KR20080074218A - 나노튜브들 및 그 물품을 이용하여 강한 입자들을발생시키는 방법 - Google Patents

나노튜브들 및 그 물품을 이용하여 강한 입자들을발생시키는 방법 Download PDF

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크리스토퍼 에이치. 쿠퍼
제임스 에프. 론
윌리암 케이. 쿠퍼
알렌 지. 큐밍즈
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셀던 테크놀로지, 인코포레이티드.
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Abstract

나노튜브들을 D2O와 같은 수소 동위원소의 소오스와 접촉시키는 단계 및 나노튜브들에 활성화 에너지를 인가시키는 단계를 포함하는 강한 입자들의 발생 방법이 개시된다. 일 실시 예에 있어서, 수소 동위원소는 프로튬, 중수소, 3중 수소 및 이들의 조합을 포함한다. 나노튜브 구조물의 제한된 치수에서 한정된 원자들을 위한 핵 상호작용의 증가된 수명을 기초하는 물질의 핵변환방법이 또한 개시되는데, 물질을 핵변환시키기에 충분한 강한 입자들을 발생시키며, 이러한 입자들이 변환되도록 물질을 노출시키는 단계를 포함한다.
나노튜브, 핵변환, 입자, 구조물, 동위원소, 소오스, 물질

Description

나노튜브들 및 그 물품을 이용하여 강한 입자들을 발생시키는 방법{METHODS OF GENERATING ENERGETIC PARTICLES USING NANOTUBES AND ARTICLES THEREOF}
본 출원은 2005년 12월 5일자로 출원된 미합중국 특허출원 제 60/741,874 호와 2006년 3월 1일자로 출원된 미합중국 특허출원 제 60/777,577 호에 대하여 35 USC §119(e)에 의거하여 국내 우선권의 이익을 주장하며, 상기 미합중국 특허출원들은 여기에서 참조로서 통합된 것이다.
입자들의 열적 에너지, 전자기적 에너지와 같은 활성화 에너지 또는 운동에너지의 존재하에서 나노튜브들을 수소 동위원소에 접촉시킴으로써 강한 입자들을 발생시키는 방법이 개시되어 있다. 여기에서 개시된 방법에 따라 생성된 강한 입자들에 물질을 노출시킴으로써 물질을 변환시키는 방법이 또한 개시되어 있다.
환경에 충격을 주지 않으면서 탄화수소 연료에 대한 현재 사회의 의존도를 완화시킬 수 있는 대체 에너지원의 개발 필요성이 대두하고 있다. 본 발명자들은 나노튜브들의 다양한 이용과 그러한 나노튜브들을 사용하는 장치들을 개발하였다. 본 발명은 나노튜브들의 독특한 성질들의 결합을 개시하고 있는데, 본 발명의 일 실시 예에서 탄소 나노튜브들은 친환경적인 방식으로 현재와 미래의 에너지 수요을 충족시킬 수 있도록 설계된 새로운 발현이다.
나노튜브에 기초한 원자력 장치들로부터 동력을 공급받는 장치들은 전력분배의 전류상태를 실질적으로 변화시킨다. 예를 들면, 나노튜브에 기초한 원자력 장치들은, 전력 생산을 위한 다른 형태의 화학적 연소 뿐만 아니라, 전력 분배 네트워크; 화학적 배터리, 태양전지, 풍차, 수력발전소와 같은 에너지 수집 장치들; 내연기관, 화학적 로켓 혹은 터빈 엔진에 대한 필요성을 제거 또는 감소시킨다.
따라서, 나노튜브들을 수소 동위원소와 접촉시키는 단계 및 나노튜브들에 활성화 에너지를 인가시키는 단계를 포함하는 강한 입자들의 발생 방법이 개시된다. 일 실시 예에 있어서, 수소 동위원소는 프로튬, 중수소, 3중 수소 및 이들의 조합을 포함한다. 또한, 수소 동위원소들의 소오스는 고체, 액체, 기체, 플라즈마 혹은 초임계의 위상이다. 이와는 달리, 수소 동위원소들의 소오스는 분자 구조물에 기반을 둘 수 있다.
나노튜브들을 수소 동위원소와 접촉시키는 단계, 나노튜브들에 활성화 에너지를 인가시키는 단계, 강한 입자들을 생성하는 단계, 그리고 변환될 물질을 강한 입자들에 접촉시키는 단계를 포함하는 물질의 변환방법이 또한 개시된다. 여기에서 사용된 바와 같이, 변환 가능한 물질은 하나의 요소나 동위원소로부터 다른 요소나 동위원소로 변환된 물질이다.
도 1은 본 발명에 따라서 사용된 He3 검출기를 통한 액상 반응을 위한 회전 자 타입의 반응기를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 도 1에 따른 회전자 타입의 개략도로서, He3 검출기가 게르마늄 검출기들의 배열과 교체된 상태를 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명에 따라서 사용된 액상의 전기분해를 위한 별도의 전극을 갖지 않는 반응기를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 4는 액상의 전기분해를 위한 별도의 전극을 더 포함하는 도 3에 따른 반응기를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명에 따라서 사용된 기상 반응을 위한 반응기를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 6은 도 4의 반응기를 사용하여 발생된 강한 입자들의 수의 플롯이다.
A. 정의
본 명세서에서 사용된 다음의 용어나 어구는 아래와 같은 의미를 갖는다:
용어 "섬유" 혹은 그것의 다른 버전은 높은 가로세로비 재료로서 정의된다. 본 명세서에서 사용된 섬유들은 한 성분 또는 많은 다른 성분으로 이루어진 재료들을 포함한다.
