example 2, similar to the method of Example 1, a solid nanothin film was produced on a copper mesh having a form bar support film. As the surfactant, Brij-35 consisting of an alkyl chain and a polyethylene glycol chain was used. Its molecular structure is shown in FIG. As the surfactant solution, an aqueous solution having a concentration of 2.5 mg / ml was used. The observation image by the transmission electron microscope of the solid-state nano thin film of Brij-35 formed so that a form bar support film may be covered is shown in FIG. Unlike the solid nanothin film in Example 1, this surfactant is obtained as a discontinuous and torn film. Such a structure may be formed because the bilayer film of the surfactant contracts in the formation process of the solid nano thin film and changes to a network structure with a size of several tens of nanometers. Even in the network structure, it is considered that the surface of the solid nano thin film is covered with a molecular film of a nonionic surfactant.
この実施例の結果は、非イオン性界面活性剤を用いて固体状ナノ薄膜を形成することが
できることを示しており、さらに、網目状の構造を有する固体状ナノ薄膜を形成できることも示している。
<実施例3>
実施例3として、二本鎖型の界面活性剤を用いて固体状ナノ薄膜の作製を行った。
The results of this example indicate that a solid nanofilm can be formed using a nonionic surfactant, and further indicate that a solid nanofilm having a network structure can be formed. .
<Example 3>
As Example 3, a solid nanofilm was prepared using a double-stranded surfactant.
実施例3では、実施例1の方法と同様にフォルムバール支持膜を有する銅メッシュ上に固体状ナノ薄膜を作製した。二本鎖型の界面活性剤としては、ジドデシルジメチルアンモニウムブロミド(DDAB)を用いた。また、界面活性剤の溶液としては、4.4mMの濃度の水溶液を用いた。フォルムバール支持膜を覆うように形成されたDDABの固体状ナノ薄膜の透過型電子顕微鏡による観察像を図9の(A)と(B)に示す。これらの観察は、実施例1の方法に従って、白金コーティングを施した後に行われた。DDABの固体状ナノ薄膜は、フォルムバール支持膜の全ての細孔を覆うように形成されており、固体状ナノ薄膜の平滑さは、実施例1のDTABの固体状ナノ薄膜に匹敵する。この著しく均一な固体状ナノ薄膜には、クラックなどの欠陥が全く見られない。図9の(C)には、白金コーティングを行う前のDDABの固体状ナノ薄膜の透過型電子顕微鏡による観察像を示
す。この固体状ナノ薄膜は、少なくとも図9の(C)における倍率では、電子ビームにより破れたり、縮まったりすることがない。電子顕微鏡観察における収束電子ビームによる劣化の具合から、DDABの固体状ナノ薄膜は、DTABの固体状ナノ薄膜よりも安定であることが確認された。DDABの固体状ナノ薄膜は、均質かつ極めて薄いため、その存在を確認することが非常に難しい。このため我々は、少なくとも図9の(C)の矢印の部分において、高倍率での観察を行い、固体状ナノ薄膜の存在を確認した。
In Example 3, a solid nanothin film was produced on a copper mesh having a form bar support film in the same manner as in Example 1. As the double-stranded surfactant, didodecyldimethylammonium bromide (DDAB) was used. Further, an aqueous solution having a concentration of 4.4 mM was used as the surfactant solution. FIGS. 9A and 9B show observation images of a solid nanothin film of DDAB formed so as to cover the formval support film with a transmission electron microscope. These observations were made after applying the platinum coating according to the method of Example 1. The solid nanothin film of DDAB is formed so as to cover all the pores of the formval support film, and the smoothness of the solid nanothin film is comparable to the solid nanothin film of DTAB of Example 1. This remarkably uniform solid nanothin film shows no defects such as cracks. FIG. 9C shows a transmission electron microscope observation image of DDAB solid nanofilm before platinum coating. This solid nano thin film is not torn or shrunk by an electron beam at least at the magnification in FIG. 9C. From the degree of deterioration by the focused electron beam in the electron microscope observation, it was confirmed that the solid nanothin film of DDAB is more stable than the solid nanothin film of DTAB. Since the solid nanothin film of DDAB is homogeneous and extremely thin, it is very difficult to confirm its presence. For this reason, we observed at high magnification at least at the part indicated by the arrow in FIG. 9C, and confirmed the presence of the solid nano-thin film.
