KR20140074316A - 금속 및 세라믹 나노 섬유들 - Google Patents

금속 및 세라믹 나노 섬유들 Download PDF

Info

Publication number
KR20140074316A
KR20140074316A KR1020147008334A KR20147008334A KR20140074316A KR 20140074316 A KR20140074316 A KR 20140074316A KR 1020147008334 A KR1020147008334 A KR 1020147008334A KR 20147008334 A KR20147008334 A KR 20147008334A KR 20140074316 A KR20140074316 A KR 20140074316A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
nanofibers
metal
precursor
polymer
average
Prior art date
Application number
KR1020147008334A
Other languages
English (en)
Other versions
KR101891239B1 (ko
Inventor
용락 주
나다니엘 에스. 한센
대환 조
Original Assignee
코넬 유니버시티
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 코넬 유니버시티 filed Critical 코넬 유니버시티
Publication of KR20140074316A publication Critical patent/KR20140074316A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101891239B1 publication Critical patent/KR101891239B1/ko

Links

Images

Classifications

    • D—TEXTILES; PAPER
    • D01—NATURAL OR MAN-MADE THREADS OR FIBRES; SPINNING
    • D01F—CHEMICAL FEATURES IN THE MANUFACTURE OF ARTIFICIAL FILAMENTS, THREADS, FIBRES, BRISTLES OR RIBBONS; APPARATUS SPECIALLY ADAPTED FOR THE MANUFACTURE OF CARBON FILAMENTS
    • D01F9/00—Artificial filaments or the like of other substances; Manufacture thereof; Apparatus specially adapted for the manufacture of carbon filaments
    • D01F9/08—Artificial filaments or the like of other substances; Manufacture thereof; Apparatus specially adapted for the manufacture of carbon filaments of inorganic material
    • D01F9/10—Artificial filaments or the like of other substances; Manufacture thereof; Apparatus specially adapted for the manufacture of carbon filaments of inorganic material by decomposition of organic substances
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61K—PREPARATIONS FOR MEDICAL, DENTAL OR TOILETRY PURPOSES
    • A61K31/00—Medicinal preparations containing organic active ingredients
    • A61K31/185—Acids; Anhydrides, halides or salts thereof, e.g. sulfur acids, imidic, hydrazonic or hydroximic acids
    • A61K31/19—Carboxylic acids, e.g. valproic acid
    • A61K31/20—Carboxylic acids, e.g. valproic acid having a carboxyl group bound to a chain of seven or more carbon atoms, e.g. stearic, palmitic, arachidic acids
    • A61K31/202—Carboxylic acids, e.g. valproic acid having a carboxyl group bound to a chain of seven or more carbon atoms, e.g. stearic, palmitic, arachidic acids having three or more double bonds, e.g. linolenic
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61K—PREPARATIONS FOR MEDICAL, DENTAL OR TOILETRY PURPOSES
    • A61K31/00—Medicinal preparations containing organic active ingredients
    • A61K31/21—Esters, e.g. nitroglycerine, selenocyanates
    • A61K31/215—Esters, e.g. nitroglycerine, selenocyanates of carboxylic acids
    • A61K31/22—Esters, e.g. nitroglycerine, selenocyanates of carboxylic acids of acyclic acids, e.g. pravastatin
    • A61K31/23—Esters, e.g. nitroglycerine, selenocyanates of carboxylic acids of acyclic acids, e.g. pravastatin of acids having a carboxyl group bound to a chain of seven or more carbon atoms
    • A61K31/232—Esters, e.g. nitroglycerine, selenocyanates of carboxylic acids of acyclic acids, e.g. pravastatin of acids having a carboxyl group bound to a chain of seven or more carbon atoms having three or more double bonds, e.g. etretinate
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F1/00—Metallic powder; Treatment of metallic powder, e.g. to facilitate working or to improve properties
    • B22F1/05—Metallic powder characterised by the size or surface area of the particles
    • B22F1/054—Nanosized particles
    • B22F1/0547—Nanofibres or nanotubes
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F1/00—Metallic powder; Treatment of metallic powder, e.g. to facilitate working or to improve properties
    • B22F1/07—Metallic powder characterised by particles having a nanoscale microstructure
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F9/00—Making metallic powder or suspensions thereof
    • B22F9/16—Making metallic powder or suspensions thereof using chemical processes
    • B22F9/30—Making metallic powder or suspensions thereof using chemical processes with decomposition of metal compounds, e.g. by pyrolysis
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y30/00—Nanotechnology for materials or surface science, e.g. nanocomposites
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B35/00—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/622—Forming processes; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/62227—Forming processes; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products obtaining fibres
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B35/00—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/622—Forming processes; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/62227—Forming processes; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products obtaining fibres
    • C04B35/62231—Forming processes; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products obtaining fibres based on oxide ceramics
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B35/00—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/622—Forming processes; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/62227—Forming processes; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products obtaining fibres
    • C04B35/62231—Forming processes; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products obtaining fibres based on oxide ceramics
    • C04B35/62236—Fibres based on aluminium oxide
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B35/00—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/622—Forming processes; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/62227—Forming processes; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products obtaining fibres
    • C04B35/62231—Forming processes; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products obtaining fibres based on oxide ceramics
    • C04B35/6224—Fibres based on silica
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B35/00—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/622—Forming processes; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/62227—Forming processes; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products obtaining fibres
    • C04B35/62231—Forming processes; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products obtaining fibres based on oxide ceramics
    • C04B35/6225—Fibres based on zirconium oxide, e.g. zirconates such as PZT
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B35/00—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/622—Forming processes; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/62227—Forming processes; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products obtaining fibres
    • C04B35/62231—Forming processes; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products obtaining fibres based on oxide ceramics
    • C04B35/62254—Fibres based on copper oxide
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B35/00—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/622—Forming processes; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/62227—Forming processes; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products obtaining fibres
    • C04B35/62231—Forming processes; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products obtaining fibres based on oxide ceramics
    • C04B35/62259—Fibres based on titanium oxide
    • D—TEXTILES; PAPER
    • D01—NATURAL OR MAN-MADE THREADS OR FIBRES; SPINNING
    • D01D—MECHANICAL METHODS OR APPARATUS IN THE MANUFACTURE OF ARTIFICIAL FILAMENTS, THREADS, FIBRES, BRISTLES OR RIBBONS
    • D01D5/00—Formation of filaments, threads, or the like
    • D01D5/0007—Electro-spinning
    • D—TEXTILES; PAPER
    • D01—NATURAL OR MAN-MADE THREADS OR FIBRES; SPINNING
    • D01D—MECHANICAL METHODS OR APPARATUS IN THE MANUFACTURE OF ARTIFICIAL FILAMENTS, THREADS, FIBRES, BRISTLES OR RIBBONS
    • D01D5/00—Formation of filaments, threads, or the like
    • D01D5/0007—Electro-spinning
    • D01D5/0015—Electro-spinning characterised by the initial state of the material
    • D—TEXTILES; PAPER
    • D01—NATURAL OR MAN-MADE THREADS OR FIBRES; SPINNING
    • D01D—MECHANICAL METHODS OR APPARATUS IN THE MANUFACTURE OF ARTIFICIAL FILAMENTS, THREADS, FIBRES, BRISTLES OR RIBBONS
    • D01D5/00—Formation of filaments, threads, or the like
    • D01D5/0007—Electro-spinning
    • D01D5/0015—Electro-spinning characterised by the initial state of the material
    • D01D5/003—Electro-spinning characterised by the initial state of the material the material being a polymer solution or dispersion
    • D—TEXTILES; PAPER
    • D01—NATURAL OR MAN-MADE THREADS OR FIBRES; SPINNING
    • D01F—CHEMICAL FEATURES IN THE MANUFACTURE OF ARTIFICIAL FILAMENTS, THREADS, FIBRES, BRISTLES OR RIBBONS; APPARATUS SPECIALLY ADAPTED FOR THE MANUFACTURE OF CARBON FILAMENTS
    • D01F1/00—General methods for the manufacture of artificial filaments or the like
    • D01F1/02—Addition of substances to the spinning solution or to the melt
    • D01F1/10—Other agents for modifying properties
    • D—TEXTILES; PAPER
    • D01—NATURAL OR MAN-MADE THREADS OR FIBRES; SPINNING
    • D01F—CHEMICAL FEATURES IN THE MANUFACTURE OF ARTIFICIAL FILAMENTS, THREADS, FIBRES, BRISTLES OR RIBBONS; APPARATUS SPECIALLY ADAPTED FOR THE MANUFACTURE OF CARBON FILAMENTS
    • D01F9/00—Artificial filaments or the like of other substances; Manufacture thereof; Apparatus specially adapted for the manufacture of carbon filaments
    • D01F9/08—Artificial filaments or the like of other substances; Manufacture thereof; Apparatus specially adapted for the manufacture of carbon filaments of inorganic material
    • D—TEXTILES; PAPER
    • D04—BRAIDING; LACE-MAKING; KNITTING; TRIMMINGS; NON-WOVEN FABRICS