용어 "나노튜브"는 25Å 내지 100nm의 범위의 평균 직경을 갖는 관형상의 분자 구조물을 나타낸다. 소정 크기의 길이가 사용된다.
용어 "탄소 나노튜브" 또는 그것의 소정 버전은 6방정계 격자(그라핀 시트; graphene sheet)에 배열된 탄소 원자들로 주로 이루어진 관형상의 분자 구조물을 지칭하는데, 이때 상기 격자는 이음매 없는 원통형 튜브의 벽들을 형성하도록 자체적으로 폐쇄된다. 이러한 관형상 시트는 원통형 구조물을 형성하도록 단독 층(단일 벽) 또는 많은 중첩 층들(다중 벽)이 될 수 있다.
어구 "환경 배경 방사선"은 지구적인 소오스와 우주선(우주 방사선)을 포함한 여러 가지 자연적 및 인공적 소오스들로부터 방출된 이온 방사선을 지칭한다.
용어 "기능성"(또는 그것의 소정 버전)은 제로(0) 퍼텐셜과 같이 나노튜브의 특성들을 변경시킬 수 있는 표면에 부착된 원자 혹은 원자들의 그룹을 갖는 나노튜브를 지칭한다.
용어 "도핑된" 탄소 나노튜브는 탄소와는 다른 이온이나 원자들이 6방정계 탄소의 압연 시이트의 결정 구조물 내에 존재하는 것을 가리킨다. 도핑된 탄소 나노튜브들은 6방정계 링에 있는 적어도 하나의 탄소가 비-탄소 원자와 대체된 것을 의미한다.
용어 "변환(transmuting)", "핵변환(transmutation)" 혹은 그것의 파생어는 핵의 상태의 변화로서 정의되는데, 핵에 있는 양성자나 중성자의 수를 변화시키거나 입자의 포획 혹은 방출을 통해서 핵 에너지를 변화시키는 것이다. 변환 물질은 물질을 포함하는 핵의 상태를 변화시키는 것으로서 정의된다.
일 실시 예에 있어서, 나노튜브 구조물을 이용하여 동위원소의 핵변환으로부터 강한 입자들을 생산하는 방법이 개시된다. 일 실시 예에 있어서, 핵변환은 에너지의 방출이나 흡수를 수반하는 동위원소의 핵 융합으로의 변화이다. 안정한 동위 원소의 조합이나 분할로부터 에너지를 발생시키기 위해서, 활성화 에너지의 추가가 필요하다.
이러한 활성화 에너지는 동위원소에 대하여 모멘텀 온도, 압력 혹은 전자기장을 부여하는 전자기 자극의 형태로 직접적으로나 간접적으로 나타난다. 초기 활성화 에너지는 전류 펄스나 전자기 복사의 형태가 될 것이다. 또한, 활성화 에너지는 핵분열 연쇄반응으로서 알려진 여기에서 기술한 핵변환 반응으로부터 생성된 에너지의 형태가 될 것이다.
일정한 동위원소 핵변환 반응에 있어서, 활성화 에너지는 2개의 핵이 서로 가깝게 접촉하는 경우에 일어나는 쿨롱 반발력(coulomb repulsion)을 극복하는데 필요한 에너지이다. 그러한 반응에 대한 주 동위원소는 비록 수소(1H), 삼중수소(3H) 및 3중 헬륨(3H)이 에너지와 4중 헬륨(4He)을 생성하는 방식으로 사용될 수 있지만, 2중수소(2H)이다. 참조로서 포함된 동위원소의 리스트는 에너지 생성 핵변환 반응에 대하여 사용될 수 있고, 이것은 여기에서는 참조로서 통합된 507-521 of "Modern Physics" by Hans C. Ohanian 1987에서 볼 수 있다.
핵변환에 필요한 동위원소의 쿨롱 반발력을 극복하기 위해서, 활성화 에너지는 입자의 열적, 전자기 혹은 운동 에너지의 형태로 공급될 것이다. 전자기 에너지는 x-선, 광양자, 알파선, 베타선 또는 감마선, 마이크로파 복사, 적외선 복사, 자외선 복사, 양성자, 우주선, 기가헤르츠 내지 테라헤르츠 범위 주파수의 복사, 혹은 이들의 조합으로부터 선택된 하나 이상의 소오스를 포함한다.
활성화 에너지는 운동에 있어서 원자나 분자와 같은 입자들로서 정의되는 입자들의 운동 에너지를 또한 포함한다. 비-제한적인 실시 예들은 양성자, 중성자, 반-양성자, 소립자 및 이들의 조합을 포함한다. 여기에서 사용되는 바와 같이, "소립자"는 그 이상의 입자들로 분해될 수 없는 기초 입자를 나타낸다. 소립자의 예는 전자, 반-전자, 중간자, 파이온, 하드론, 경입자(전자의 형태), 바리온, 방사성동위원소 및 이들의 조합을 포함한다.
상기 방법에서 활성화 에너지로서 사용되는 다른 입자들은 여기에 참조로서 통합된 Hans C. Ohanian의 "Modern Physics" 460-494쪽에서 참조로서 언급된 것들을 포함한다. 마찬가지로, 상기한 방법에 의해서 발생된 강한 입자들은 앞서 설명한 것과 동일한 강한 입자들, 즉 중성자, 양성자, 전자, 베타 복사, 알파 복사, 중간자, 파이온, 하드론, 경입자, 바리온 및 이들의 조합을 포함할 것이다. 다시 말해서, 상기한 방법에 의해서 발생된 강한 입자들은 반응을 개시하도록 사용된 동일한 강한 입자들을 포함할 것이다.