この実施例の結果は、二本鎖型の界面活性剤を用いることで、均一かつ電子ビームに対してより安定な固体状ナノ薄膜が形成できることを示している。
<実施例4>
実施例4として、双性イオン型界面活性剤を用いて固体状ナノ薄膜の作製を行った。
The result of this example shows that a solid nano-thin film that is uniform and more stable with respect to an electron beam can be formed by using a double-stranded surfactant.
<Example 4>
As Example 4, a solid nanofilm was prepared using a zwitterionic surfactant.
実施例4では、実施例1の方法と同様にフォルムバール支持膜を有する銅メッシュ上に固体状ナノ薄膜を作製した。双性イオン型界面活性剤としては、ドデシルホスホコリン(D−PC)を用いた。また、界面活性剤の溶液としては、8.2mMの濃度の水溶液を用いた。フォルムバール支持膜を覆うように形成されたD−PCの固体状ナノ薄膜の透過型電子顕微鏡による観察像を図10の(A)と(B)に示す。これらの観察は、実施例1の方法に従って、白金コーティングを施した後に行われた。D−PCの固体状ナノ薄膜は、電子ビームによって損傷を受けやすい。しかしながら、十分に白金コーティングを施すことで、電子ビームによる損傷を抑えることができた。図10の(A)と(B)に示すように、D−PCの固体状ナノ薄膜は、フォルムバール支持膜の細孔を広く覆うように形成されており、その均一性も高い。 In Example 4, a solid nano thin film was produced on a copper mesh having a form bar support film in the same manner as in Example 1. As the zwitterionic surfactant, dodecylphosphocholine (D-PC) was used. As the surfactant solution, an aqueous solution having a concentration of 8.2 mM was used. FIGS. 10A and 10B show observation images of a solid nano-thin film of D-PC formed so as to cover the form bar support film by a transmission electron microscope. These observations were made after applying the platinum coating according to the method of Example 1. The solid nano thin film of D-PC is easily damaged by an electron beam. However, by applying a sufficient platinum coating, damage due to electron beams could be suppressed. As shown in FIGS. 10A and 10B, the solid nano-thin film of D-PC is formed so as to widely cover the pores of the form bar support film, and its uniformity is high.
この実施例の結果は、双性イオン型界面活性剤を用いることで、均一かつクラックや欠陥のない固体状ナノ薄膜が形成できることを示している。
<実施例5>
実施例5として、非水溶媒からの固体状ナノ薄膜の作製を行った。
The result of this Example shows that a solid nano-thin film having no cracks and no defects can be formed by using a zwitterionic surfactant.
<Example 5>
As Example 5, a solid nano thin film was produced from a non-aqueous solvent.
実施例5では、実施例1の方法と同様にフォルムバール支持膜を有する銅メッシュ上に固体状ナノ薄膜を作製した。但し、界面活性剤としては、CTABを用い、その溶媒としては、エタノールを用いた。また、アルキル長鎖を有する有機シラン化合物、オクタデシルトリメトキシシラン(C18−Si)を用いて同様な実験を行った。用いたCTAB溶液は、8.2mMの濃度のエタノール溶液であり、また、C18−Si溶液は、8.2mMの濃度のエタノール溶液である。フォルムバール支持膜を覆うように形成されたCTABの固体状ナノ薄膜の透過型電子顕微鏡による観察像を図11の(A)と(B)に示す。これらの観察は、実施例1の方法に従って、白金コーティングを施した後に行われた。実施例5の方法により作製されたCTABの固体状ナノ薄膜は、均一かつ平滑であり、フォルムバール支持膜の細孔を覆うように形成されている。一方、C18−Siの固体状ナノ薄膜の透過型電子顕微鏡による観察像を図12の(A)と(B)に示す。C18−Siの場合にも、CTABと同様に、均一かつ平滑な固体状ナノ薄膜がフォルムバール支持膜の細孔を覆うように形成されている。また、C18−Siの固体状ナノ薄膜は、収束電子ビームに対して十分に安定であり、白金コーティングを施さなくても、高倍率での電子顕微鏡観察が可能であった。 In Example 5, a solid nano thin film was produced on a copper mesh having a form bar support film in the same manner as in Example 1. However, CTAB was used as the surfactant, and ethanol was used as the solvent. A similar experiment was conducted using an organosilane compound having a long alkyl chain, octadecyltrimethoxysilane (C18-Si). The CTAB solution used was an ethanol solution with a concentration of 8.2 mM, and the C18-Si solution was an ethanol solution with a concentration of 8.2 mM. FIGS. 11A and 11B show images of the CTAB solid nano-thin film formed so as to cover the formval support film, as observed with a transmission electron microscope. These observations were made after applying the platinum coating according to the method of Example 1. The CTAB solid nanothin film produced by the method of Example 5 is uniform and smooth, and is formed so as to cover the pores of the form bar support film. On the other hand, observation images of the C18-Si solid nano thin film with a transmission electron microscope are shown in FIGS. Also in the case of C18-Si, similarly to CTAB, a uniform and smooth solid nano thin film is formed so as to cover the pores of the form bar support membrane. Further, the C18-Si solid nano thin film was sufficiently stable against a focused electron beam, and could be observed with an electron microscope at a high magnification without applying a platinum coating.