    • D04H—MAKING TEXTILE FABRICS, e.g. FROM FIBRES OR FILAMENTARY MATERIAL; FABRICS MADE BY SUCH PROCESSES OR APPARATUS, e.g. FELTS, NON-WOVEN FABRICS; COTTON-WOOL; WADDING ; NON-WOVEN FABRICS FROM STAPLE FIBRES, FILAMENTS OR YARNS, BONDED WITH AT LEAST ONE WEB-LIKE MATERIAL DURING THEIR CONSOLIDATION
    • D04H1/00—Non-woven fabrics formed wholly or mainly of staple fibres or like relatively short fibres
    • D04H1/40—Non-woven fabrics formed wholly or mainly of staple fibres or like relatively short fibres from fleeces or layers composed of fibres without existing or potential cohesive properties
    • D04H1/42—Non-woven fabrics formed wholly or mainly of staple fibres or like relatively short fibres from fleeces or layers composed of fibres without existing or potential cohesive properties characterised by the use of certain kinds of fibres insofar as this use has no preponderant influence on the consolidation of the fleece
    • D04H1/4209—Inorganic fibres
    • D04H1/4234—Metal fibres
    • D—TEXTILES; PAPER
    • D04—BRAIDING; LACE-MAKING; KNITTING; TRIMMINGS; NON-WOVEN FABRICS
    • D04H—MAKING TEXTILE FABRICS, e.g. FROM FIBRES OR FILAMENTARY MATERIAL; FABRICS MADE BY SUCH PROCESSES OR APPARATUS, e.g. FELTS, NON-WOVEN FABRICS; COTTON-WOOL; WADDING ; NON-WOVEN FABRICS FROM STAPLE FIBRES, FILAMENTS OR YARNS, BONDED WITH AT LEAST ONE WEB-LIKE MATERIAL DURING THEIR CONSOLIDATION
    • D04H1/00—Non-woven fabrics formed wholly or mainly of staple fibres or like relatively short fibres
    • D04H1/70—Non-woven fabrics formed wholly or mainly of staple fibres or like relatively short fibres characterised by the method of forming fleeces or layers, e.g. reorientation of fibres
    • D04H1/72—Non-woven fabrics formed wholly or mainly of staple fibres or like relatively short fibres characterised by the method of forming fleeces or layers, e.g. reorientation of fibres the fibres being randomly arranged
    • D04H1/728—Non-woven fabrics formed wholly or mainly of staple fibres or like relatively short fibres characterised by the method of forming fleeces or layers, e.g. reorientation of fibres the fibres being randomly arranged by electro-spinning
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01B—CABLES; CONDUCTORS; INSULATORS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR CONDUCTIVE, INSULATING OR DIELECTRIC PROPERTIES
    • H01B1/00—Conductors or conductive bodies characterised by the conductive materials; Selection of materials as conductors
    • H01B1/02—Conductors or conductive bodies characterised by the conductive materials; Selection of materials as conductors mainly consisting of metals or alloys
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01B—CABLES; CONDUCTORS; INSULATORS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR CONDUCTIVE, INSULATING OR DIELECTRIC PROPERTIES
    • H01B1/00—Conductors or conductive bodies characterised by the conductive materials; Selection of materials as conductors
    • H01B1/02—Conductors or conductive bodies characterised by the conductive materials; Selection of materials as conductors mainly consisting of metals or alloys
    • H01B1/026—Alloys based on copper
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01B—CABLES; CONDUCTORS; INSULATORS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR CONDUCTIVE, INSULATING OR DIELECTRIC PROPERTIES
    • H01B1/00—Conductors or conductive bodies characterised by the conductive materials; Selection of materials as conductors
    • H01B1/06—Conductors or conductive bodies characterised by the conductive materials; Selection of materials as conductors mainly consisting of other non-metallic substances
    • H01B1/08—Conductors or conductive bodies characterised by the conductive materials; Selection of materials as conductors mainly consisting of other non-metallic substances oxides
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/02—Composition of constituents of the starting material or of secondary phases of the final product
    • C04B2235/30—Constituents and secondary phases not being of a fibrous nature
    • C04B2235/40—Metallic constituents or additives not added as binding phase
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/02—Composition of constituents of the starting material or of secondary phases of the final product
    • C04B2235/30—Constituents and secondary phases not being of a fibrous nature
    • C04B2235/44—Metal salt constituents or additives chosen for the nature of the anions, e.g. hydrides or acetylacetonate
    • C04B2235/441—Alkoxides, e.g. methoxide, tert-butoxide
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/02—Composition of constituents of the starting material or of secondary phases of the final product
    • C04B2235/30—Constituents and secondary phases not being of a fibrous nature
    • C04B2235/44—Metal salt constituents or additives chosen for the nature of the anions, e.g. hydrides or acetylacetonate
    • C04B2235/443—Nitrates or nitrites
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/02—Composition of constituents of the starting material or of secondary phases of the final product
    • C04B2235/30—Constituents and secondary phases not being of a fibrous nature
    • C04B2235/44—Metal salt constituents or additives chosen for the nature of the anions, e.g. hydrides or acetylacetonate
    • C04B2235/444—Halide containing anions, e.g. bromide, iodate, chlorite
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/02—Composition of constituents of the starting material or of secondary phases of the final product
    • C04B2235/30—Constituents and secondary phases not being of a fibrous nature
    • C04B2235/44—Metal salt constituents or additives chosen for the nature of the anions, e.g. hydrides or acetylacetonate
    • C04B2235/449—Organic acids, e.g. EDTA, citrate, acetate, oxalate
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/02—Composition of constituents of the starting material or of secondary phases of the final product
    • C04B2235/50—Constituents or additives of the starting mixture chosen for their shape or used because of their shape or their physical appearance
    • C04B2235/52—Constituents or additives characterised by their shapes
    • C04B2235/5208—Fibers
    • C04B2235/526—Fibers characterised by the length of the fibers
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/02—Composition of constituents of the starting material or of secondary phases of the final product
    • C04B2235/50—Constituents or additives of the starting mixture chosen for their shape or used because of their shape or their physical appearance
    • C04B2235/52—Constituents or additives characterised by their shapes
    • C04B2235/5208—Fibers
    • C04B2235/5264—Fibers characterised by the diameter of the fibers
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/02—Composition of constituents of the starting material or of secondary phases of the final product
    • C04B2235/50—Constituents or additives of the starting mixture chosen for their shape or used because of their shape or their physical appearance
    • C04B2235/52—Constituents or additives characterised by their shapes
    • C04B2235/5296—Constituents or additives characterised by their shapes with a defined aspect ratio, e.g. indicating sphericity

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Ceramic Engineering (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Structural Engineering (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Textile Engineering (AREA)
  • Nanotechnology (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Public Health (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Veterinary Medicine (AREA)
  • Animal Behavior & Ethology (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Epidemiology (AREA)
  • Medicinal Chemistry (AREA)
  • Pharmacology & Pharmacy (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Composite Materials (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • Emergency Medicine (AREA)
  • Dispersion Chemistry (AREA)
  • Inorganic Fibers (AREA)
  • Spinning Methods And Devices For Manufacturing Artificial Fibers (AREA)
  • Nonwoven Fabrics (AREA)
  • Artificial Filaments (AREA)
  • Manufacture Of Metal Powder And Suspensions Thereof (AREA)
  • Compounds Of Iron (AREA)
  • Inorganic Compounds Of Heavy Metals (AREA)
  • Compounds Of Alkaline-Earth Elements, Aluminum Or Rare-Earth Metals (AREA)
  • Non-Insulated Conductors (AREA)
  • Compositions Of Oxide Ceramics (AREA)

Abstract

나노 섬유들(nanofibers) 및 나노 섬유들을 제조하기 위한 방법들이 여기에 제공된다. 어떤 예들에서, 상기 나노 섬유들은 금속 및/또는 세라믹 나노 섬유들이다. 어떤 실시 예들에서, 상기 나노 섬유들은 고품질, 고성능 나노 섬유들, 매우 연속적인 나노 섬유들, 또는 이와 유사한 것이다. 어떤 실시 예들에서, 상기 나노 섬유들은 증가된 코히어런스(coherence), 증가된 길이, 거의 없는 공동들(voids) 및/또는 결함들(defects), 및/또는 다른 유리한 특성들을 가진다. 어떤 예들에서, 나노 섬유들이 유체 원료(fluid stock) 내에 높은 로딩(loading)의 나노 섬유 전구체(precursor)를 가지는 상기 유체 원료를 전자 방사(electrospinning)함으로써 생성된다. 어떤 예들에서, 상기 유체 원료는 유체 원료 내에 잘 혼합된 및/또는 균일하게 분포된 전구체를 포함한다. 어떤 예들에서, 상기 유체 원료는 공동들과 결함들을 거의 가지지 않고 길거나 조정 가능한 길이 등을 가지는 나노 섬유로 변환된다.

Description

금속 및 세라믹 나노 섬유들{METAL AND CERAMIC NANOFIBERS}
상호 참조 문헌
본 출원은 2011.8.30.자로 출원된 미국 가출원 번호 61/528,895호와 2012.4.20.자로 출원된 61/636,095호의 혜택을 요구하고, 이 둘 모두는 전체로 참조에 의해 여기에 포함된다.
세라믹과 금속 나노 섬유들(ceramic and metallic nanofibers)은, 고성능 여과, 화학적 감지, 생물의학 공학 및 재생가능 에너지를 포함하는 광범위한 분야에서 응용들을 위한 잠재력을 가지고 있다. 세라믹과 금속 나노 섬유들을 생성하는 이전의 방법들은 폴리머 바인더(polymer binder)와 함께 또는 없이 졸-겔 전구체들(sol-gel precursors)의 전자 방사(eletrospinning)를 포함한다. 그러나 이러한 졸-겔 방법에 의해 생성된 나노 섬유들은 낮은 성능 및 빈약한 코히어런스(poor coherence)과 같은 많은 불리한 점들을 가지고 있어서, 많은 응용들에 부적당하게 한다.
여기에서 나노 섬유들 및 나노 섬유들을 생성하기 위한 방법들이 제공된다. 어떤 예들에서, 나노 섬유들은 금속, 금속 산화물, 및/또는 세라믹 나노 섬유들이다. 어떤 실시 예들에서, 나노 섬유들은 고품질 나노 섬유들, 고성능 나노 섬유들, 고 코히어런스 나노 섬유들, 고 연속 나노 섬유들 등이다. 어떤 실시 예들에서, 나노 섬유들은 코히어런트하고, 길고, 빈공간(voids) 및/또는 결함(defects)을 거의 가지고 있지 않고, 및/또는 금속 및/또는 세라믹 결정 크기들의 유연한 제어와 같은 다른 이로운 특성들을 가진다. 어떤 예들에서, 나노 섬유들은 유체 공급 원료(fluid feed stock)내 고농도의 세라믹 또는 금속 전구체를 포함하는 유체 원료(fluid stok)를 전자 방사함으로써 생성된다. 어떤 예들에서, 이 유체 원료는 상기 유체 원료 내에 잘 혼합된 또는 실질적으로 균일하게 분포된 전구체를 포함한다. 어떤 실시 예들에서, 이 유체 원료는 무 빈공간들, 무 결함들, 길거나 조정가능한 길이, 등을 포함하는 나노 섬유로 변환된다.