여기에서 설명한 핵변환 반응에 필요한 에너지 생성은 활성화 에너지를 사용하기 때문에, 활성화 에너지의 양 또는 본 발명의 공정에서 나노튜브 구조물로 공급되는 동위원소들의 비율을 조절함으로써 에너지 생성을 제어할 수 있다. 예를 들면, 에너지의 발생은 나노튜브/중수 혼합물을 응고시키고 따라서 핵변환 공정으로부터 열에너지를 빼앗고 탄소 나노튜브와 같은 나노튜브 내로 듀테륨을 느리게 확산시킴으로써 상당히 줄어들 수 있다.
일 실시 예에 있어서, 물질을 핵변환시키는 것은 물질을 나노튜브와 접촉시 키고 그 물질을 나노튜브 구조물의 치수 내로 한정하고 그 안에 한정된 물질을 갖는 나노튜브 구조물을 활성화 에너지에 노출시킴으로써 달성된다.
소정 이론에 기초함이 없이, 여기에서 설명하는 강한 입자들과 핵변환 반응의 발생 방법은 나노튜브 구조물에 대해서 적어도 부분적으로 발현된다. 원자 크기의 물질이 나노튜브 구조물의 제한된 치수로 한정되는 경우에 물질을 포함하는 원자들의 핵은 상호작용을 받게 되고 결국 물질의 핵변환이 야기되는 것임을 알 수 있다. 다시 말해서, 나노크기 한정은 물질의 핵이 상호작용할 가능성을 증가시킨다. 유사한 이론들이 1차원 전로 가스(bos gas)에서의 스크리닝(screening)으로서 기재되어 있으며, 이것은 N. M. Bogolyubov 등의 Complete Screening in a One-Dimensional Bose Gas, Zapiski Nauchnykh Seminarov Leningradskogo Otdeleniya Matematicheskogo lnstituta im. V.A. Steklova AN SSSR, Vol. 150 pp. 3-6, 1986.에서 볼 수 있다.
그러므로, 일 실시 예에 있어서, 펄스의 형태와 같은 전류가 탄소 나노튜브에 인가되는 경우 탄소 나노튜브의 한정된 장치 내에 고밀도 전자 플라즈마가 존재하고 듀테륨이 존재하는 상태에서 쿨롱 반발력이 줄어들거나 제거될 것임을 알 수 있다. 전자들은 핵에 매우 근접하여 위치하고, 따라서 듀테륨 동위원소들 사이에서의 쿨롱 반발력이 평균적으로 없어진다. 그 결과 핵변환에 대한 필요 활성화 에너지가 감소하게 된다.
나노크기의 제한을 지원하거나 가능하게 하는 속이 빈 내부를 가지며 상기한 방법과 연관된 내부 조건들을 견딜 수 있는 나노크기 구조가 여기에 발표한 공정에 서 사용될 수 있다.
일 실시 예에 있어서, 나노튜브들은 탄소 및 그 동소체를 포함한다. 예를 들면, 본 발명에 따라서 사용된 나노튜브는 2mm 내지 10mm와 같이 500㎛ 내지 10cm 범위의 길이를 갖는 다중벽 탄소 나노튜브를 포함한다. 본 발명에 따른 나노 구조물들은 25Å 내지 100nm와 같이 100nm에 달하는 내부 직경을 갖는다.
나노 재료는 절연, 금속 또는 반도체 재료 및 그러한 재료들의 조합과 같은 비-탄소 재료로 구성된다.
탄소 동위원소들은 나노튜브의 내부, 다중벽 나노튜브의 벽들 사이의 공간, 하나이상의 나노튜브에 의해서 형성된 적어도 하나의 루프 내부 또는 이들의 조합 내에 위치할 것임을 알 수 있다.
일 실시 예에 있어서, 나노튜브들은 단부 대 단부로, 평행으로, 혹은 이들의 조합으로 정렬될 것이다. 또한, 이와는 달리, 나노튜브들은 무기 재료의 적어도 하나의 원자층이나 분자층에 의해서 완전히 혹은 부분적으로 코팅 혹은 도핑될 것이다.
몇몇 실시 예들에 있어서, 물질의 핵변환 방법들은 나노튜브 구조물이 그 안에 한정된 물질과 촉매하에서 상호작용하는 경우에 향상된다. 이것은 탄소와 같은 특별한 나노튜브를 선택하든지 아니면 나노튜브를 상기한 반응을 개시하는데 필요한 활성화 에너지의 양이나 형식을 변경할 수 있는 분자로 도핑하거나 코팅함으로써 실행된다. 여기에서 사용된 바와 같이, 그로부터 파생된 용어 "촉매"는 활성화 에너지를 변화시키는 물질로서 정의된다. 일 실시 예에 있어서, 활성화 에너지를 변화시키는 것은 핵변환 반응을 일으키는데 필요한 에너지를 낮추는 것으로서 정의된다.
나노튜브 구조물이 촉매로서 작용하는 경우, 그것은 낮은 에너지 광자, 양성자 혹은 입자들을 취하고 변환 핵으로 그들의 에너지를 추가적으로 운반함으로써 통합자로서 작용한다. 앞서 언급한 형태의 활성화 에너지는 그러한 공정에서 또한 사용된다.
몇몇의 경우에 있어서, 활성화 에너지는 듀테륨을 3중 헬륨(3He)과 뉴트론으로 변환시키는 것과 같은 핵변환 반응을 일으키도록 전자 핵 분산을 통해서 x-선 나노튜브 포획과 같은 다중 형태의 에너지의 합으로부터 생겨난다.