実施例5の結果は、この出願の発明の方法により、非水溶媒から固体状ナノ薄膜を形成できることを示しており、さらに水溶性の界面活性剤だけでなく、アルキル鎖を有する有機シラン化合物からも固体状ナノ薄膜が形成できることを示している。
<実施例6>
実施例6として、基板としてG2000HSタイプ(応研商事、1インチに2000のメッシュを有する)の銅メッシュを用い、固体状ナノ薄膜の作製を行った。固体状ナノ薄
膜の作製は、実施例1の方法と同様に行った。ただし、この実施例での固体状ナノ薄膜は、銅メッシュのマイクロ孔(1辺が7.5マイクロメートルの正方形)を直接覆うように成形されている。固体状ナノ薄膜の作成には、CTAB、D−PC、C18−Siを用いた。用いた溶液は、CTABの8.2mMの水溶液、D−PCの8.2mMの水溶液、C18−Siの8.2mMのエタノール溶液である。該マイクロ孔を覆うように形成されたCTABとD−PCの固体状ナノ薄膜の透過型電子顕微鏡による観察像を図13の(A)と(B)に示す。これらの観察は、実施例1の方法に従って、白金コーティングを施した後に行われた。図13に示されるように、CTABとD−PCは、銅メッシュのマイクロ孔を十分に覆うことができる。G2000HSタイプの銅メッシュでは、チャージアップが起こりにくいため、白金コーティングを施さなくても、均一かつ平滑な固体状ナノ薄膜の観察が可能であった。一方、C18−Siの固体状ナノ薄膜もCTABやD−PCと同様、平滑かつ均一なものであった。C18−Siの固体状ナノ薄膜の透過型電子顕微鏡による観察像を図14の(A)に示す。また、その走査型電子顕微鏡による観察像を図14の(B)に示す。
The result of Example 5 shows that the solid nanofilm can be formed from a non-aqueous solvent by the method of the invention of this application, and from not only a water-soluble surfactant but also an organosilane compound having an alkyl chain. Also shows that a solid nanofilm can be formed.
<Example 6>
As Example 6, a G2000HS type copper mesh (having 2000 mesh per inch) as a substrate was used to produce a solid nano thin film. The production of the solid nano thin film was carried out in the same manner as in Example 1. However, the solid nanothin film in this example is formed so as to directly cover the micropores of the copper mesh (a square having one side of 7.5 micrometers). CTAB, D-PC, and C18-Si were used for producing the solid nano thin film. The solutions used were an 8.2 mM aqueous solution of CTAB, an 8.2 mM aqueous solution of D-PC, and an 8.2 mM ethanol solution of C18-Si. FIGS. 13A and 13B show observation images of CTAB and D-PC solid nanofilms formed so as to cover the micropores with a transmission electron microscope. These observations were made after applying the platinum coating according to the method of Example 1. As shown in FIG. 13, CTAB and D-PC can sufficiently cover the micropores of the copper mesh. In the G2000HS type copper mesh, since charge-up hardly occurs, it was possible to observe a uniform and smooth solid nano-thin film without applying a platinum coating. On the other hand, the C18-Si solid nano-thin film was smooth and uniform like CTAB and D-PC. An observation image of the solid nano thin film of C18-Si by a transmission electron microscope is shown in FIG. Moreover, the observation image by the scanning electron microscope is shown in FIG.