여기에 있는 어떤 실시 예들에서, 하나 이상의 나노 섬유를 생성하는 방법이 제공되고, 상기 방법은 유체 원료를 전자 방사하는 단계를 포함하고, 상기 유체 원료는 금속 전구체(들)(metal precursor(s)) 및 폴리머(polymer)를 포함하고,
a. 상기 전구체(들) 대 폴리머의 중량 대 중량비는 적어도 1:2;
b. 상기 유체 원료는 물을 함유하고(aqueous);
c. 상기 전구체(들)은 적어도 200mM의 농도로 상기 유체 원료에 존재하고; 또는
d. 이들의 어떤 조합이다.
특정 실시 예들에서, 상기 유체 원료는 (1) 용액; (2) 실질적으로 균일한 분산(uniform dispersion)(예들 들어, 상기 전구체들의); 또는 (3) 실질적으로 균질한 분산(homogeneous dispersion)(예들 들어, 상기 전구체들의 균질한 분산)이다. 추가의 또는 대안적인 실시 예들에서, 상기 유체 원료내 상기 전구체(들) 대 폴리머의 중량 대 중량비는 적어도 1:2(예들 들어, 1:2 이상)이고 상기 유체 원료는 물을 함유한다. 특정 실시 예들에서, 상기 전구체(들) 대 폴리머의 중량 대 중량비는 적어도 1:1이다. 추가의 또는 대안적인 실시 예들에서, 상기 유체 원료는 상기 전구체(들) 및 상기 폴리머를 포함하는 유체 원료를 형성하기 위하여 시약 전구체(들)(reagent precursors), 시약 폴리머(들)(reagent polymers) 및 물(water)을 조합함으로써(combining) 제조되고, 여기에서 상기 시약 전구체(들) 및 시약 폴리머(들)은 1:2 이상의 중량 대 중량비로 조합된다. 특정 실시 예들에서, 상기 시약 전구체(들) 및 시약 폴리머(들)은 적어도 1:1의 중량 대 중량비로 조합된다. 추가의 또는 대안적인 실시 예들에서, 상기 하나 이상의 전구체(들)은 상기 유체원료에서 폴리머-전구체 회합(polymer-precursor association)으로 존재한다. 특정 실시 예들에서, 상기 폴리머의 적어도 50%는 전구체 분자들로 포화된다(saturated with precursor molecules). 추가의 또는 대안적인 실시 예들에서, 상기 전구체 분자들의 적어도 50%는 폴리머와 회합된다(associated). 추가의 또는 대안적인 실시 예들에서, 상기 전구체(들)은 적어도 200mM의 농도로 상기 유체 원료에 존재한다(예들 들어, 200mM 이상, 적어도 250mM, 등). 특정 실시 예들에서, 상기 유체 원료에서 상기 전구체(들) 농도는 적어도 250mM이다. 더 특정된 실시 예들에서, 상기 유체 원료에서 상기 전구체(들) 농도는 적어도 300mM이다. 추가의 또는 대안적인 실시 예들에서, 상기 금속 전구체(들)은 금속-리간드 착물(metal-ligand complex)을 포함한다. 특정 실시 예들에서, 상기 금속-리간드 착물은 상기 폴리머와 회합한다. 추가의 또는 대안적인 실시 예들에서, 상기 금속 전구체는 Ag, Cu, Ni, Fe, Co, Pb, Au, Sn, Al, Zr, Li, Mn, Cr, Be, Cd, Si, Ti, V, Hf, Sr, Ba, Ge, 및 이들의 조합들로 이루어진 그룹으로부터 선택된 금속을 포함한다. 추가의 또는 대안적인 실시 예들에서, 상기 금속 전구체는 전이 금속(transition metal) 또는 메탈로이드(metalloid)를 포함한다. 추가의 또는 대안적인 실시 예들에서, 상기 금속 전구체는 카복실레이트(carboxylate), 나이트레이트(nitrate), 할라이드(halide), 디케톤(diketone), 알콕사이드(alkoxide), 및 이들의 조합물로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나 이상의 리간드를 포함하는 금속-리간드 착물이다. 추가의 또는 대안적인 실시 예들에서, 상기 시약 전구체, 상기 유체 원료의 전구체, 또는 이 모두는 하나 이상의 금속 아세테이트(metal acetate), 금속 나이트레이트 (metal nitrate), 금속 클로라이드(metal chloride), 금속 메톡사이드(metal methoxide), 또는 이들의 조합을 포함한다. 추가의 또는 대안적인 실시 예들에서, 상기 폴리머는 폴리비닐 알코올(polyvinyl alcohol(PVA)), 폴리비닐 아세테이트(polyvinyl acetate(PVAc)), 폴리에틸렌 옥사이드(polyethylene oxide(PEO)), 폴리비닐 에테르(polyvinyl ether), 폴리비닐 피롤리돈(polyvinyl pyrrolidone), 폴리글리콜산(polyglycolic acid), 하이드록시에틸셀룰로스(hydroxyethylcellulose(HEC)), 에틸셀룰로스(ethylcellulose), 셀룰로스 에테르스(cellulose ethers), 폴리아크릴산(polyacrylic acid), 폴리이소시아네이트(polyisocyanate), 또는 이들의 조합이다. 추가의 또는 대안적인 실시 예들에서, 상기 폴리머는 (i) 친수성(hydrophilic), (ⅱ) 수용성(water soluble) 또는 수팽윤성(water swellable)이다. 추가의 또는 대안적인 실시 예들에서, 상기 폴리머는 열적으로 및/또는 화학적으로 분해할 수 있다(degradable). 추가의 또는 대안적인 실시 예들에서, 상기 폴리머는 복수의 친핵성 모이어티들(nuleophilic moieties)을 포함하는 폴리머이고, 상기 시약 전구체는 친전자성이다(electrophilic). 어떤 실시 예들에서, 상기 폴리머는 복수의 친전자성 모이어티들을 포함하는 폴리머이고, 상기 시약 전구체는 친핵성이다. 어떤 실시 예들에서, 상기 유체 원료를 전자방사하는 단계는 금속 전구체와 폴리머를 포함하는 전자방사된 나노섬유 재료(electrospun nanofiber material)의 형성을 결과로서 가져온다. 추가의 또는 대안적인 실시 예들에서, 상기 방법은 하소된 나노섬유(calcinated nanofiber)를 제조하기 위해 상기 전자방사된 재료를 처리(하소)하는(calcining) 단계를 더 포함한다. 특정 실시 예들에서, 상기 전자방사된 재료를 처리(하소)하는 단계는 상기 전자방사된 재료를 열적으로 처리하는 단계, 상기 전자방사된 재료를 화학적으로 처리하는 단계, 또는 이 모두를 포함한다. 추가의 또는 대안적인 실시 예들에서, 상기 방법은 상기 전자방사된 재료로부터 폴리머를 제거하는(예를 들어, 하소에 의해) 단계를 더 포함한다. 특정 실시 예들에서, 상기 전자방사된 재료를 하소하는 단계(예들 들어, 불활성 또는 환원 조건들 하에서)는 금속 전구체를 금속으로 변환시킨다. 추가의 또는 대안적인 실시 예들에서, 상기 전자방사된 재료를 하소하는 단계(예들 들어, 산화 조건들 하에서)는 금속 전구체를 금속 산화물로 변환시킨다. 추가의 또는 대안적인 실시 예들에서, 상기 전자방사된 재료를 하소하는 단계(예를 들어, 산화 조건들 하에서)는 금속 전구체를 세라믹으로 변환시킨다. 추가의 또는 대안적인 실시 예들에서, 상기 전자방사된 재료를 하소하는 단계(예를 들어, 우선 산화 조건들 하에서 그리고 이어서 환원 조건들 하에서)는 제1 금속 전구체를 세라믹으로 변환시키고 제2 금속 전구체를 금속으로 변환시킨다. 추가의 또는 대안적인 실시 예들에서, 상기 방법은 산화 조건들 하에서 상기 전자방사된 재료를 하소하는 단계가 이루어지고, 이에 의해 금속 전구체를 금속 산화물(예를 들어, 세라믹 금속 산화물)로 변환시킨다. 추가의 또는 대안적인 실시 예들에서, 상기 방법은 불활성 또는 환원 조건들 하에서 전자방사된 재료를 하소하는 단계가 이루어지고, 이에 의해 금속 전구체를 금속으로 변환시킨다. 추가의 또는 대안적인 실시 예들에서, 상기 전자방사된 재료를 하소하는 단계는 상기 전자방사된 재료를 적어도 400℃의 온도(예를 들어, 적어도 500℃ 또는 적어도 600℃)까지 가열하는 단계를 포함한다. 추가의 또는 대안적인 실시 예들에서, 상기 유체 원료는 제2 유체(a second fluid)와 공동 축으로 전자 방사된다(co-axially electrospun). 특정 실시 예들에서, 상기 제2 유체는 가스(예를 들어, 공기)이다. 다른 특정 실시 예들에서, 상기 제2 유체는 제2 금속 전구체와 제2 폴리머를 포함하는 제2 유체 원료이고, 여기에서 상기 금속 전구체와 제2 금속 전구체는 동일하거나 서로 다르고, 상기 폴리머와 제2 폴리머는 동일하거나 서로 다르고, 상기 방법은 층을 이룬 나노섬유(layered nanofiber)를 생성한다(선택적으로 가스, 예를 들어 공기인 제3 유체와 공동 축으로 전자 방사하는 단계를 포함한다). 추가의 또는 대안적인 실시 예들에서, 상기 금속 전구체와 폴리머는 적어도 1:2의 중량 대 중량비(예를 들어, 적어도 1:1)로 (상기 유체 원료 또는 전구체 나노 섬유에) 존재한다. 추가의 또는 대안적인 실시 예들에서, 여기에 기술된 어떤 방법에 따라 제조된 나노 섬유가 제공된다. 어떤 실시 예들에서, 여기에서 기술된 어떤 방법에 의해 제조된 또는 제조될 수 있는 나노 섬유가 여기에 제공된다. 특정 실시 예들에서, 상기 나노 섬유는 하소 전에 제조된 또는 제조될 수 있는 전구체 또는 전자 방사된 나노 섬유이다. 다른 특정 실시 예들에서, 상기 나노 섬유는 하소를 뒤따라 제조된 또는 제조될 수 있는 나노 섬유를 함유하는 금속, 금속 산화물, 또는 세라믹이다.
