JPWO2006003861A1

JPWO2006003861A1 - ナノジェット噴出方法、及びナノジェット機構

Info

Publication number: JPWO2006003861A1
Application number: JP2006528664A
Authority: JP
Inventors: 豊真庭; 片浦　弘道; 弘道片浦
Original assignee: Japan Science and Technology Agency; National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST; National Institute of Japan Science and Technology Agency
Current assignee: Japan Science and Technology Agency; National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST; National Institute of Japan Science and Technology Agency
Priority date: 2004-06-30
Filing date: 2005-06-27
Publication date: 2008-04-17
Also published as: US20090084445A1; WO2006003861A1

Abstract

所定のカーボンナノチューブ内に液体を吸蔵させ、次いで、前記液体を液体−気体相転移温度以上に加熱し、前記カーボンナノチューブより噴出させる。

Description

本発明は、ナノジェット噴出方法、及びナノジェット機構に関する。

制限された領域内に閉じ込められた水は、バルク状態の水において観察することができないような特殊な特性を示すことが期待される。このような状態の水は、我々の日常の環境内や我々の体内において実際に存在するが、その物理的な特性に関してはあまり知られていない。これは、ある意味においては、壁面閉じ込めがたの容器が十分に開発されておらず、前述した制限領域内に閉じ込められた水に対する十分な研究が行われていないためである。

本発明は、壁面閉じ込め型の容器として高純度かつ単一壁面のカーボンナノチューブを利用し、前記カーボンナノチューブ内に水などの液体を吸蔵させ、閉じ込めるようにすることにより、新規な特性の構造体を得ることを目的とする。

上記目的を達成すべく、本発明は、
所定のカーボンナノチューブを準備する工程と、
前記カーボンナノチューブ内に液体を吸蔵させる工程と、
前記液体を液体−気体相転移温度以上に加熱し、前記カーボンナノチューブより前記液体を噴出させる工程と、
を具えることを特徴とする、ナノジェット噴出方法に関する。

また、本発明は、
所定のカーボンナノチューブと、
前記カーボンナノチューブ内に吸蔵され、液体−気体相転移温度以上に加熱することによって、前記カーボンナノチューブより噴出される液体と、
を具えることを特徴とする、ナノジェット機構に関する。

本発明者らは、所定のカーボンナノチューブを準備し、このカーボンナノチューブを壁面閉じ込め型の容器として使用し、前記カーボンナノチューブ内に水を吸蔵させて支持させることを試みた。その結果、前記カーボンナノチューブの直径を所定の範囲内に設定することにより、加圧及び冷却などの操作をすることなく、室温以上の大気圧下で前記水を原子レベルで前記カーボンナノチューブ内に支持できることを見出した。その結果、前記カーボンナノチューブ内に原子レベルで吸蔵及び支持されてなる、水の新規構造体、すなわちアイスナノチューブを得ることに成功した。

一方、前記アイスナノチューブを前記カーボンナノチューブ内に保持しておくためには、前記アイスナノチューブを液体−気体相転移温度以下の温度に保持することが必要であるが、前記相転移温度幅が約５Ｋと極めて狭いため、前記アイスナノチューブを前記相転移温度以上に加熱すると、前記アイスナノチューブが突然水蒸気となって前記カーボンナノチューブから突出することを見出した。

なお、上述した内容から明らかなように、「アイスナノチューブ」とは、カーボンナノチューブの内部に原子レベルで吸蔵され、保持されてなる水の新規構造体を意味するものである。また、前記アイスナノチューブは、主として前記カーボンナノチューブの空洞内に保持される。

また、上述したような現象は、水のみでなく、エチルアルコールなどのアルコールにも確認された。したがって、前述した水などの液体に所定の色素などを混入させておくことにより、上述したナノジェット機構及びナノジェット噴出方法をインクジョットとして利用することができるとともに、噴出の際に生じる反作用を利用して、ナノサイズの部品を動かすジェット機構などとして利用することができる。

なお、本発明の好ましい態様においては、前記カーボンナノチューブを複数準備し、これら複数のカーボンナノチューブを束ねてカーボンナノチューブバンドルを形成し、前記カーボンナノチューブバンドルに複数の液体を吸蔵させ、所定の液体の吸収波長に相当する光を照射する。この場合、前記所定の液体のみをその液体−気体相転移温度以上に加熱し、前記カーボンナノチューブより噴出させるようにすることができる。