実施例6の結果は、この出願の発明の方法により、マイクロメートルの細孔を有する金属の基板を用いて固体状ナノ薄膜が形成できることを示している。
<実施例7>
実施例7として、この出願の発明の固体状ナノ薄膜中に異なる物質を導入できることを示すために、金ナノ粒子やタンパク質を含んだ固体状ナノ薄膜の作製を行った。
The result of Example 6 shows that a solid nanofilm can be formed using a metal substrate having micrometer pores by the method of the invention of this application.
<Example 7>
As Example 7, in order to show that different substances can be introduced into the solid nanofilm of the invention of this application, a solid nanofilm containing gold nanoparticles and proteins was prepared.
実施例7では、8.2mMの濃度のCTAB水溶液を調製し、この水溶液9.5mlに金ナノ粒子の溶液0.5mlを加えた。金ナノ粒子の溶液には、直径2nmの粒子を15×1013個/mlの濃度で含む水溶液、あるいは直径5nmの粒子を5×1013個/mlの濃度で含む水溶液をBB International社から購入し、精製せずに用いた。この実施例7では、実施例1の方法と同様にフォルムバール支持膜を有する銅メッシュ上に固体状ナノ薄膜を作製した。図15の(A)と(B)には、それぞれ直径2nmの金ナノ粒子と直径5nmの金ナノ粒子を含んだCTABの固体状ナノ薄膜の透過型電子顕微鏡による観察像を示す。電子顕微鏡写真の横には、その一部を拡大した写真を示した。図15の(A)と(B)から明らかなように、CTABの固体状ナノ薄膜中には、金ナノ粒子を導入することができる。 In Example 7, a CTAB aqueous solution having a concentration of 8.2 mM was prepared, and 0.5 ml of the gold nanoparticle solution was added to 9.5 ml of the aqueous solution. For the gold nanoparticle solution, purchase an aqueous solution containing 2 nm diameter particles at a concentration of 15 × 10 13 particles / ml or an aqueous solution containing 5 nm diameter particles at a concentration of 5 × 10 13 particles / ml from BB International. And used without purification. In Example 7, a solid nano-thin film was produced on a copper mesh having a form bar support film in the same manner as in Example 1. FIGS. 15A and 15B show observation images of a CTAB solid nanofilm containing a gold nanoparticle having a diameter of 2 nm and a gold nanoparticle having a diameter of 5 nm, respectively, using a transmission electron microscope. Next to the electron micrograph is a magnified photograph. As is clear from FIGS. 15A and 15B, gold nanoparticles can be introduced into the solid nanofilm of CTAB.
同様な方法により、固体状ナノ薄膜中に水溶性タンパク質であるフェリチンを導入した。8.2mMのD−PCの水溶液を調製し、この水溶液に8mlに100mg/mlのフェリチン水溶液を5μl加えた。つぎに、この溶液を用いて、実施例1の方法と同様にフォルムバール支持膜を有する銅メッシュ上に固体状ナノ薄膜を作製した。図15の(C)には、フェリチンを含んだD−PCの固体状ナノ薄膜の透過型電子顕微鏡による観察像を示す。図中の粒状の構造は、フェリチンの内部の水酸化鉄のナノ粒子である。図15の(C)から明らかなように、D−PCの固体状ナノ薄膜中には、タンパク質を導入することができる。 By the same method, ferritin, which is a water-soluble protein, was introduced into the solid nanofilm. An aqueous solution of 8.2 mM D-PC was prepared, and 5 μl of 100 mg / ml ferritin aqueous solution was added to 8 ml of this aqueous solution. Next, using this solution, a solid nano thin film was produced on a copper mesh having a form bar support film in the same manner as in Example 1. FIG. 15C shows an observation image of a solid nanofilm of D-PC containing ferritin by a transmission electron microscope. The granular structure in the figure is iron hydroxide nanoparticles inside ferritin. As is clear from FIG. 15C, protein can be introduced into the solid nanofilm of D-PC.