어떤 실시 예들에서, 폴리머(예를 들어, 유기 폴리머)와 금속 전구체를 포함하는 전구체 나노 섬유(precursor nanofiber)가 여기에 제공된다. 어떤 실시 예들에서, 상기 전구체 나노 섬유는 높은 금속 전구체 로딩(high metal precursor loading)(예를 들어, 1:2, 금속 전구체 : 폴리머; 1:2 이상; 적어도 1:1.75; 적어도 1:1.5; 적어도 1;1; 또는 기타 등)을 가진다. 어떤 실시 예들에서, 상기 전구체 (즉, 전자 방사된) 나노 섬유(예를 들어, 여기에서 기술된 어떤 방법에 따라 제조된)는 유기 폴리머 및 금속 전구체의 중량으로 적어도 90%를 포함한다. 추가의 또는 대안적인 실시 예들에서, 상기 전구체 (즉, 전자 방사된) 나노 섬유는 적어도 5 원소 중량 %의 금속(5 elemental wt. % metal)(예들 들어, 적어도 10 원소 중량 %, 또는 적어도 15 원소 중량 %의 금속을 포함한다.
어떤 실시 예들에서, 금속, 금속 산화물, 세라믹, 또는 이들의 조합을 포함하는 나노 섬유 또는 복수의 나노 섬유들이 여기에 제공되고,
a. 상기 나노 섬유들은 적어도 50 ㎛(예들 들어, 적어도 100 ㎛)의 길이(예들 들어, 평균으로)이거나;
b. 상기 나노 섬유들은 적어도 약 10의 (예를 들어, 평균) 애스펙트 비(aspect ratio)(예들 들어, 적어도 약 100)를 가지거나;
c. 상기 나노 섬유들은 금속, 금속 산화물, 세라믹, 또는 이들 조합의 연속적인 매트릭스(a continuous matrix)를 포함하거나(예들 들어, 상기 연속적인 매트릭스는 상기 나노 섬유 길이의 예들 들어, 평균으로, 적어도 80%; 또는 상기 나노 섬유 길이의 적어도 90%; 또는 상기 나노 섬유 길이의 적어도 95%를 따라 흐른다(running),
d. 상기 나노 섬유들은 1 ㎡/g 및 1000 ㎡/g 사이의 평균 비표면적(average specific surface area)을 가지거나; 또는
e. 이들의 조합이다.
특정 실시 예들에서, 상기 나노 섬유들은 특징 (a)를 가진다. 추가의 또는 대안적인 실시 예들에서, 상기 나노 섬유들은 특징 (b)를 가진다. 추가의 또는 대안적인 실시 예들에서, 상기 나노 섬유들은 특징 (c)를 가진다. 추가의 또는 대안적인 실시 예들에서, 상기 나노 섬유들은 특징 (d)를 가진다. 특정 실시 예들에서, 상기 나노 섬유들은 특징 (a) 및 (b)를 가진다. 다른 특정 실시 예들에서, 상기 나노 섬유들은 특징 (b) 및 (c)를 가진다. 또 따른 실시 예들에서, 상기 나노 섬유들은 특징 (a), (b) 및 (c)를 가진다. 어떤 실시 예들에서, 상기 나노 섬유들은 적어도 33%(w/w)(예를 들어, 평균)의 금속, 금속 산화물, 세라믹, 또는 함께 취해지거나, 이들 조합을 포함한다. 추가의 또는 대안적인 실시 예들에서, 상기 나노 섬유들은 적어도 90 원소 중량 %의 금속(예를 들어, 평균으로)을 포함하는 금속 나노 섬유들(metal nanofibers)이다. 추가의 또는 대안적인 실시 예들에서, 상기 나노 섬유들은 적어도 90%의 금속 산화물(예를 들어, 평균으로) 및 적어도 30 원소 중량 %의 금속(예를 들어, 평균으로)을 포함하는 금속 산화물 나노 섬유들(metal oxide nanofibers)이다. 추가의 또는 대안적인 실시 예들에서, 상기 나노 섬유들은 적어도 90%의 세라믹(예를 들어, 평균으로) 및 적어도 30 원소 중량 %의 금속(예들 들어, 평균으로)을 포함하는 세라믹 나노 섬유들(ceramic nanofibers)이다. 추가의 또는 대안적인 실시 예들에서, 상기 나노 섬유들은 적어도 90%의 금속 합금(예를 들어, 평균으로) 및 적어도 30 원소 중량 %의 금속(예를 들어, 평균으로)을 포함하는 금속 합금 나노 섬유들(metal alloy nanofibers)이다. 추가의 또는 대안적인 실시 예들에서, 상기 나노 섬유들은 제1 재료 및 제2 재료를 포함하는 복합 나노 섬유들(composite nanofibers)이고, 상기 제1 재료는 연속 매트릭스 재료(continuous matrix material)이고, 상기 제1 재료 및 제2 재료 중 하나 또는 모두는 금속, 금속 산화물, 세라믹, 또는 이들의 조합이다. 추가의 또는 대안적인 실시 예들에서, 상기 제2 재료는 제2 연속적인 매트릭스 재료(예를 들어, 상기 제1 및 제2 연속적인 매트릭스 재료들은 동축의 층들(coaxial layers)이다)이다. 다른 실시 예들에서, 상기 제2 재료는 상기 나노 섬유들의 절연된 영역들(isolated domains)을 포함한다. 추가의 또는 대안적인 실시 예들에서, 상기 제1 및 제2 재료들 중 하나 또는 모두는 금속을 포함하고 상기 나노 섬유들은 평균 적어도 20 원소 중량 %의 금속(예들 들어, 적어도 20 원소 중량 %의 금속)(예를 들어, 평균으로)을 포함한다. 추가의 또는 대안적인 실시 예들에서, 상기 제1 재료는 세라믹이고 상기 제2 재료는 금속이다. 대안적인 실시 예들에서, 상기 제1 재료는 금속이고 상기 제2 재료는 금속이다. 대안적인 실시 예들에서, 상기 제1 재료는 세라믹이고 상기 제2 재료는 세라믹이다. 추가의 또는 대안적인 실시 예들에서, 상기 나노 섬유들은 적어도 30 원소 중량 %의 금속(예들 들어, 평균으로)을 포함한다. 특정 실시 예들에서, 상기 나노 섬유들은 적어도 50 원소 중량 %의 금속(예들 들어, 평균으로)을 포함한다. 추가의 또는 대안적인 실시 예들에서, (상기 금속, 금속 산화물, 세라믹 또는 기타 등 중의) 상기 금속은 Ag, Cu, Ni, Fe, Co, Pb, Au, Sn, Al, 및 이들의 조합들로 구성된 그룹으로부터 선택된다. 특정 실시 예들에서, 상기 금속 성분(metal component)은 Al2O3, ZrO2, Fe2O3, CuO, NiO, ZnO, CdO, C, Ge, Si, SiO2, TiO2, V2O5, VO2, Fe3O4, SnO, SnO2, CoO, CoO2, Co3O4, HfO2, BaTiO3, SrTiO3, 및 BaSrTiO3로 구성된 그룹으로부터 선택된 세라믹 또는 금속 산화물을 포함한다. 추가의 또는 대안적인 실시 예들에서, 상기 나노 섬유들은 금속-비금속 합금을 포함한다. 추가의 또는 대안적인 실시 예들에서, 상기 나노 섬유들은 전도성 재료(conductive material)를 포함하고, 여기에서 상기 나노 섬유들은 시트(sheet)로 형성되었을 때 상기 전도성 재료의 전도도와 비교할 때 적어도 약 10%의 전도도(예들 들어, 평균으로)를 가진다. 추가의 또는 대안적인 실시 예들에서, 상기 나노 섬유들은 비정질 세라믹의 연속적인 매트릭스(a continuous matrix of amorphous ceramic)를 포함하고, 적어도 0.075MPa/nm의 극한강도 대 직경 비(average ultimate strength-to-diameter ratio)(예들 들어, 평균으로); 적어도 0.15GPa/nm의 영률 대 직경 비(average Young's modulus-to-diameter ratio)(예들 들어, 평균으로); 및 적어도 0.6MPa·m½의 파괴 인성(average fracture toughness) (예들 들어, 평균으로)을 포함한다. 추가의 또는 대안적인 실시 예들에서, 상기 나노 섬유들은 비정질 세라믹의 연속적인 매트릭스를 포함하고, 적어도 0.15MPa/nm의 극한강도 대 직경 비(예들 들어, 평균으로); 적어도 0.3GPa/nm의 영률 대 직경 비(예들 들어, 평균으로); 및 적어도 0.7MPa·m½의 파괴 인성(예들 들어, 평균으로)을 포함한다. 어떤 실시 예들에서, 상기 나노 섬유들은 결정질 세라믹의 연속적인 매트릭스(a continuous matrix of crystalline ceramic)를 포함하고, 적어도 5MPa/nm의 극한강도 대 직경 비(예들 들어, 평균으로); 및 적어도 1.5GPa/nm의 영률 대 직경 비(예들 들어, 평균으로)를 포함한다. 어떤 실시 예들에서, 상기 나노 섬유들은 결정질 세라믹의 연속적인 매트릭스를 포함하고, 적어도 12.5MPa/nm의 극한강도 대 직경 비(예들 들어, 평균으로); 및 적어도 4GPa/nm의 영률 대 직경 비(예들 들어, 평균으로)를 포함한다. 추가의 또는 대안적인 실시 예들에서, 상기 나노 섬유들은 적어도 1.8MPa·m½의 파괴 인성(예들 들어, 평균으로)을 가진다. 어떤 실시 예들에서, 상기 나노 섬유들은 금속의 연속적인 매트릭스를 포함하고, 적어도 0.35MPa/nm의 극한강도 대 직경 비(예들 들어, 평균으로) 및 적어도 1.1GPa/nm의 영률 대 직경 비(예들 들어, 평균으로)를 가진다. 어떤 실시 예들에서, 상기 나노 섬유들은 금속의 연속적인 매트릭스를 포함하고, 적어도 0.9MPa/nm의 극한강도 대 직경 비(예들 들어, 평균으로) 및 적어도 2.9GPa/nm의 영률 대 직경 비(예들 들어, 평균으로)를 가진다. 추가의 또는 대안적인 실시 예들에서, 상기 나노 섬유들은 적어도 3.5MPa·m½의 파괴 인성(예들 들어, 평균으로)을 가진다. 추가의 또는 대안적인 실시 예들에서, 상기 나노 섬유들은 대량 재료(bulk material)로 약 0.8의 log(S/m) 대 log(S/m) 비(log(S/m) to log(S/m) ratio)(예들 들어, 적어도 0.9)(예들 들어, 평균으로)를 가진다. 추가의 또는 대안적인 실시 예들에서, 상기 나노 섬유들은 적어도 50미크론의 길이(예들 들어, 평균으로)를 가진다. 추가의 또는 대안적인 실시 예들에서, 상기 나노 섬유들은 500nm이하의 직경(예들 들어, 평균으로)을 가진다. 추가의 또는 대안적인 실시 예들에서, 상기 나노 섬유들은 적어도 1000의 애스펙트 비(aspect ratio)(예들 들어, 평균으로)를 가진다. 추가의 또는 대안적인 실시 예들에서, 상기 나노 섬유들은 원소 질량으로 5%이하의 탄소(예를 들어, 3% 이하, 또는 1% 이하)를 포함한다. 추가의 또는 대안적인 실시 예들에서, 상기 나노 섬유들은 (예들 들어, 평균으로) 나노 섬유의 길이 mm당 100 이하의 결함들(예들 들어, 50 이하, 10 이하, 또는 5 이하)을 가진다.