また、本発明の他の好ましい態様においては、異なる構造及び大きさの前記カーボンナノチューブを複数準備し、これら複数のカーボンナノチューブを束ねてカーボンナノチューブバンドルを形成し、前記カーボンナノチューブバンドルに複数の液体を吸蔵させ、前記カーボンナノチューブバンドルを構成する前記カーボンナノチューブの前記構造及び前記大きさに起因する吸収波長の相異に基づき、所定の液体のみをその液体−気体相転移温度以上に加熱し、前記カーボンナノチューブより噴出させるようにすることができる。

なお、本発明においては、前記カーボンナノチューブ内に吸蔵させた液体を噴出させるようにしているが、この噴出形態は特に限定されるものではない。例えば、前記液体を微細な液滴としてスプレー状に噴出させるようにすることもできるし、蒸気として噴出させるようにすることもできる。但し、本発明では、前記噴出に関して、前記液体を前記液体−気体相転移温度以上に加熱するようにしているので、一般には蒸気化して噴出される。

以上説明したように、本発明によれば、カーボンナノチューブを利用し、前記カーボンナノチューブ内に水などの液体を吸蔵させ、閉じ込めるようにすることにより、ナノジェット機構という新規な構造体を得ることができ、この機構に基づくナノジェット噴出方法という新規な方法を提供することができる。

本発明のナノジェット機構及びナノジェット噴出方法で使用するアイスナノチューブの構成を示すモデル図の一例である。本発明のナノチューブ機構の一例を示す概略構成図である。本発明のナノチューブ機構の他の例を示す概略構成図である。本発明のナノジェット機構及びナノジェット噴出方法で使用するカーボンナノチューブバンドルのＸＲＤパターンである。

以下、本発明の詳細、並びにその他の特徴及び利点について、最良の形態に基づいて詳細に説明する。

本発明においては、最初に目的とする液体を吸蔵するためのカーボンナノチューブを準備する。このカーボンナノチューブの大きさは、液体を吸蔵し保持できるものであれば特に限定されるものではない。しかしながら、前記カーボンナノチューブの直径が大きくなると、前記液体を保持するための環境温度、すなわち液体−気体相転移温度が低下し、前記カーボンナノチューブの直径が小さくなると、前記液体を保持するための環境温度、すなわち液体−気体相転移温度が上昇する傾向がある。したがって、前記カーボンナノチューブの前記直径を適宜に制御することにより、前記環境温度を所望の範囲に設定することができる。

具体的に、前記カーボンナノチューブの前記直径を３．０ｎｍ以下とすることにより、前記環境温度、すなわち液体−気体相転移温度を室温以上とすることができる。なお、カーボンナノチューブの実際の作製方法などを考慮すると、前記カーボンナノチューブの前記直径の下限値は０．７ｎｍである。

また、前記カーボンナノチューブは、上記要件を満足すれば任意のものを使用することができ、単層及び多層の区別なく使用することができる。

また、前記液体−気体相転移温度は０℃以上であることが好ましい。この場合、前記相転移温度が室温近傍の温度範囲に設定されるため、上述したナノジェット機構を僅かな加熱又は冷却の操作によって簡易に実現することができる。前述した相転移の温度範囲は、上述したように、カーボンナノチューブの前記直径を制御することによって実現することができる。

なお、前記カーボンナノチューブを加熱するための手段としては、通常のヒータを用いたヒータ加熱の他、前記カーボンナノチューブ内に吸蔵された液体の吸収波長領域にある光源を用い、この光源からの光照射などの手段を用いることができる。

また、前記カーボンナノチューブは単独で用いることもできるが、複数を束ねてカーボンナノチューブバンドルとして用いることもできる。この場合、バンドル全体として複数の液体を吸蔵させることができ、これら複数の液体の内、所定の液体の吸収波長に相当する光を照射することにより、前記所定の液体のみをその液体−気体相転移温度以上に加熱し、前記所定の液体が保持されたカーボンナノチューブから噴出させることができるようになる。

したがって、例えば前記複数の液体が相異なる色素を含むような場合、各色素の吸収波長に応じた光を照射することによって、その色素を含む液体のみを噴出させることができ、多色のナノサイズインクジョットを形成することができる。