몇몇 실시 예에 있어서, 나노튜브 내에 수소 동소체를 위치시킴으로써 핵분열 연쇄반응을 만들어 내고 따라서 하나의 핵변환 사건으로부터 방출된 에너지가 그 이상의 핵변환 사건들을 유도하게 된다.
설명한 바와 같이, 물질의 핵변환 방법은 강한 입자들의 방출을 통해서 에너지의 발생을 야기한다. 비-제한적인 실시 예들에 있어서, 상기 방법으로부터 발생된 에너지는 중성자 3중양자, 헬륨 동소체 및 운동에너지를 갖는 양성자를 포함할 것이다.
여기에서 설명한 나노튜브 구조물은 단일 벽, 이중벽 또는 다중벽 나노튜브 또는 이들의 조합을 포함한다. 나노튜브들은 공지된 조직들로서, 본 출원인들이 공동출원인으로서 2005년 4월 22일에 출원한 미합중국 특허출원 제 11/111 ,736 호, 2004년 3월 8일자로 출원한 미합중국 특허출원 제 10/794,056 호 및 2006년 9월 1일자로 출원한 미합중국 특허출원 제 11/514,814 호에 공지되어 있으며, 상기 미국특허출원들은 여기에서는 참조로서 통합되었다.
상기한 형상들의 몇몇은 M.S. Dresselhaus, G. Dresselhaus, and P. Avouris, eds. Carbon Nanotubes: Synthesis, Structure, Properties, and Applications, Topics in Applied Physics. 80. 2000, Springer-Verlag; and "A Chemical Route to Carbon Nanoscrolls", Lisa M. Viculis, Julia J. Mack, and Richard B. Kaner; Science, 28 February 2003; 299에 개시된 바 있으며, 상기 문헌들은 여기에서 참조로서 통합된 것이다. 상기한 조직을 갖는 나노튜브 구조물들이 채용되면, 핵변환중인 물질이 한정되는 치수로서 정의된 제한 치수는 나노튜브의 내부, 다중벽 나노튜브의 벽들 사이의 공간, 하나이상의 나노튜브에 의해서 형성된 적어도 하나의 루프 내부 또는 이들의 조합으로부터 선택된다.
앞서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 방법은 핵변환을 지원하도록 활성화 에너지를 사용하는 것을 개시하고 있다. 그러한 활성화 에너지의 비-제한적인 예들은 마이크로파 복사, 적외선 복사, 열 에너지, 양성자, 광량자, 자외선 복사, x-선, 감마선, 알파-복사, 베타-복사 및 우주선을 포함한다.
나노튜브 구조물은 자기, 전기 혹은 전자기장에서 임의로 존재하는 나노튜브들의 네트워크를 포함할 것임을 알 수 있다. 하나의 비-제한적인 실시 예에 있어서, 자기, 전기 혹은 전자기장은 나노튜브 구조물 자체에 의해서 제공될 수 있다.
또한, 방법은 나노튜브 구조물로 교류, 직류 또는 전류 펄스들 또는 이들의 조합을 나노튜브 구조물로 인가하는 단계를 더 포함한다.
여기에서 설명한 나노튜브 구조물은 금속이나 합금의 에피택셜 층들을 갖는다.
나노튜브들의 성분은 여기에서 설명한 방법들에 대하여 임계적인 것으로는 알려지지 않았다. 이론적인 배경은 없지만, 나노튜브 내의 종들의 제한은, 본 실시 예에서 사용된 나노튜브들 내의 탄소와 제한에 의해서 활성화된 종들, 듀테륨의 상호작용 보다는, 여기에서 설명한 효과들에 대하여 책임이 있다. 이러한 이유로 인하여, 여기에서 설명하는 나노튜브들은 특별히 탄소로서 기재되고, 보다 일반적으로는 세라믹(유리를 포함), 금속(및 그 산화물), 유기체 및 그러한 재료의 조합을 포함할 수 있다.
나노튜브의 형태(기하학적 형상)는 종들이 활성화되는 치수에서의 제한을 제공하는 것을 제외하고는 임계적이지 않다. 일 실시 예에 있어서, 다중벽 탄소 나노튜브가 개시되어 있다. 여기에서 설명한 나노튜브 구조물은 여기에서 설명한 나노튜브들 상에 셸이나 코팅을 형성하는 단일 혹은 다수의 원자나 분자 층들을 가질 수 있다. 그러한 코팅에 추가하여, 나노튜브 구조물은 무기 재료 혹은 유기재료의 적어도 하나의 원자층이나 분자층에 의해서 도핑된다.
나노튜브들을 코팅하는 방법들 뿐만아니라 나노튜브용 코팅들에 대한 설명이 본 출원인들의 계류중인 특허로서 앞서 참조로서 통합한 2005년 4월 22일에 출원한 미합중국 특허출원 제 11/111,736 호, 2004년 3월 8일자로 출원한 미합중국 특허출원 제 10/794,056 호 및 2006년 9월 1일자로 출원한 미합중국 특허출원 제 11/514,814 호에 공지되어 있다.
여기에서 설명한 방법은 적어도 하나의 유기 그룹을 이용하여 탄소 나노튜브들을 기능화하는 단계를 더 포함한다. 기능화는 습식 화학 혹은 증기, 가스 혹은 플라즈마 화학처리 및 마이크로파 지원 화학적 기술을 포함한 화학적 기술을 사용하여 탄소 나노튜브들의 표면을 변경시키고 탄소 나노튜브들의 표면에 재료를 결합하도록 표면 화학처리를 이용함으로써 수행된다. 이 방법들은 탄소 나노튜브를 "활성화"하도록 사용되는데, 이것은 적어도 하나의 C-C 또는 C-이종원자 결합을 깨뜨리는 것으로서 정의되며, 이에 의해서 분자나 클러스터를 부착하기 위한 표면을 제공한다.