어떤 실시 예들에서, 여기에서 기술된 상기 나노 섬유들은 센서(sensor), 배터리(battery), 연료 전지(fuel cell), 태양 전지(solar cell), 울트라 커패시터(ultracapacitor), 촉매(catalyst), 막(membrane), 또는 전극(electrode)에서 사용된다.
여기에서 하나 이상의 재료를 포함하는 중공 나노 섬유들(hollow nanofibers)과 다축성 나노 섬유들(multi-axial nanofibers)을 포함하는 하이브리드 나노섬유들(hybrid nanofibers)이 기술된다. 여기에 고품질 나노 섬유들과, 전기화학 디바이스들(예를 들어, 배터리들 및 태양전지들), 첨단 여과, 촉매 작용, 및 유사한 것 등과 같은 응용들에 적당한 고품질 나노 섬유들을 방법들이 제공된다. 어떤 예들에서, 여기에서 기술된 방법들에 따라 제공된 또는 제조된 나노 섬유들은 상업적으로 성공할 수 있는 충분히 낮은 비용으로 제조된다. 본 개시는 하이브리드 및 중공 나노 섬유들, 많은 유형의 응용들에서의 이용, 나노 섬유를 포함하는 디바이스들, 나노 섬유를 포함하는 디바이스들의 이용, 및 기타 이와 유사한 것 등을 포함한다.
한 양상에서, 나노 섬유를 생성하기 위한 방법이 여기에 기술된다. 어떤 실시 예들에서, 상기 방법은 유체 원료를 전자 방사하는 단계를 포함한다. 상기 유체 원료는 금속 및/또는 세라믹 전구체 및 폴리머를 포함한다. 하나의 실시 예에서, 상기 전구체 대 폴리머의 중량 대 중량비는 적어도 1:2이다. 어떤 실시 예들에서, 상기 폴리머는 수용성이다(water soluble).
또 다른 양상에서, 나노 섬유들을 생성하는 방법이 여기에 기술된다. 이 방법은 유체 원료를 전자 방사하는 단계를 포함하고, 상기 유체 원료는 금속 전구체(들) 및 폴리머를 포함한다. 어떤 실시 예들에서, 상기 유체 원료는 (1) 용액; (2) 실질적으로 균일한 분산(uniform dispersion)(예들 들어, 상기 전구체들의); 또는 (3) 실질적으로 균질한 분산(homogeneous dispersion)(예들 들어, 상기 전구체들의)이다.
한 양상에서, 나노 섬유를 생성하는 방법이 여기에 기술된다. 이 방법은 제1 유체를 제2 유체로 전자 방사하는 단계를 포함하고, 상기 제1 및 제2 유체들 중 적어도 하나는 물을 함유하는 유체(aqueous fluid)이다. 어떤 실시 예들에서, 상기 제1 및 제2 유체들은 동일 또는 유사한 축으로 전자 방사된다. 어떤 실시 예들에서, 제1 유체는 물, 수용성 폴리머, 및 금속 전구체를 포함하는 물 함유 유체(aqueous fluid)이다. 어떤 실시 예들에서, 제2 유체는 물, 수용성 폴리머, 및 제2 금속 및/또는 세라믹 전구체를 포함하는 제2 물 함유 유체이고, 여기에서 상기 제2 유체의 수용성 폴리머는 상기 제1 유체의 수용성 폴리머와 같거나 또는 서로 다르다.
한 양상에서, 나노 섬유를 생성하는 방법이 여기에 기술되고, 이 방법은 물 함유 유체 원료(aqueous fluid stock) 및 제2 유체를 다축으로 전자 방사(multi-axially electrospinning)하는 단계를 포함한다. 어떤 실시 예들에서, 상기 물 함유 유체 원료는 물, 수용성 폴리머, 및 금속 및/또는 세라믹 전구체를 포함한다. 어떤 실시 예들에서, 상기 제2 유체는 제2 물 함유 유체 원료이다. 어떤 실시 예들에서, 상기 제2 유체는 상기 물 함유 유체 원료를 적어도 부분적으로 둘러싼다. 어떤 실시 예들에서, 상기 물 함유 유체 원료는 상기 제2 유체를 적어도 부분적으로 둘러싼다.
한 양상에서, 나노 섬유를 생성하는 방법이 여기에 기술되고, 이 방법은 금속 전구체, 세라믹 전구체, 또는 이들의 조합을 포함하는 유체 원료를 전자 방사하는 단계를 포함하며, 여기에서 (a) 상기 유체 원료는 물을 함유하거나; (b) 상기 유체원료 내 상기 전구체의 농도는 적어도 200mM이거나; 또는 (a) 및 (b) 모두이다.
어떤 실시 예들에서, 상기 유체 원료는 수용성 폴리머를 포함한다. 어떤 실시 예들에서, 상기 전구체는 상기 수용성 폴리머에 결합한다(bind). 어떤 실시 예들에서, 상기 전자 방사하는 단계는 상기 유체 원료를 가스 또는 제2 유체 원료와 다축으로 전자 방사하는 단계를 포함한다. 어떤 실시 예들에서, 상기 유체 원료는 물을 함유하지 않는 용매(non-aqueous solvent)를 포함한다. 어떤 실시 예들에서, 상기 유체 원료는 테트라하이드로푸란(tetrahydrofuran(THF)) 및 폴리스티렌(polystyrene(PS))를 포함한다.
한 양상에서, 나노 섬유를 생성하는 방법이 여기에 기술되고, 이 방법은 전바 방사된 재료로 유체 원료를 전자 방사하는 단계를 포함하며, 상기 유체 원료는 폴리머와 전구체를 포함하고, 상기 전구체는 (i) 금속 전구체, (ⅱ) 세라믹 전구체, 또는 (ⅲ) 이들의 조합을 포함하고, 및: (a) 상기 전구체 대 폴리머의 중량 대 중량비는 적어도 1:2; (b) 상기 유체는 (1) 용액; (2) 실질적으로 균일한 분산; 또는 (3) 실질적으로 균질한 분산이고; (c) 상기 유체 원료에서 상기 전구체의 농도는 적어도 200mM; 또는 (d) 이들의 조합이다.
어떤 실시 예들에서, 상기 유체 원료는 물 함유 유체 원료이다.
어떤 실시 예들에서, 상기 방법은 상기 전자 방사된 재료로부터 폴리머를 제거하는 단계를 더 포함한다.
어떤 실시 예들에서, 상기 방법은 상기 전구체를 금속, 금속 산화물, 금소합금, 세라믹, 또는 이들의 조합으로 하소하는 것(calcination)을 포함한다.
어떤 실시 예들에서, 상기 금속 및/또는 세라믹 전구체(들)의 하소는 불활성, 산화, 또는 환원 조건들 하에서 수행된다.
어떤 실시 예들에서, 상기 금속은 Ag, Cu, Ni, Fe, Co, Pb, Au, Sn, 및 Al로 구성된 그룹으로부터 선택된다.
어떤 실시 예들에서, 세라믹 또는 금속 산화물은 산화물은 Al2O3, ZrO2, Fe2O3, CuO, NiO, ZnO, CdO, C, Ge, Si, SiO2, TiO2, V2O5, VO2, Fe3O4, SnO, SnO2, CoO, CoO2, Co3O4, HfO2, BaTiO3, SrTiO3, 및 BaSrTiO3로 구성된 그룹으로부터 선택된다.
어떤 실시 예들에서, 상기 유체 원료는 공유 또는 비공유 상화 작용들(covalent or non-covalent interactions)에 의해 상기 폴리머와 회합된 전구체를 포함한다.
어떤 실시 예들에서, 함께 취해진 상기 폴리머와 전구체는 상기 유체 원료의 약 1 중량% 내지 약 20 중량%를 포함한다.