また、異なる構造及び大きさの前記カーボンナノチューブを複数準備し、これら複数のカーボンナノチューブを束ねてカーボンナノチューブバンドルを形成すれば、前記カーボンナノチューブバンドルを構成する前記カーボンナノチューブの前記構造及び前記大きさに起因する吸収波長の相異に基づき、前記カーボンナノチューブバンドルに吸蔵させた複数の液体内、所定の液体のみをその液体−気体相転移温度以上に加熱し、前記カーボンナノチューブより噴出させるようにすることができるようになる。したがって、このような構成においても、多色のナノサイズインクジョットを形成することができる。

前記カーボンナノチューブに吸蔵させる前記液体の種類は、上述したジェット機構を奏する限り特に限定されるものではない。現状においては、水及びエチルアルコールなどのアルコールにおいて前記ジェット機構を確認している。

特に、本発明者らは前記水については詳細な検討を実施しており、前記水が前記カーボンナノチューブ内に吸蔵されるに際しては、前記カーボンナノチューブ内の空洞に原子レベルで吸蔵されるアイスナノチューブの形態で吸蔵され保持される。

前記アイスナノチューブは、前記カーボンナノチューブあるいは前記カーボンナノチューブバンドルを水に接触させる。この水は通常の液体のものを用いることもできるが、水蒸気を用いることもできる。後者の場合、特別な水蒸気生成手段を用いることなく、例えば前記カーボンナノチューブあるいは前記カーボンナノチューブバンドルを飽和水蒸気下に配置することによって、水と接触させることができるようになる。前者の場合は、前記カーボンナノチューブあるいは前記カーボンナノチューブバンドルを直接水中に浸漬させて、水と接触させることができる。

このようにして、前記カーボンナノチューブ又は前記カーボンナノチューブバンドルを前記水に接触させた際、この操作温度（環境温度）が前記カーボンナノチューブの直径に依存する前記アイスナノチューブの形成温度（液体−気体相転移温度）よりも低い場合、前記カーボンナノチューブ（カーボンナノチューブバンドルを用いている場合は、それを構成する各カーボンナノチューブ）内に前記水が原子レベルで吸蔵し支持されるようになり、目的とするアイスナノチューブを構成するようになる。

なお、上述した操作においては、何ら追加的な加圧操作などについては要求されない。すなわち、通常の固体生成などにおいては、数ＧＰａ程度の所定の加圧雰囲気が要求される場合があるが、本発明においては上述した操作を大気圧下、すなわち約１気圧以下の圧力下でも行うことができる。

また、本発明においては、前記カーボンナノチューブ及び前記カーボンナノチューブバンドルに水を接触させる以前に、前記カーボンナノチューブなどに対して前処理を行うことができる。具体的には、前記カーボンナノチューブなどを真空雰囲気下で加熱し、前記カーボンナノチューブに対する吸蔵分子などを除去するようにすることもできる。これによって、前記カーボンナノチューブ内部において、前記アイスナノチューブを簡易かつ確実に形成することができるようになる。

さらには、前記カーボンナノチューブを空気中で３００−５００℃の間で加熱処理、あるいは過酸化水素中で酸化処理、またはこれらを併用した方法により、前記水の吸蔵に対する活性化処理を行うこともできる。

図１は、以上のような工程を経て得たアイスナノチューブの構成を示すモデル図の一例である。図１に示すように、本発明のアイスナノチューブは、例えば外側のカーボンナノチューブの空洞内に保持され、酸素原子と水素原子とからなる５員環を形成する。但し、図１はあくまで一例であって、前記カーボンナノチューブの直径を１．１ｎｍ〜１．５ｎｍの範囲で制御することにより、４員環から８員環のアイスナノチューブを形成することができる。

図２は、本発明のナノジェット機構の一例を示す概略構成図であり、図３は、本発明のナノジェット機構の他の例を示す概略構成図である。図２に示すように、カーボンナノチューブをヒータで加熱し、内部に吸蔵した水などの液体を液体−気体相転移温度以上にまで加熱すると、前記液体は急激に気化して前記カーボンナノチューブより噴出される。このときの噴出形態は、上述したように、例えば微小液滴としてスプレー状に、あるいは水蒸気として噴出させることができる