기능화된 탄소 나노튜브들은 탄소 나노튜브의 외부 측벽과 같은 표면에 부착된 카르복실 그룹들과 같은 화학적 그룹들을 포함한다. 또한, 나노튜브 기능성은 다단계 절차를 통해서 발생하는데, 여기에서 기능적인 그룹들은 특정의 원하는 기능화된 나노튜브에 도달하도록 나노튜브에 순차적으로 추가된다.
기능화된 탄소 나노튜브들과는 달리, 코팅된 탄소 나노튜브들은 재료 및/또는 하나이상의 입자들의 층으로 덮히며, 기능적인 그룹과는 달리, 나노튜브에 화학적으로 결합할 필요가 없으며, 나노튜브의 표면적을 커버한다.
여기에서 사용된 탄소 나노튜브들은 개시한 공정을 지원하도록 구성성분들로 도핑될 것이다. 설명한 바와 같이, "도핑된" 탄소 나노튜브는 탄소 이외에 6방정계 탄소의 압연 시이트의 결정 구조물 내로 위치한 이온이나 원자의 존재를 지칭한다. 도핑된 탄소 나노튜브들은 6방정계 링에 있는 적어도 하나의 탄소가 비-탄소 원자 와 대체되는 것을 나타낸다.
나노튜브들을 수소 동소체의 소오스에 접촉시키는 단계, 나노튜브들에 활성화 에너지를 인가하는 단계, 강한 입자들을 생성하는 단계, 그리고 변환될 물질을 강한 입자들에 접촉시키는 단계를 포함하는 물질 변환방법이 또한 개시되어 있다.
복사의 형태로 핵변환으로부터 생성된 에너지의 일부는 2차 발생 핵변환 반응을 구동하도록 직접적으로 사용될 것이다. 이 방법은 소비에 필요한 수준으로 전력을 계속해서 발생시키도록 사용될 수 있다.
일 실시 예에 있어서, 여기에서 설명한 방법은 짧은 반감기를 갖는 동소체로 방사능 오염물질이 될 긴 반감기를 갖는 동소체들을 변환시키도록 사용될 것이다. 이것은 중성자 포획을 통해서 달성될 것이다. 이 실시 예에 있어서, 탄소 나노튜브들에서 함께 근접하여 포장된 많은 중성자들이 목표 동소체에 의해서 포획될 수 있으므로, 나노튜브에 듀테륨을 공급하는 것이 바람직하다. 핵에 있는 중성자의 풍부화는 핵변환 반응을 구동시키며, 이것은 수백년 혹은 수천년으로부터 밀리세컨드로 방사성 동소체의 반감기를 줄이게 된다.
다른 실시 예에 있어서, 3중 헬륨(3He) 및 중성자로의 듀테륨의 핵변환은 탄소 나노튜브들을 듀테륨 가스와 활성화 에너지를 접촉함으로써 수행된다. 이 실시 예에 있어서, 듀테륨은 원소 성분들, 즉 듀테륨 가스, 탄소 나노튜브 및 부착된 전극들을 에워싸는 제한 용기에 의해서 고 농도로 유지된다.
또한, 탄소 나노튜브들은 다발의 각 단부에서 전극들에 전기적 접촉을 이루 도록 다발로 묶인다. 와이어들이 전극에 부착되고, 10ns 동안 400V 펄스를 생성하는 회로로부터 활성화 에너지가 탄소 나노튜브로 공급된다. 이 실시 예의 개략도가 도 5에 도시되어 있다.
본 명세서는 다음의 비-제한적인 예에 의해서 더욱 설명되는데, 이것은 본 발명을 순수하게 예시하기 위한 목적이다.
예들
예 1. 처리된 탄소 나노튜브들을 사용한 강한 입자들의 제조
a) 탄소 나노튜브 재료의 제조
5g의 탄소 나노튜브들이 상온에서 250㎖의 시약 등급 질산과 혼합되었다. 탄소 나노튜브들은 10nm 내지 50nm 범위의 직경과 100nm 내지 100um 범위의 길이를 갖는 다중의 벽으로 이루어져 있다. 20분 후에, 탄소 나노튜브들을 질산으로부터 제거하여 물로 3번 세척하였다. 탄소 나노튜브들은 물기를 제거하도록 상온 이상의 온도로 오븐에서 건조되었다. 다발로부터, 100mg의 탄소 나노튜브들이 50㎖의 유리 비이커(샘플 A)에서 99.9% 순수 D2O 35~40㎖와 결합되었다. Sigma Aldrich (파트 번호 151882-250G, 배치 번호 08410KC)로부터 구입한 새로운 250g 샘플로부터 D2O를 취하였다.
b) 탄소 나노튜브 재료의 측정
샘플 A로부터 방출된 여러 가지 강한 입자들이 다음의 방식으로 측정되었다.
샘플 A는 D2O의 증발과 흡습성 D2O 내로의 물 흡수를 최소화하도록 깨끗한 플라스틱 랩으로 덮힌다. 그런 다음 회전 가능한 샘플 홀더 내에 위치하는데, 여기에서는 표면 탄소 나노튜브들을 적어도 부분적으로 젖음 상태로 유지하기 위해서 측정과정 동안에 플로어에 대하여 45도 각도로 고정되고 약 1rpm으로 회전된다. 이 회전 샘플의 개략도가 도 1에 도시되어 있다.