어떤 실시 예들에서, 상기 금속 전구체는 금속-리간드 착물(metal-ligand complex)를 포함한다.
어떤 실시 예들에서, 상기 금속-리간드 착물은 금속 아세테이트(metal acetate), 금속 나이트레이트 (metal nitrate), 금속 클로라이드(metal chloride), 또는 금속 알코 옥사이드(metal alko-oxide)이다.
어떤 실시 예들에서, 상기 폴리머는 열적으로 분해가능하거나 화학적으로 분해가능한 폴리머이다.
어떤 실시 예들에서, 상기 폴리머는 폴리비닐 알코올(polyvinyl alcohol), 폴리비닐 아세테이트(polyvinyl acetate), 폴리비닐 에테르(polyvinyl ether), 폴리비닐 피롤리돈(polyvinyl pyrrolidone), 폴리글리콜산(polyglycolic acid), 폴리에틸렌 옥사이드(polyethylene oxide), 하이드록시에틸셀룰로스(hydroxyethylcellulose(HEC)), 에틸셀룰로스(ethylcellulose), 셀룰로스 에테르스(cellulose ethers), 폴리아크릴산(polyacrylic acid), 폴리이소시아네이트(polyisocyanate), 또는 이들의 조합이다.
어떤 실시 예들에서, 상기 유체 원료를 전자 방사하는 방법은 층을 이룬 나노 섬유(layered nanofiber)를 생성하기 위하여 동일 또는 유사한 축(axis)으로 상기 유체 원료를 제2 유체 원료로 전자 방사하는 단계를 포함한다.
한 양상에서, 금속, 금속 산화물, 금속 합금, 세라믹, 금속 전구체, 세라믹 전구체 또는 이들의 조합을 포함하는 나노 섬유가 여기에 기술되고, (a) 상기 나노 섬유는 평균적으로 적어도 1 ㎛의 길이(예들 들어, 적어도 50 ㎛)이거나; (b) 상기 나노 섬유들은 적어도 약 5의 애스펙트 비(aspect ratio) (예를 들어, 적어도 10, 적어도 100, 적어도 1000, 또는 기타 등)를 가지거나; (c) 상기 나노 섬유는 금속, 금속 산화물, 금속 합금, 세라믹, 또는 이들 조합의 연속적인 매트릭스(a continuous matrix)를 포함하는 세그먼트(segment)를 포함하거나; (d) 상기 나노 섬유는 약 1 ㎡/g 및 약 1000 ㎡/g 사이의 비표면적(specific surface area)을 가지거나; 또는 (e) 이들의 조합이다. 어떤 실시 예들에서, 상기 나노 섬유는 적어도 33%(w/w)의 금속, 금속 산화물, 금속 합금, 세라믹, 금속 전구체, 세라믹 전구체 또는 이들의 조합을 포함한다.
어떤 실시 예들에서, 상기 금속은 Ag, Cu, Ni, Fe, Co, Pb, Au, Sn, 및 Al로 구성된 그룹으로부터 선택된다.
어떤 실시 예들에서, 세라믹 또는 금속 산화물은 산화물은 Al2O3, ZrO2, Fe2O3, CuO, NiO, ZnO, CdO, C, Ge, Si, SiO2, TiO2, V2O5, VO2, Fe3O4, SnO, SnO2, CoO, CoO2, Co3O4, HfO2, BaTiO3, SrTiO3, 및 BaSrTiO3로 구성된 그룹으로부터 선택된다.
어떤 실시 예들에서, 상기 나노 섬유는 전도성 재료를 포함하고, 상기 나노 섬유는 시트(sheet)로 형성되었을 때 상기 전도성 재료의 전도도와 비교할 때 적어도 약 10%의 전도도를 가진다.
한 양상에서, 나노 섬유를 생성하는 방법이 여기에 기술되고, 이 방법은 동일 또는 유사한 축으로 제1 유체 원료를 제2 유체 원료로 전자 방사하는 단계를 포함하며, 상기 제1 유체 원료는 물을 함유하고 제1 폴리머를 포함한다.
어떤 실시 예들에서, 상기 제1 폴리머는 수용성이다.
어떤 실시 예들에서, 상기 제2 유체는 물을 함유한다.
어떤 실시 예들에서, 상기 제2 유체 원료는 제2 폴리머를 포함하고, 상기 제1 및 제2 폴리머들은 선택적으로 서로 같다.
상기와 같은 본 발명에 따르면, 본 발명은 고품질, 고성능, 고 코히어런스, 고연속 등의 금속, 금속 산화물, 및/또는 세라믹 나노 섬유들 및 그 제조방법을 제공하는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 나노 섬유들은 센서(sensor), 배터리(battery), 연료 전지(fuel cell), 태양 전지(solar cell), 울트라 커패시터(ultracapacitor), 촉매(catalyst), 막(membrane), 또는 전극(electrode) 등에서 유용하게 사용될 수 있다.
본 발명의 신규한 특징들이 첨부된 도면들에서의 독특한 요소와 함께 설명된다. 본 발명의 특징 및 이점들은, 발명의 원리들을 이용하는 예시적인 실시 예들을 설명하는 다음의 상세한 설명 및 다음의 수반하는 도면들을 참조함으로써 더 잘 이해될 것이다.
도1은 본 발명의 방법 및 시스템의 도식도를 도시한다.
도2A는 전구체-폴리머 결합의 예시적인 메커니즘을 도시한다. 도2B는 PVA에서 -OH 결합들의 포화에 미치는 Ni 전구체 로딩(loading)의 효과에 관한 FTIR 연구를 도시한다.
도3은 Ni-Ac/PVA(2:1) 피드(feed)의 전자방사로부터의 Ni 나노 섬유들의 현미경 사진(micrographs) 및 x-레이 회절 플롯(x-ray diffraction plot)을 도시한다.
도4는 Ni-Ac/PVA(2:1) 피드의 전자방사로부터의 NiO 나노 섬유들의 현미경 사진 및 x-레이 회절 플롯을 도시한다.
도5는 Cu-Ac/PVA(2:1) 용액(solution)의 전자방사로부터의 Cu 나노 섬유들의 현미경 사진 및 x-레이 회절 플롯을 도시한다.
도6은 Cu-Ac/PVA(2:1) 용액의 전자방사로부터의 CuO 나노 섬유들의 현미경 사진 및 x-레이 회절 플롯을 도시한다.
도7은 Ag-Ac/PVA(2:1) 용액의 전자방사로부터의 Ag 나노 섬유들의 현미경 사진 및 x-레이 회절 플롯을 도시한다.
도8은 Fe-Ac/PVA(2:1) 용액의 전자방사로부터의 Fe 나노 섬유들의 현미경 사진 및 x-레이 회절 플롯을 도시한다.
도9는 Zn-Ac/PVA(2:1) 용액의 전자방사로부터의 ZnO 나노 섬유들의 현미경 사진 및 x-레이 회절 플롯을 도시한다.
도10은 Cd-Ac/PVA(2:1) 용액의 전자방사로부터의 CdO 나노 섬유들의 현미경 사진 및 x-레이 회절 플롯을 도시한다.
도11은 Zr-Ac/PVA(2:1) 용액의 전자방사로부터의 ZrO2 나노 섬유들의 현미경 사진 및 x-레이 회절 플롯을 도시한다.
도12는 Pb-Ac/PVA(2:1) 용액의 전자방사로부터의 Pb 나노 섬유들의 현미경 사진 및 x-레이 회절 플롯을 도시한다.
도13은 섬유 모르폴로지(fiber morphology) (Ni-Ac/PVA=1:2, 1:1, 2:1 및 4:1)에 미치는 전구체 로딩의 효과를 보여주는 현미경 사진을 도시한다.
도14는 나노 섬유들(Ni-Ac/PVA=1:2, 1:1, 2:1 및 4:1)에서 보이드들(voids)의 실질적인 결핍(lack)을 보여주는 TEM 현미경 사진을 도시한다.
도15는 순수 Ni 나노 섬유들의 원소 분석을 도시한다.
도16은 ZnO/ZrO2 하이브리드 나노 섬유들의 현미경 사진 및 x-레이 회절 플롯을 도시한다.
도17은 Ag/ZrO2 하이브리드 나노 섬유들의 현미경 사진 및 x-레이 회절 플롯을 도시한다.
도18은 Ni/ZrO2 하이브리드 나노 섬유들의 현미경 사진 및 x-레이 회절 플롯을 도시한다.
도19는 Fe/ZrO2 하이브리드 나노 섬유들의 현미경 사진 및 x-레이 회절 플롯을 도시한다.
도20은 다양한 금속 및 금속 산화물들(ZnO, Ni, Ag, 및 Fe)을 포함하는 ZrO2 하이브리드(나노합성(nanocomposite)) 나노 섬유들의 TEM 현미경 사진을 도시한다.
도21은 Ni/Al2O3 하이브리드 나노 섬유들의 현미경 사진 및 x-레이 회절 플롯을 도시한다.
도22는 CdSe 합금 나노 섬유들의 현미경 사진 및 x-레이 회절 플롯을 도시한다.
도23은 PbSe 합금 나노 섬유들의 현미경 사진 및 x-레이 회절 플롯을 도시한다.
도24는 CdSe 및 PbSe 합금 나노 섬유들의 TEM 현미경 사진을 도시한다.
도25는 PbSe 합금 나노 섬유들의 원소 분석을 도시한다.
도26은 CdTe 합금 나노 섬유들의 현미경 사진 및 x-레이 회절 플롯을 도시한다.
도27은 PbTe 합금 나노 섬유들의 현미경 사진 및 x-레이 회절 플롯을 도시한다.
도28은 Fe3O4/FeNi 합금 나노 섬유들의 현미경 사진 및 x-레이 회절 플롯을 도시한다.
도29는 Fe3O4/FeNi 합금 나노 섬유들의 TEM 현미경 사진을 도시한다.
도30은 금속 필름(metallic film)의 전도도에 대한 다양한 열처리 조건들로부터의 금속 나노 섬유들의 전기 전도도를 비교하는 그래프를 보여준다.