一方、図３に示すように、３本のカーボンナノチューブからカーボンナノチューブバンドルを構成し、各カーボンナノチューブに対して相異なる液体を吸蔵させておき、この内の少なくとも一つの液体の吸収波長に相当するレーザ光を照射すると、前記液体のみがその液体−気体相転移温度以上にまで加熱され、急激に気化されることによって、相当するカーボンナノチューブから噴出されるようになる。したがって、前記カーボンナノチューブバンドルを構成する各カーボンナノチューブに吸蔵された液体毎に異なる吸収波長の光を照射し加熱することによって、各カーボンナノチューブからの前記液体の噴出を独立に制御して行うことができる。

また、前記３本のカーボンナノチューブの構造及び／又は大きさをそれぞれ異なるようにしておけば、各カーボンナノチューブの吸収波長が異なるようになるので、それぞれの吸収波長に応じた光を照射することにより、所定のカーボンナノチューブ内に吸蔵した液体のみを液体−気体相転移温度以上にまで加熱し、噴出するようにすることができる。

平均直径が１８ｎｍのカーボンナノチューブバンドルであって、各カーボンナノチューブの平均直径が１．１７ｎｍ、１．３０ｎｍ、１．３４ｎｍ、１．３５ｎｍ、１．３８ｎｍ及び１．４４ｎｍである６つのサンプルを準備し、これらのサンプルを１０^−３Ｔｏｒｒの真空雰囲気下で８００Ｋ以上に加熱し、吸蔵分子を除去した。次いで、３００Ｋにおける飽和水蒸気中に前記サンプルを配置し、厚さ０．０１ｍｍの石英ガラス容器中に入れ封止した。

図４は、上述した工程を経た、平均直径が１．３５ｎｍであるカーボンナノチューブからなるカーボンナノチューブバンドルの、１００Ｋ及び３３０ＫにおけるＸＲＤパターンである。また、挿入図は同サンプルのＸＲＤにおける１０ピークの温度依存性を示すグラフである。図４から明らかなように、前記１０ピークはカーボンナノチューブ内部への水の吸蔵によるアイスナノチューブの形成及び水蒸気の放出に伴って、約３２０Ｋ付近で急激に変化していることが分かる。一方、３３０ＫでのＸＲＤプロファイルはカーボンナノチューブのＸＲＤプロファイルと同じであるので、前記３２０Ｋ以下では前記カーボンナノチューブ内部にアイスナノチューブが形成されており、前記３２０Ｋ以上ではアイスナノチューブが気化し、水蒸気として外部に噴出されていることが分かる。

したがって、図４により、約３２０Ｋという室温以上の温度において、カーボンナノチューブを用いた水のナノジェット機構及びナノジェット噴出方法が確立されていることが分かる。

なお、その他のサンプルにおいても同様の分析を実施した結果、室温以上の温度でカーボンナノチューブ内部にアイスナノチューブが形成され、液体−気体相転移温度以上で水蒸気が噴出されていることが判明した。

以上、具体例を挙げながら発明の実施の形態に基づいて本発明を詳細に説明してきたが、本発明は上記内容に限定されるものではなく、本発明の範疇を逸脱しない限りにおいてあらゆる変形や変更が可能である。

本発明のナノジェット噴出方法及びナノジェット機構は、インクジョットや噴出の際に生じる反作用を利用して、ナノサイズの部品を動かすジェット機構として利用することができる。