배경 이상의 에너지가 3He 중성자 검출기 및 NaI (요오드화 나트륨) 감마/x-선 검출기를 사용하여 측정되었다. 배경 측정은 샘플 없이 수행되었다. 샘플 A는 암실에서 처음 측정하였다. 이 측정은 UV 필터링된 할로겐 광에 의해서 조사된 샘플을 사용하여 반복되었다. 샘플 A에 대하여 성분과 형상 면에서 동일한 제 2 샘플(B)이 준비되었다. 샘플 B는 UV 필터링된 할로겐 광(a)과 적색 레이저(b)를 사용하여 별도로 조사되었다. 암실에서 측정된 것을 포함하여 모든 샘플들은 배경 이상의 포지티브 바이어스를 보이며, 광원이 사용되는 경우에 향상된 신호가 목격되었고, UV 필터링된 할로겐 광에 대하여 강한 반응이 일어난다.
이 샘플은 처리된 탄소 나노튜브들을 D2O에 결합시킴으로써 강한 입자들이 생성되는 것을 보여준다.
예 2. 처리된 탄소 나노튜브들을 이용한 강한 입자들의 제조
a) 탄소 나노튜브 재료의 제조
이 예는 처리되지 않은 다중 벽 탄소 나노튜브들이 이 예에서 사용되는 것을 제외하고는, 예 1과 실질적으로 유사하다. 탄소 나노튜브들은 10nm 내지 50nm 범위의 직경과 100nm 내지 100um 범위의 길이를 갖는다. 100mg의 탄소 나노튜브들이 50 ml의 유리 비이커에서 99.9% 순수 D2O 35~40㎖와 결합되었다. b) 탄소 나노튜브 재료의 측정
본 발명에 따라서 만들어진 샘플로부터 방출된 강한 입자들이 다음의 방식으로 측정되었다.
예 1에서와 같이, 이 샘플에 따른 샘플은 D2O의 증발과 흡습성 D2O 내로의 물 흡수를 최소화하도록 깨끗한 플라스틱 랩으로 덮힌다. 그런 다음 회전 가능한 샘플 홀더 내에 위치하는데, 여기에서는 표면 탄소 나노튜브들을 적어도 부분적으로 젖음 상태로 유지하기 위해서 측정과정 동안에 플로어에 대하여 45도 각도로 고정되고 약 1rpm으로 회전된다.
이 예에서 사용된 설정의 개략도가 도 2에 도시되어 있는데, 이는 도 1과 유사하며, 여기에서 3He 검출기는 게르마늄 검출기들의 배열로 대체되었다. 특히, 활성화 에너지의 적용 전에, 장치의 각 측에 위치한 2개 배열의 게르마늄 중성자 검출기들은 실험 현장에서 중성자들의 배경 비율을 결정하도록 보정된다. 검출기들은 Lawrence Livermore National Laboratories의 자산이고 소유자에 따라 작동되는 방식의 중성자 검출기들이다.
배경 측정은 샘플없이 수행되었다. 측정이 이루어졌고 그 동안에 샘플이 UV 필터링된 할로겐 광에 의해서 조사되었다. 배경을 포함한 모든 측정들은 배경 이상 의 포지티브 바이어스를 나타내는데 반해서, 향상된 신호들은 UV 필터링된 할로겐 광이 적용되는 경우에 관찰된다.
이 샘플은 처리되지 않은 탄소 나노튜브들을 D2O에 결합시키고 활성화 에너지를 인가하는 동안에 강한 입자들이 생성되는 것을 보여준다.
예 3. 전기분해 전극 없이 액상에서 핵변환을 통한 강한 입자들의 제조
이 예에 있어서, 나노튜브들은 NanoTechLabs (NanoTechLabs Inc., 409 W. Maple St., Yadkinville, NC 27055)로부터 얻은 시판중인 순수 탄소 나노튜브들이다. 이들은 약 3mm의 길이와 6개 부재 링 구조물을 가지며, 직선형이다. 탄소 나노튜브들은 실질적으로 결함이 없으며 장치에서 사용하기 전에는 처리되지는 않는다.
약 1,000개의 개별 나노튜브를 포함한 정렬된 탄소 나노튜브들의 다발은 다발의 각 단부에 있는 스테인레스 강 전극들에 연결된다. 탄소 나노튜브 전극 장치는 약 200Ω 저항을 갖도록 측정되었다. 하나의 나노튜브 전극은 캐패시터를 통해서 지면에 연결되고 고 전압 공급원에 연결된 19.5Ω 레지스터에 연결된다. 도 3 참조. 다른 나노튜브 전극은 30ns 상승시간 트랜지스터를 통해서 연결된다. 트랜지스터 상의 케이트는 펄스 발생기에 연결된다.
탄소 나노튜브 전극장치는 상온과 압력하에서 세라믹 반응기내에서 2g의 액체 D2O에 침지되었다. 전압은 약 10KHz의 반복율로서 200 나노세컨드로부터 일정 범위로 일정시간 동안에 200 Volt 스파이크로서 탄소 나노튜브에 인가되었다.
듀테륨 적재 탄소 나노튜브를 통해서 캐패시터의 방전을 기동하도록 9V에서 150ns 와이드 펄스를 트랜지스터로 전달하였다. 전자부식으로 인하여 스테인레스 강 전극들이 부식되기 전에 2시간 동안에 중성자 폭발이 발생하였고 탄소 나노튜브들과의 접촉은 더 이상 이루어지지 않았다. 데이터 획득장치는 이러한 시간 동안에 배경 이상의 데이터를 기록하였다.