도31은 Ni/ZrO2 하이브리드 나노 섬유들의 현미경 사진 및 x-레이 회절 플롯을 도시한다.
도32는 Ni/ZrO2 하이브리드 나노 섬유들의 TEM 현미경 사진을 도시한다.
도33은 Ni/ZrO2 하이브리드 나노 섬유들의 원소 분석을 도시한다.
도34는 연료 전지들에서 이용하기에 적당한 Fe/Pt 나노 섬유들을 생성하는 방법 및 시스템의 도식도를 도시한다.
도35는 리튬이온 배터리들(lithium ion batteries)에서 이용하기에 적당한 중공(hollow) Si 또는 Ge 나노 섬유들을 생성하는 방법 및 시스템의 도식도 및 중공 Si 또는 Ge 전자 방사된 유체 원료(hollow Si or Ge electrospun fluid stock)의 현미경 사진을 도시한다.
도36은 가요성 태양전지들에 이용하기에 적당한 Al2O3/ITO 하이브리드 나노 섬유들을 생성하는 방법 및 시스템의 도식도를 도시한다.
도37은 무기 나노 섬유들(inorganic nanofibers)로부터 만들어진 복수의 성분들을 가지는 태양 전지에 대한 현미경 사진, 레이 회절 플롯, 및 도식도를 도시한다.
도38은 Ni 나노 섬유들의 전기 전도도 및 보자성(magnetic coercivity)에 미치는 하소 조건들의 효과를 비교하는 그래프를 도시한다.
도39는 Ni 나노 섬유 매트(mat)의 축 및 수직 방향으로 전기 전도도에 미치는 섬유 정렬(alignment) 조건들의 효과를 비교하는 그래프를 도시한다.
도40은 전기화학 디바이스들을 대표하는 에너지 밀도들 및 전력 밀도들을 묘사하는 라곤 플롯(Ragone plot)을 도시한다.
도41은 염료감응형 나노결정 태양전지(a dye-sensitized nanocrystalline solar cell)의 예시적인 동작원리(principle of operation) 및 에너지 레벨 방식(energy level scheme)을 도시한다.
도42는 박막 나노결정/나노와이어 하이브리드 태양전지(a thin film nanocrystal/nanowire hybrid solar cell)의 예시적인 동작원리를 도시한다.
도43은 3축 전자방사(tri-axial electrospinning)의 도식도를 도시한다.
도44는 Fe3O4(middle)/SiO2(sheath)을 가진 SiO2(core)/PI-b-PS의 3축 나노 섬유들의 TEM 이미지를 도시한다.
도45는 전해 이중층 울트라커패시터(electrolytic double layer ultracapacitor)의 단면 모습을 도시한다.
도46은 울트라커패시터의 활성화된 탄소 위에 놓인 티탄산 바륨 나노 섬유 (barium titanate nanofibers)의 단면 모습을 도시한다.
나노 기술은 원자 및 분자 규모에서 물질의 조작이고 많은 다양한 구조들, 기술들 및 잠재적인 응용들을 포함하는 다양한 분야이다. 그들 중, 하나의 구조는 나노 섬유이고, 이것은 일반적으로 5,000nm 이하의 직경과 다양한 길이들을 가진다. 금속 나노 섬유들, 세라믹 나노 섬유들, 하이브리드 나노 섬유들, 및 이와 유사한 것들과 같은 고품질 나노 섬유들에 대한 필요가 있다. 그러한 나노 섬유들과 그러한 나노 섬유들을 생성하는 방법이 여기에서 어떤 실시 예들에서 제공된다. 어떤 실시 예들에서, 양호한 구조적 완전성(structural integrity), 무 중공(few voids), 무 구조적 결함(few structural defects), 조정 가능한 길이(tunable length), 및 이와 유사한 것을 가지는 고품질 나노 섬유들이 여기에 제공된다. 어떤 실시 예들에서, 본 개시는 길고 고품질의 나노 섬유들을 만드는 방법들을 포함한다.
어떤 실시 예들에서, 전구체와 폴리머를 포함하는 유체 원료를 이용하는 방법들이 여기에서 제공된다. 전구체와 폴리머는 서로 상호작용하고(interact) 및/또는 서로 양립하여(compatible) 상기 폴리머가 상기 전구체의 가용화(solubilization)(예를 들어, 용해, 분산, 또는 이와 유사한 것)를 용이하게 한다. 한 양상에서, 폴리머와 전구체를 포함하는 나노 섬유(예들 들어, 전구체 나노 섬유)가 여기에 제공된다. 또 다른 양상에서, 금속 성분(예를 들어, 단일 금속이나 금속 합금과 같은 금속, 금속 산화물과 같은 금속 산화물, 세라믹, 또는 이와 유사한 것)을 포함하는 나노 섬유가 여기에 제공된다. 어떤 특정 양상에서, 연속 매트릭스 금속 성분(a continuous matrix metal component)이 여기에 제공된다. 어떤 더 특정한 양상에서, 금속, 금속 산화물, 금속 합금, 세라믹, 또는 이들 조합의 연속 매트릭스를 포함하는 나노 섬유가 여기에 제공된다.
어떤 실시 예들에서, 전자 방사된 유체 원료(예를 들어, 폴리머와 전구체를 포함하는 전구체 나노 섬유)의 나노 섬유로의 변환(conversion)을 위한 방법이 여기에 제공되고, 여기에서 상기 폴리머가 제거된다. 어떤 예들에서, 이 방법은 그 결과물인 나노 섬유에 갭(gaps), 중공(voids), 및 이와 유사한 것과 같은 결함들을 남긴다. 어떤 실시 예들에서 이 결함들은 폴리머의 양에 대한 상기 유체 원료 내 금속 또는 세라믹 전구체의 비율을 증가시킴으로써 감소된다.
어떤 실시 예들에서, 상기 유체 원료가 균질한 것을 보장하는 것은, 상기 유체 원료가 균질하지 않을 때에 비하여 상기 나노 섬유 내 중공들 및/또는 결함들을 감소시킨다. 어떤 예들에서, 상기 유체 피드(fluid feed)가 전자 방사되고 나노 섬유로 변환될 때, 균질한 유체 피드를 이용하는 것은 균질한 나노 섬유를 이끌어 낸다. 어떤 실시 예들에서, 균질한 유체 원료들을 만드는 방법들이 여기에 제공된다. 어떤 실시 예들에서, 상기 폴리머는 수용성(water soluble)이다. 어떤 예들에서, 물에 기반한(물을 함유하는) 유체 원료들은 다른 용매들(예들 들어, 물을 함유하지 않는 용매(non-aqueous solvent)는 유독성(toxic)이다)에 기반한 유체 원료들에 비해 유리하다. 어떤 실시 예들에서, 물 함유 환경에서 상기 방법을 수행하는 것은 유리하다.
어떤 실시 예들에서, 전구체와 폴리머 사이의 화학적 결합을 통해서와 같이, 전구체를 폴리머와 회합시키는 것(associating)은, 전구체와 폴리머 사이에 회합이 없는 실시 예들에 비해 결함들이 거의 없는 길고 고품질의 나노 섬유들을 결과로서 가져온다. 어떤 예들에서, 상기 전구체는 상기 폴리머 위에 상대적으로 균질하게 분포된다(예들 들어, 그러한 균질한 회합들을 가지는 유체 원료의 전자 방사는 중공들과 결함들이 거의 없는 나노 섬유들을 제공한다). 그러한 회합에 부가하여, 어떤 실시 예들에서 상기 전구체와 폴리머를 결합하기 전에 전구체의 균질한 용액을 우선 만드는 것이 유리하다.
어떤 실시 예들에서, 고품질 나노 섬유들을 만들기 위한 전구체의 증가된 비율 및 전구체의 균질한 분포는 복잡한 기하학적 모양들(complex geometries) 또는 향상된 특성들(advanced properties)을 가진 나노 섬유들을 결과로서 가져온다. 이들 기하학적 모양들은 긴 중공나노 섬유들(long hollow nanofibers) 및 하나 이상의 재료의 하이브리드들(hybrids)인 나노 섬유들을 포함한다. 다양한 실시 예들에서, 이들 재료들은 제한 없이, 금속들, 세라믹들, 또는 이들의 조합들이다.
여기에 나노 섬유를 생성하는 방법이 기술된다. 어떤 실시 예들에서, 상기 방법은 유체 원료를 전자 방사는 단계를 포함한다. 특정 실시 예들에서, 상기 유체 원료는 금속 전구체(예들 들어, 다운스트림 처리에 의존하여 금속, 금속 산화물, 세라믹, 또는 이와 유사한 것으로 변환될 수 있는 금속-리간드 화합물을 포함하는 전구체)와 폴리머를 포함한다. 특정 실시 예들에서, 상기 전구체 및 폴리머는 전구체-폴리머 회합에 존재한다. 어떤 실시 예들에서, 상기 전구체 대 폴리머의 중량 대 중량비는 적어도 1:2이다. 특정 실시 예들에서, 상기 전구체 대 폴리머의 중량 대 중량비는 1:2 이상이다. 더 특정한 실시 예들에서, 전구체 wt. 대 폴리머 wt.은 적어도 1:1이다. 더 특정한 실시 예들에서, 전구체 wt. 대 폴리머 wt.은 1:1 이상이다. 어떤 실시 예들에서, 상기 폴리머는 수용성이다(예들 들어, 물에 완전히 용해가능하거나(dissolvable), 물에서 적어도 팽윤 가능하다(swellable). 특정 실시 예들에서, 상기 유체 원료는 물을 함유한다(즉, 물을 포함한다). 어떤 실시 예들에서, 상기 전구체(예들 들어, 상기 전구체의 금속 성분에 의해 측정될 때)는 상기 유체 원료에서 적어도 200mM이다.