同様な方法により、低分子あるいは高分子化合物を含んだ固体状ナノ薄膜を作製することも可能であった。実施例7の結果は、この出願の発明の固体状ナノ薄膜が、その内部に異なる物質を導入することで、自己支持性の様々なナノ複合薄膜を形成できることを示している。
<実施例8>
実施例8として、この出願の発明の固体状ナノ薄膜中に異なる物質を導入すると、多様な自己支持性のナノ薄膜を形成できることを示すために、ナトリウムシリケートを導入した固体状ナノ薄膜の作製を行った。
It was also possible to produce a solid nano thin film containing a low molecular weight or high molecular compound by a similar method. The result of Example 7 shows that the solid nanofilm of the invention of this application can form various self-supporting nanocomposite films by introducing different substances therein.
<Example 8>
As Example 8, in order to show that a variety of self-supporting nano thin films can be formed by introducing different substances into the solid nano thin film of the invention of this application, a solid nano thin film into which sodium silicate was introduced was prepared. went.
この実施例8では、8.2mMの濃度のDTAB水溶液を調製し、この水溶液10mlに200mMのナトリウムシリケート(Na2SiO3)水溶液を0.82ml、さらに1mMの水酸化ナトリウム水溶液0.16mlを加えて攪拌させた。この溶液を用いて、実施例1の方法と同様にフォルムバール支持膜を有する銅メッシュ上に固体状ナノ薄膜を作製した。図16の(A)と(B)には、ナトリウムシリケートを含むDTABの固体状ナノ薄膜の透過型電子顕微鏡による観察像を示した。図16から明らかなように、ナトリウムシリケートを含んだDTABの固体状ナノ薄膜は、フォルムバール支持膜の細孔を覆うように形成されている。この固体状ナノ薄膜は、DTAB単独の固体状ナノ薄膜と比較して、やや均一性に欠けている。しかしながら、ナノトリムシリケートが固体状ナノ薄膜中に一様に取り込まれていることは明らかである。発明者らは、ナトリウムシリケートを含んだDTABの固体状ナノ薄膜をシリカ薄膜に変換するために、摂氏400度で30分間焼成した。図16の(C)には、焼成後の固体状ナノ薄膜の透過型電子顕微鏡による観察像を示す。図16の(C)に示されるように、焼成により有機成分が焼失した後も、多孔性かつ自己支持性のシリカ膜が形成されている。同様な自己支持性の無機薄膜の形成は、ナトリウムシリケートの代わりに金属塩や金属アルコキシド化合物を用いても可能であった。 In this Example 8, a DTAB aqueous solution having a concentration of 8.2 mM was prepared, and 0.82 ml of 200 mM sodium silicate (Na 2 SiO 3 ) aqueous solution and 0.16 ml of 1 mM sodium hydroxide aqueous solution were added to 10 ml of the aqueous solution. And stirred. Using this solution, a solid nano thin film was produced on a copper mesh having a form bar support film in the same manner as in Example 1. FIGS. 16A and 16B show images observed with a transmission electron microscope of solid nanothin films of DTAB containing sodium silicate. As is apparent from FIG. 16, the solid nanothin film of DTAB containing sodium silicate is formed so as to cover the pores of the form bar support membrane. This solid nano thin film is somewhat lacking in uniformity compared to the solid nano thin film of DTAB alone. However, it is clear that the nanotrim silicate is uniformly incorporated in the solid nanofilm. The inventors baked at 400 degrees Celsius for 30 minutes in order to convert the solid nanofilm of DTAB containing sodium silicate into a silica film. FIG. 16C shows an observation image of the solid nano thin film after firing with a transmission electron microscope. As shown in FIG. 16C, a porous and self-supporting silica film is formed even after the organic component has been burned away by firing. A similar self-supporting inorganic thin film could be formed using a metal salt or a metal alkoxide compound instead of sodium silicate.