전압을 적용하기 전에, 장치의 한쪽에 위치한 게르마늄 중성자 검출기의 2개의 배열들은 실험의 현장에서 중성자의 배경 비율을 결정하도록 보정되었다. 검출기들은 Lawrence Livermore National Laboratories의 자산이며 탐지기들이 작동하는 방식 또한 소유자의 자산인 중성자 검출기들의 기술분야이다.
전압을 적용하기 전에, 검출기들은 검출의 주기적인 관찰 없이 간헐적으로 중성자를 탐지한다. 이것은 배경 복사와 비교할 만한다. 전압이 다시 탄소 나노튜브에 인가된 후에, 검출기들은 중성자를 간헐적으로 검출하였다. 중성자들은 단기간 폭발로 탐지되고, 탐지시에 배경 이상의 낮은 수준의 정상 흐름으로서 배경 검출의 크기의 4배 내지 100배 된다. 전압의 적용이 불연속적인 경우, 검출들은 배경 수준에서 크기에 다시 특성을 부여하고 폭발의 주기성은 관찰되지 않았다. 검출된 중성자의 운동 에너지는 사용된 장비를 가지고 측정할 수는 없었다.
실험 장치들은 장치의 작동 과정 동안에 발생된 열을 측정하기 위한 설비는 없었다. 공정과정 동안에 기체 성분이 생성되는지를 테스트 하기 위한 설비가 없었다.
실시예 4. 전기분해 전극을 이용하여 액상에서 핵변환을 통한 강한 입자들의 제조
이 예에 있어서, 나노튜브들은 NanoTechLabs (NanoTechLabs Inc., 409 W. Maple St., Yadkinville, NC 27055)로부터 얻은 시판중인 순수 탄소 나노튜브들이다. 이들은 약 6mm의 길이와 6개 부재 링 구조물을 가지며, 직선형이다. 탄소 나노튜브들은 실질적으로 결함이 없고 장치에서 사용하기 전에 처리되지는 않는다.
약 1,000개의 개별 나노튜브를 포함한 정렬된 탄소 나노튜브들의 다발은 다발의 각 단부에 있는 백금 전극들에 연결된다. 탄소 나노튜브 전극 장치는 약 8Ω 저항을 갖도록 측정되었다. 하나의 나노튜브 전극은 캐패시터를 통해서 지면에 연결된다. 다른 나노튜브 전극은 트랜지스터를 통해서 지면에 연결된다. 제 3 전해질 전극은 탄소 나노튜브 다발의 중심에 근접하여 고정되고, 6KΩ 레지스터를 통해서 490V 5mA 전력 공급원에 연결되었다. 이러한 설정의 개략적인 설명이 도 4에 도시되어 있다.
탄소 나노튜브 전극장치는 상온과 압력에서 세라믹 반응기에서 2g의 액체 D2O에 침지되었다. 전압은 약 730KHz의 반복 비율로서 10~100 나노세컨드로부터 일정범위로 일정 시간동안에 490 Volt 스파이크로서 탄소 나노튜브에 인가되었다. 밀리세컨드 동안에 캐패시터가 충전되었고, 충전 전류는 나노튜브 표면에서 D2 가스를 생성하도록 D2O의 전기분해를 수행하기 위해서 사용되었다. 전기분해는 탄소 나노튜브 내로 D2의 확산을 증가시키도록 수행되었다. 듀테륨 적재 탄소 나노튜브를 통해 서 캐패시터의 방전을 기동하도록 9V에서 150ns 와이드 펄스를 트랜지스터로 전달하였다. 배경에서는 존재하지 않았던 중성자 폭발이 생성되었고 데이터 획득장치에 의해서 기록되었다.
이 예에 따라서 발생된 강한 입자들의 수의 플롯이 도 6에 도시되어 있다.
전압을 적용하기 전에, 장치의 한쪽에 위치한 게르마늄 중성자 검출기의 2개의 배열들은 실험현장에서 중성자의 배경 비율을 결정하도록 보정되었다. 검출기들은 Lawrence Livermore National Laboratories의 자산이며 탐지기들이 작동하는 방식 또한 소유자의 자산인 중성자 검출기들의 기술분야이다.
전압을 적용하기 전에, 검출기들은 검출의 주기적인 관찰없이 간헐적으로 중성자를 탐지한다. 이것은 배경 복사와 비교할만하다. 전압이 다시 탄소 나노튜브에 인가된 후에, 검출기들은 중성자를 간헐적으로 검출하였다. 도 6에 도시된 바와 같이, 중성자들은 단기간 폭발로서 탐지된다. 탐지시에 배경 이상의 낮은 수준의 정상 흐름으로서 배경 검출의 크기의 4배 내지 100배 된다. 또한, 주기적인 폭발이 관찰된 시간 동안에 주파수는 약 10분이다. 전압의 적용이 불연속적인 경우, 검출들은 배경 수준에서 크기에 다시 특성을 부여하고 폭발의 주기성은 관찰되지 않았다. 검출된 중성자의 운동 에너지는 사용된 장비를 가지고 측정할 수는 없었다.
실험 장치들은 장치의 작동 과정 동안에 발생된 열을 측정하기 위한 설비를 구비하고 있지 않았다. 공정과정 동안에 기체 성분이 생성되는지를 테스트 하기 위한 설비가 없었다. 실험후에 남아있는 액체의 성분이 결정되고, 샘플에서 중수의 양이 감소하였다.