Claims

所定のカーボンナノチューブを準備する工程と、
前記カーボンナノチューブ内に液体を吸蔵させる工程と、
前記液体を液体−気体相転移温度以上に加熱し、前記カーボンナノチューブより前記液体を噴出させる工程と、
を具えることを特徴とする、ナノジェット噴出方法。
前記カーボンナノチューブの直径が０．７ｎｍ〜３．０ｎｍであることを特徴とする、請求項１に記載のナノジェット噴出方法。
前記液体の吸蔵は、１気圧以下の圧力雰囲気下で実施することを特徴とする、請求項１又は２に記載のナノジェット噴出方法。
前記液体は水であって、この水をアイスナノチューブとして前記カーボンナノチューブ内に吸蔵させることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一に記載のナノジェット噴出方法。
前記カーボンナノチューブは飽和水蒸気に接触させ、前記飽和水蒸気中の水分を前記カーボンナノチューブ内部に吸蔵させて前記アイスナノチューブを作製することを特徴とする、請求項４に記載のナノジェット噴出方法。
前記カーボンナノチューブを前記飽和水蒸気に接触させる以前に、前記カーボンナノチューブを真空雰囲気下で加熱し、前記カーボンナノチューブに対する吸蔵分子を除去することを特徴とする、請求項５に記載のナノジェット噴出方法。
前記アイスナノチューブは、酸素原子と水素原子とから構成される４員環から８員環を構成することを特徴とする、請求項４〜６のいずれか一に記載のナノジェット噴出方法。
前記液体−気体相転移温度が０℃以上であることを特徴とする、請求項１〜７のいずれか一に記載のナノジェット噴出方法。
前記カーボンナノチューブを複数準備し、これら複数のカーボンナノチューブを束ねてカーボンナノチューブバンドルを形成する工程と、
前記カーボンナノチューブバンドルに複数の液体を吸蔵させ、所定の液体の吸収波長に相当する光を照射することにより、前記所定の液体のみをその液体−気体相転移温度以上に加熱し、前記カーボンナノチューブより噴出させるようにすることを特徴とする、請求項１〜８のいずれか一に記載のナノジェット噴出方法。
異なる構造及び大きさの前記カーボンナノチューブを複数準備し、これら複数のカーボンナノチューブを束ねてカーボンナノチューブバンドルを形成する工程と、
前記カーボンナノチューブバンドルに複数の液体を吸蔵させ、前記カーボンナノチューブバンドルを構成する前記カーボンナノチューブの前記構造及び前記大きさに起因する吸収波長の相異に基づき、所定の液体のみをその液体−気体相転移温度以上に加熱し、前記カーボンナノチューブより噴出させるようにすることを特徴とする、請求項１〜８のいずれか一に記載のナノジェット噴出方法。
所定のカーボンナノチューブと、
前記カーボンナノチューブ内に吸蔵され、液体−気体相転移温度以上に加熱することによって、前記カーボンナノチューブより噴出される液体と、
を具えることを特徴とする、ナノジェット機構。
前記カーボンナノチューブの直径が０．７ｎｍ〜３．０ｎｍであることを特徴とする、請求項１１に記載のナノジェット機構。
前記液体の吸蔵は、１気圧以下の圧力雰囲気下で実施したことを特徴とする、請求項１１又は１２に記載のナノジェット機構。
前記液体は水であって、この水がアイスナノチューブとして前記カーボンナノチューブ内に吸蔵されたことを特徴とする、請求項１１〜１３のいずれか一に記載のナノジェット機構。
前記カーボンナノチューブは飽和水蒸気に接触させ、前記飽和水蒸気中の水分を前記カーボンナノチューブ内部に吸蔵させて前記アイスナノチューブを作製したことを特徴とする、請求項１４に記載のナノジェット機構。
前記カーボンナノチューブを前記飽和水蒸気に接触させる以前に、前記カーボンナノチューブを真空雰囲気下で加熱し、前記カーボンナノチューブに対する吸蔵分子を除去したことを特徴とする、請求項１５に記載のナノジェット機構。
前記アイスナノチューブは、酸素原子と水素原子とから構成される４員環から８員環を構成することを特徴とする、請求項１４〜１６のいずれか一に記載のナノジェット機構。
前記液体−気体相転移温度が０℃以上であることを特徴とする、請求項１１〜１７のいずれか一に記載のナノジェット機構。
前記カーボンナノチューブを複数有し、これら複数のカーボンナノチューブを束ねて形成したカーボンナノチューブバンドルと、
前記カーボンナノチューブバンドルに吸蔵させた複数の液体の内、所定の液体の吸収波長に相当する光を照射することにより、前記所定の液体のみをその液体−気体相転移温度以上に加熱し、前記カーボンナノチューブより噴出させるための光照射源と、
を具えることを特徴とする、請求項１１〜１８のいずれか一に記載のナノジェット機構。
異なる構造及び大きさの前記カーボンナノチューブを複数有し、これら複数のカーボンナノチューブを束ねて形成したカーボンナノチューブバンドルと、
前記カーボンナノチューブバンドルに複数の液体を吸蔵させ、前記カーボンナノチューブバンドルを構成する前記カーボンナノチューブの前記構造及び前記大きさに起因する吸収波長の相異に基づき、所定の液体のみをその液体−気体相転移温度以上に加熱し、前記カーボンナノチューブより噴出させるための光照射源と、
を具えることを特徴とする、請求項１１〜１９のいずれか一に記載のナノジェット機構。