実施例8の結果は、この出願の発明の固体状ナノ薄膜が、様々な自己支持性の無機ナノ薄膜の形成に利用できることを示している。
<実施例9>
実施例9として、基板として市販の多孔性アルミナ膜(Whatman 社製Anodisc 25、膜厚が60マイクロメートルであり、直径0.2マイクロメートルの細孔を有する)を用い、固体状ナノ薄膜の作製を行った。固体状ナノ薄膜の作製は、実施例1の方法と同様に行った。ただし、この実施例での固体状ナノ薄膜は、多孔性アルミナ膜の表面を覆うように成形されている。固体状ナノ薄膜の作製には、CTABの8.2mMの水溶液を用いた。図17の(A)と(B)には、多孔性アルミナ膜ならびに表面にCTABの固体状ナノ薄膜を形成した多孔性アルミナ膜の走査型電子顕微鏡による観察像を示した。これらの観察は、実施例1の方法に従って、白金コーティングを施した後に行われた。図17に示されるように、CTABの固体状ナノ薄膜は、多孔性アルミナ膜の表面を十分に覆うことができる。図17の(C)には、DTABの8.2mM水溶液を用いて作製した固体状ナノ薄膜の断面の走査型電子顕微鏡による観察像を示す。多孔性アルミナ膜の表面の波状の形態は、その表面が柔軟なDTABの固体状ナノ薄膜によって均一に覆われていることを示している。
The results of Example 8 show that the solid nanofilm of the invention of this application can be used to form various self-supporting inorganic nanofilms.
<Example 9>
As Example 9, a commercially available porous alumina film (Anodisc 25, manufactured by Whatman, having a film thickness of 60 micrometers and having pores with a diameter of 0.2 micrometers) was used as a substrate to produce a solid nano thin film. Went. The production of the solid nano thin film was carried out in the same manner as in Example 1. However, the solid nano thin film in this example is formed so as to cover the surface of the porous alumina film. For the production of the solid nanothin film, an 8.2 mM aqueous solution of CTAB was used. FIGS. 17A and 17B show images observed with a scanning electron microscope of the porous alumina film and the porous alumina film having a CTAB solid nano-thin film formed on the surface thereof. These observations were made after applying the platinum coating according to the method of Example 1. As shown in FIG. 17, the CTAB solid nano-thin film can sufficiently cover the surface of the porous alumina film. FIG. 17C shows an image observed by a scanning electron microscope of a cross section of a solid nano-thin film produced using an 8.2 mM aqueous solution of DTAB. The wavy form on the surface of the porous alumina film indicates that the surface is uniformly covered with a flexible DTAB solid nano-thin film.
本実施例の結果は、この出願の発明の固体状ナノ薄膜が、一定の厚みがあるナノ細孔を覆うことができ、極めて薄い蓋(ふた)としての形態をとりえることを示している。
<実施例10>
実施例10として、この出願の発明の固体状ナノ薄膜を焼成することで、均質なシリカの自己支持性のナノ薄膜を形成できることを示すために、オクタデシルジメチル(3−トリメトキシシリルプロピル)アンモニウムクロリド(C18−N−Si)の固体状ナノ薄膜の作製を行った。
The results of this example show that the solid nanofilm of the invention of this application can cover nanopores having a certain thickness and can take the form of a very thin lid.
<Example 10>
As Example 10, to demonstrate that baking the solid nanofilm of the invention of this application can form a homogeneous silica self-supporting nanofilm, octadecyldimethyl (3-trimethoxysilylpropyl) ammonium chloride was used. A solid nano thin film of (C18-N-Si) was prepared.
この実施例10では、10mlの水にC18−N−Siを加え、8mMの水溶液を調製した。この溶液を用いて、実施例1の方法と同様にフォルムバール支持膜を有する銅メッシュ上に固体状ナノ薄膜を作製した。図18の(A)と(B)には、C18−N−Siの固体状ナノ薄膜の透過型電子顕微鏡による観察像、ならびにその高倍率での観察像を示す。これらの写真から明らかなように、C18−N−Siの固体状ナノ薄膜は、フォルムバール支持膜の細孔を一様に覆うように形成されている。この固体状ナノ薄膜には、極めて平滑であり、欠陥は確認されない。同様な操作により、G2000HSタイプの銅メッシュを用い、C18−N−Siの固体状ナノ薄膜の作製を行った。その透過型電子顕微鏡による観察象を図18の(C)と(D)に示す。この透過型電子顕微鏡による観察でも欠陥は確認されなかった。 In Example 10, C18-N-Si was added to 10 ml of water to prepare an 8 mM aqueous solution. Using this solution, a solid nano thin film was produced on a copper mesh having a form bar support film in the same manner as in Example 1. 18A and 18B show an observation image of a C18-N-Si solid nanothin film by a transmission electron microscope and an observation image at a high magnification. As is apparent from these photographs, the C18-N-Si solid nano thin film is formed so as to uniformly cover the pores of the form bar support film. This solid nano-thin film is very smooth and no defects are observed. By the same operation, a C18-N-Si solid nano thin film was prepared using a G2000HS type copper mesh. The observation images by the transmission electron microscope are shown in FIGS. 18 (C) and 18 (D). No defects were confirmed even by observation with this transmission electron microscope.