이 예에서 발생된 데이터는 결과들의 정적인 중요성을 결정하도록 허스트(Hurst) 분석을 거쳐서 정적으로 분석되었다. 허스트 분석은 메릿의 형태를 산출하는 임의적 및 비-임의적 발생의 상관 관계 분석이다. 메릿의 형태는 0.5 표시 랜덤 데이터 주위로 집중된다. 메릿의 형태는 1.0 표시 포지티브 상관관계를 나타낸다. 제로(0)로 접근하는 메릿의 형태는 반-상관관계를 나타낸다. 이 예에 따른 데이터는 0.9에 접근하는데, 이것은 매우 포지티브한 상관관계를 나타낸다. 다시 말해서, 이 예로부터 얻은 데이터의 정적인 분석은 비-임의적 신호의 강한 증거를 제공한다.
나타내지 않는 한, 성분의 양, 반응 조건 및 명세서와 특허청구범위에서 사용된 것들을 표현하는 모든 수들은 용어 "약"에 의해서 모든 경우에 변경될 수 있는 것으로 이해될 것이다. 따라서, 반대로 나타내지 않는 한, 상기 명세서와 첨부된 특허청부범위에 발표한 수치적 매개변수들은 본 발명에 의해서 얻어질 원하는 특성들에 의존하여 변하는 근사치들이다.
본 발명의 다른 특징들은, 다음의 상세한 설명 및 첨부된 도면으로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백해질 것이다. 명세서와 예들은 단지 예시적인 목적으로 의도된 것이며, 본 발명의 진실한 영역은 다음의 특허청구범위에 의해서 나타난다.

Claims (24)

  1. 강한 입자들을 발생시키기 위한 방법으로서,
    나노튜브들을 수소 동위원소와 접촉시키는 단계; 및
    상기 나노튜브들에 활성화 에너지를 인가시키는 단계를 포함하는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 수소 동위원소는 프로튬, 중수소, 3중 수소 및 이들의 조합을 포함하는 방법.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 수소 동위원소들은 고체, 액체, 기체, 플라즈마 혹은 초임계의 위상인 소오스로부터 제공되는 방법.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 수소 동위원소들은 분자 구조에 기초한 소오스로부터 제공되는 방법.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 수소 동위원소는 D2O를 거쳐서 제공되는 방법.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 활성화 에너지는 입자의 열적 에너지, 전자기적 에너지 또는 운동 에너지를 포함하는 방법.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 전자기적 에너지는 x-선, 광양자, 알파선, 베타선 또는 감마선, 마이크로파 복사, 적외선 복사, 자외선 복사, 양성자, 우주선, 기가헤르츠 내지 테라헤르츠 범위 주파수의 복사, 혹은 이들의 조합으로부터 선택된 하나 이상의 소오스를 포함하는 방법.
  8. 제 6 항에 있어서, 상기 입자 함유 운동 에너지는 중성자, 양성자, 전자, 베타 복사, 알파 복사, 중간자, 파이온, 하드론, 경입자, 바리온 및 이들의 조합으로부터 선택되는 방법.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 에너지 입자들은 중성자, 양성자, 전자, 베타 복사, 알파 복사, 중간자, 파이온, 하드론, 경입자, 바리온 및 이들의 조합으로부터 선택되는 방법.
  10. 제 1항에 있어서, 상기 나노튜브들은 탄소 나노튜브로 이루어진 방법.
  11. 제 1항에 있어서, 상기 나노튜브는 다중벽 탄소 나노튜브인 방법.
  12. 제 1항에 있어서, 상기 나노튜브는 500㎛ 내지 10cm 범위의 길이를 갖는 다중벽 탄소 나노튜브인 방법.
  13. 제 1항에 있어서, 상기 나노튜브는 2mm 내지 10mm 범위의 길이를 갖는 다중벽 탄소 나노튜브인 방법.
  14. 제 1 항에 있어서, 상기 탄소 동위원소들은 나노튜브의 내부, 다중벽 나노튜브의 벽들 사이의 공간, 하나이상의 나노튜브에 의해서 형성된 적어도 하나의 루프 내부 또는 이들의 조합 내에 위치하는 방법.
  15. 제 1 항에 있어서, 탄소 나노튜브의 다발을 형성하는 단계 및 활성화 에너지를 전기 에너지의 형태로 상기 다발에 제공하는 단계를 더 포함하는 방법.
  16. 제 13 항에 있어서, 상기 전기 에너지는 전기 펄스의 형태인 방법.
  17. 제 1항에 있어서, 상기 나노튜브들은 단부 대 단부로, 평행으로, 혹은 이들의 조합으로 정렬되는 방법.
  18. 제 1항에 있어서, 상기 나노튜브는 100nm에 이르는 내부 직경을 갖는 방법.
  19. 제 1항에 있어서, 상기 나노튜브는 절연, 금속 또는 반도체 재료 및 그러한 재료들의 조합으로 구성된 방법.
  20. 제 1항에 있어서, 상기 나노튜브들은 탄소 및 그 동소체로 필수적으로 구성되는 방법.
  21. 제 1 항에 있어서, 상기 활성화 에너지를 인가하기 전에 무기 재료의 적어도 하나의 원자층이나 분자층을 적어도 부분적으로 코팅 혹은 도핑하는 단계를 더 포함하는 방법.
  22. 제 1항에 있어서, 상기 활성화 에너지는 환경 배경 복사를 포함하는 방법.
  23. 제 22 항에 있어서, 상기 환경 배경 복사는 우주선을 포함하는 방법.
  24. 물질의 변환 방법으로서,
    나노튜브들을 수소 동위원소와 접촉시키는 단계;
    나노튜브들에 활성화 에너지를 인가시키는 단계;
    강한 입자들을 생성하는 단계; 그리고
    변형될 물질을 상기 강한 입자들에 접촉시키는 단계를 포함하는 물질의 핵변환 방법.
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