この実施例10では、C18−N−Siの固体状ナノ薄膜を摂氏400℃で30分間焼成することにより、シリカのナノ薄膜も作製した。図19の(A)には、基板としてフォルムバール支持膜を有する銅メッシュを用いた場合の焼成後のナノ薄膜の透過型電子顕微鏡による観察像を示す。図19の(A)から明らかなように、焼成により有機成分を除去することで、シリカの自己支持性のナノ薄膜が得られる。このシリカ薄膜は、極めて薄くかつ一様な厚みを有する。欠陥は確認されない。図19の(B)と(C)には、基板として多孔性アルミナ膜を用いて作製したC18−N−Siの固体状ナノ薄膜を焼成した試料の走査型電子顕微鏡による観察像を示す。図19の(B)と(C)から明らかなように、焼成により有機成分を除去することで、多孔性アルミナ膜に自己支持性のシリカ薄膜を形成することができる。このシリカ薄膜は、多孔性アルミナ膜の表面を完全に覆うように形成されている。
<実施例11>
実施例11として、この出願の発明の固体状ナノ薄膜が、他の物質をコーティングするための基板として用いることができ、さらにコーティングされた固体状ナノ薄膜から有機成分を取り除くことで、新たな自己支持性のナノ薄膜を形成できることを示すために、ドデシルホスホコリン(D−PC)の固体状ナノ薄膜の作製を行った。
In Example 10, a C18-N-Si solid nanothin film was baked at 400 ° C. for 30 minutes to produce a silica nanothin film. FIG. 19A shows an observation image by a transmission electron microscope of the nano thin film after firing when a copper mesh having a form bar support film is used as the substrate. As is clear from FIG. 19A, a silica self-supporting nano thin film can be obtained by removing the organic component by firing. This silica thin film has a very thin and uniform thickness. Defects are not confirmed. FIGS. 19B and 19C show images observed by a scanning electron microscope of a sample obtained by firing a solid nano-thin film of C18-N—Si produced using a porous alumina film as a substrate. As apparent from FIGS. 19B and 19C, a self-supporting silica thin film can be formed on the porous alumina film by removing the organic component by firing. This silica thin film is formed so as to completely cover the surface of the porous alumina film.
<Example 11>
As Example 11, the solid nano-thin film of the invention of this application can be used as a substrate for coating other substances, and by removing organic components from the coated solid nano-thin film, a new self- In order to show that a supporting nano thin film can be formed, a solid nano thin film of dodecylphosphocholine (D-PC) was prepared.
この実施例11では、実施例4の方法と同様に、フォルムバール支持膜を有する銅メッシュ上に固体状ナノ薄膜を作製した。図20の(A)には、D−PCの固体状ナノ薄膜の透過型電子顕微鏡による観察像、図20の(B)には、該固体状ナノ薄膜を水で洗浄した試料の透過型電子顕微鏡による観察像を示す。これらの写真から明らかなように、D−PCの固体状ナノ薄膜は、水で洗浄することにより、容易に除去される。一方、図20の(C)と(D)と(E)には、D−PCの固体状ナノ薄膜に、白金をそれぞれ2nm、5nm、10nmコーティングした後、水で洗浄した試料の透過型電子顕微鏡による観察像を示す。図20の(C)、(D)、(E)から明らかなように、洗浄により有機成分を除去することで、自己支持性の白金のナノ薄膜を形成することができる。 In this Example 11, similarly to the method of Example 4, a solid nano thin film was produced on a copper mesh having a form bar support film. 20A shows an observation image of a solid nano thin film of D-PC with a transmission electron microscope, and FIG. 20B shows a transmission electron of a sample obtained by washing the solid nano thin film with water. The observation image by a microscope is shown. As is apparent from these photographs, the solid nanofilm of D-PC can be easily removed by washing with water. On the other hand, (C), (D), and (E) in FIG. 20 show the transmission electron of a sample that was coated with 2 nm, 5 nm, and 10 nm of platinum on a D-PC solid nano thin film, respectively, and then washed with water. The observation image by a microscope is shown. As is clear from FIGS. 20C, 20D, and 20E, a self-supporting platinum nano-thin film can be formed by removing the organic component by washing.
この出願の発明は、表面が分子膜で覆われた固体状態のナノ薄膜、即ち、固体状ナノ薄膜という新しい自己支持性のナノ薄膜を提供する。このようなナノ薄膜は、界面活性剤あるいは界面活性剤に類似した特徴を有する化合物の希薄溶液から、温和な条件下、簡単な操作で、再現性良く作製できる。 The invention of this application provides a new self-supporting nano thin film called a solid nano thin film whose surface is covered with a molecular film, that is, a solid nano thin film. Such a nano thin film can be produced with good reproducibility by a simple operation under mild conditions from a surfactant or a dilute solution of a compound having characteristics similar to those of a surfactant.
このような固体状ナノ薄膜は、細孔を有する基板、あるいはチューブの表面や内壁に作製すれば、物質の透過性を制御することが可能となり、分離膜や逆浸透膜、水の浄化あるいは悪臭やウイルス、細菌の除去のための膜、促進輸送膜、浸透気化膜など多彩な機能膜としての利用が見込まれる。 If such a solid nano thin film is prepared on a substrate having pores, or the surface or inner wall of a tube, it becomes possible to control the permeability of the substance, separation membrane, reverse osmosis membrane, purification of water or bad odor. It is expected to be used as various functional membranes such as membranes for removing viruses, bacteria, facilitated transport membranes, and pervaporation membranes.
さらにこの出願の発明の固体状ナノ薄膜は、有機材料や無機材料、あるいは金属やタンパク質を含んだ自己支持性のナノ薄膜として得ることが可能であり、触媒やバイオセンサー、化学センサー、磁気センサー、静電防止膜など多彩な膜機能の設計が可能となる。また、この出願の発明の固体状ナノ薄膜を基板として得られる自己支持性のナノ薄膜には、さらに多彩な膜機能を付与することができ、例えば、水素を選択透過する膜や酸素を濃縮するための膜、光触媒として機能する膜、燃料電池やデバイス、あるいは表示素子などを構築するための膜として利用できる。 Furthermore, the solid nano thin film of the invention of this application can be obtained as an organic material, an inorganic material, or a self-supporting nano thin film containing metal or protein, and can be obtained as a catalyst, biosensor, chemical sensor, magnetic sensor, Various film functions such as antistatic film can be designed. In addition, the self-supporting nanothin film obtained by using the solid nanothin film of the invention of the present application as a substrate can be given various film functions, for example, selectively permeable to hydrogen or concentrate oxygen. It can be used as a film for constructing a film for functioning, a film functioning as a photocatalyst, a fuel cell, a device, a display element or the like.
さらにこの出願の発明の方法は、細孔を有する物質の内部または表面にナノ薄膜を形成することができ、ガス吸着特性や薬物の除法など、様々な特性を設計することが可能となる。また、ナノからマイクロメートル領域のチューブ状の物質の内孔を閉ざすためにも利用でき、これらのナノ材料の様々な特性制御にも利用できる。さらにこの出願の発明の方法は、表面に存在するナノからマイクロメートル領域の窪みに蓋をする方法としても利用でき、接着性や親水性あるいは撥水性の制御にも利用できる。さらに、この出願の発明の方法は、既存の材料の化学的、物理的、生物学的、医学的な特性の改良、あるいは新たな特性を付与するため、あるいは新しいナノ加工技術の一部としての極めて重要な手法となる。 Furthermore, the method of the invention of this application can form a nano thin film inside or on the surface of a substance having pores, and it is possible to design various characteristics such as gas adsorption characteristics and drug removal methods. It can also be used to close the inner pores of tubular materials in the nano to micrometer range, and can be used to control various properties of these nanomaterials. Furthermore, the method of the invention of this application can also be used as a method of covering a nano-to-micrometer-area depression existing on the surface, and can also be used to control adhesiveness, hydrophilicity or water repellency. Furthermore, the inventive method of this application can be used to improve the chemical, physical, biological and medical properties of existing materials, or to impart new properties, or as part of new nanofabrication techniques. This is an extremely important method.
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