어떤 실시 예들에서, 유체 원료를 전자 방사하는 방법이 여기에 제공되고, 상기 유체 원료는 금속 전구체 및 폴리머를 포함하며, 상기 전구체 대 폴리머의 중량 대 중량비는 1:2 이상이다(예들 들어, 적어도 1:1.75)이다. 어떤 실시 예들에서, 상기 유체 원료는 1:2 이상의 중량 대 중량비(예들 들어, 적어도 1:1.75)로 전구체와 폴리머를 조합함으로써 제조된다. 특정 실시 예들에서, 상기 유체 원료는 물을 함유한다. 더 특정한 실시 예들에서, 상기 금속 전구체와 폴리머는 상기 유체 원료 내에서 전구체-폴리머 회합으로 존재한다.
어떤 실시 예들에서, 여기에 기술된 방법은, 선택적으로 물을 함유하는 용액(an aqueous solution)에서, 제1 금속 전구체를 생성하기 위해 금속을 용해하는 리간드에 회합시키거나 결합시키는 단계를 포함한다. 어떤 실시 예들에서, 상기 전구체 용액은 균질한 전구체 합성물(예들 들어, 용액)을 제공하기 위하여 혼합된다(mixed). 어떤 실시 예들에서, 그 다음 상기 전구체 용액은 유체 원료를 제공하기 위하여 폴리머 합성물(예들 들어, 수용성 폴리머)과 결합된다(combined).
어떤 실시 예들에서, 상기 (제1) 전구체 분자들은 상기 폴리머와 회합(associate)하거나 결합(bond)(이 용어들은 여기에서 교환적으로 이용된다고 이해된다-회합 또는 결합에 대한 언급은 공유 결합, 금속-리간드 착물, 이온 결합, 루이스 염(Lewis base)/루이스 산(Lewis acid) 상호작용, 또는 유사한 것의 형성을 나타낸다)한다(예를 들어, 전구체-폴리머 회합 -폴리머+제2 금속 전구체를 제공하기 위해).
어떤 실시 예들에서, 상기 유체 원료는 균질한 유체 원료를 제공하기 위하여 혼합된다(mixed)되고, 여기에서 상기 전구체는 상기 폴리머와 실질적으로 고르게 선택적으로 회합된다(예들 들어, 상기 화합물에서 점도의 변동을 측정함으로써 결정되는 바와 같이). 어떤 실시 예들에서, 그 다음 상기 유체 원료는 전자 방사된 유체 원료로 전자 방사된다(electrospun). 어떤 예들에서, 그 다음 상기 전자 방사된 유체 원료는 선택적으로 가열에 의해, 하소된다. 어떤 실시 예들에서, 환원 환경에서 가열은 순수한 금속 나노 섬유를 결과로서 가져오고 산화 환경에서 가열은 세라믹 나노 섬유를 가져온다.
어떤 실시 예들에서, 상기 폴리머는 친핵성 폴리머(nucleophilic polymer)이다(예들 들어, PVA와 같은 알코올 그룹들을 포함하는 폴리머). 어떤 실시 예들에서, 상기 폴리머는 친핵성 폴리머이고 제1 전구체(예를 들어, 시약 전구체)는 친전자성 전구체(electrophilic precursor)(예들 들어, 금속 아세테이트, 금속 클로라이드, 또는 유사한 것)이다. 특정 실시 예들에서, 상기 전구체-폴리머 회합은 친핵성 폴리머와 친전자성 제1 전구체(예들 들어, 시약 전구체) 사이의 반응 산물이다.
다른 실시 예들에서, 상기 폴리머는 친전자성 폴리머(예들 들어, 폴리비닐 클로라이드(polyvinyl chloride) 와 같은, 클로라이드 또는 브로마이드 그룹들(chloride or bromide groups)을 포함하는 폴리머)이다. 어떤 실시 예들에서, 상기 폴리머는 친전자성 폴리머이고 제1 전구체(예들 들어, 시약 전구체)는 친핵성 전구체(예들 들어, 알코올들이나 아민들(amines)과 같은, 친핵성 그룹들을 가진 "리간드들(ligands)"을 포함하는 금속-리간드 착물)이다. 특정 실시 예들에서, 상기 전구체-폴리머 회합은 친전자성 폴리머와 친핵성 제1 전구체 사이의 반응 산물이다.
어떤 실시 예들에서, 상기 유체 원료는 고 로딩(high loading)의 전구체를 포함한다. 특정 실시 예들에서, 상기 유체 원료는 상기 폴리머 및/또는 상기 전구체와 폴리머 사이의 회합들 위에 고 로딩의 전구체를 포함한다. 특정 실시 예들에서, 상기 폴리머는 적어도 20%의 전구체 로딩을 가진다(즉, 상기 폴리머의 반응 사이트들(reactive sites)-친핵성 또는 친전자성 사이트들-의 적어도 20%는 금속 화합물과 회합된다; 이것은 또한 여기에서 전구체와 적어도 20% 포화된(saturated) 것으로서 기술된다). 여기에서 논의된 바와 같이, 함께 취해질 때, 금속 전구체로 로딩된 상기 폴리머는 (i) 폴리머와 금속 전구체를 포함하는 혼합물 및 (ⅱ) 폴리머-전구체 회합을 형성한다. 더 특정한 실시 예들에서, 상기 폴리머는 적어도 35%의 로딩을 가진다. 더욱 특정한 실시 예들에서, 상기 폴리머는 적어도 50%의 로딩을 가진다. 아직도 더 특정한 실시 예들에서, 상기 폴리머는 적어도 75%의 로딩을 가진다. 로딩은 어떤 적당한 메커니즘, 예를 들어, 핵자기 공명(NMR) 분광 분석, 적외선(IR) 분광 분석, 또는 이와 유사한 것에 의해 결정될 수 있다. 예들 들어, 도 2B는 상기 폴리머 상에 전구체의 증가된 로딩을 도시한다(예들 들어, -OH 피크(peak)의 증가하는 세기로).
어떤 예들에서, 나노 섬유들 이외의 기하학적 모양들을 가진 구조들(예들 들어, 나노 입자들(nano particles), 구들(spheres), 그물들(meshes), 박막들(thin films), 기어(gear)와 같은 나노 로봇 부품들)을 생성하기 위해 균질한 유체 원료를 생성하는 방법들이 이용된다. 나노 섬유들과 함께, 어떤 실시 예들에서 결함들이 없는 이들 구조들을 만드는 것은 바람직하고, 본 개시의 적당한 응용들이 그러하다. 한 양상에서, 본 발명은 순수 금속, 세라믹, 또는 구들, 그물들, 기어들 및 이와 유사한 것을 포함하는 하이브리드 나노 구조들을 포함한다.
어떤 실시 예들에서, 상기 방법은 유체 원료를 전자 방사하는 단계를 포함한다. 전자 방사를 위해 어떤 적당한 방법이 이용된다. 어떤 예들에서, 높은 온도 전자 방사가 이용된다. 예시적인 방법들은, U.S. 7,326,043 및 U.S. 7,901,610에 개시된 바와 같이 높은 온도들에서 전자 방사하는 방법들을 포함한다. 이 문헌들은 그러한 개시에 대해 여기에 포함된다. 어떤 실시 예들에서, 높은 온도 전자 방사는 전자 방사 공정 내내 상기 유체 원료의 균질성을 개선한다. 어떤 실시 예들에서, 가스 조력 전자 방사(gas-assisted electrospinning)이 이용된다(예들 들어, 공통 축(common axis)에 대해 여기에 기술된 유체 원료로부터 전자 방사된 사출물(jet)과 함께). 가스 조력 전자 방사의 예시적인 방법들이 PCT 특허출원 PCT/US2011/024894(전자 방사 장치 및 이로부터 생성된 나노 섬유들)에 개시되어 있다. 이것은 그러한 개시에 대해 여기에 포함된다. 가스 조력 실시 예들에서, 상기 가스는 선택적으로 공기 또는 다른 적당한 가스(불활성 가스, 산화 가스, 환원 가스와 같은)이다. 어떤 실시 예들에서, 가스 조력(gas assistance)은 공정의 수율(throughput)을 증가시키고 및/또는 상기 나노 섬유들의 직경을 감소시킨다. 어떤 예들에서, 가스 조력 전자 방사는 상기 전자 방사기로부터 나오는 유체 원료의 사출(jet)을 가속하고(accelerate) 길게 늘인다(elongate). 어떤 실시 예들에서, 유체 원료 내부에 가스 스트림(gas stream)을 포함시키는 것은 중공 나노 섬유들(hollow nanofibers)을 생성한다. 어떤 실시 예들에서, 상기 유체 원료는 이 기술 분야에 숙련된 사람들에게 알려진 어떤 방법을 이용하여 전자 방사된다.
어떤 실시 예들에서, 나노 섬유들이 물을 함유하는 유체 원료(예를 들어, 물, 수용성 폴리머 및 금속 및/또는 세라믹 전구체를 포함한다)로부터 생성된다. 어떤 예들에서, 물을 함유하는 유체 원료들은 더 싸고 더 환경 친화적이며, 유기 용매들의 이용을 피하고 및/또는 어떤 응용들에서 다른 이점들을 가진다. 추가로, 어떤 양상들에서, 물을 함유하는 유체 원료들의 이용은 폴리머와 전구체 모두의 더 높은 로딩을 허용한다. 어떤 예들에서, 더 높은 전구체 로딩은 양호한 구조적 완전성을 가지고, 공동(void) 구조들을 피하며, 및/또는 구조적 결함들을 감소시키는 금속, 금속 산화물, 및 세라믹 나노 섬유들을 제공한다.
특정 실시 예들에서, 물을 함유하는 유체 원료들의 이용은 동축(coaxial) 전자방사(공통의 축으로 둘 이상의 유체들을 전자 방사)와 결합된다. 여기에서 기술된 바와 같이, 코팅을 부가하고, 중공 나노 섬유를 만들고, 하나 이상의 재료를 포함하는 나노 섬유를 만들고 및 이와 유사한 것을 위해, 제2 유체와의 동축 전자 방사가 이용된다. 다양한 실시 예들에서, 상기 제2 유체는 상기 물을 함유하는 (제1) 유체 원료들의 외부(즉, 적어도 부분적으로 주위) 또는 내부(즉, 적어도 부분적으로 이에 의해 둘러싸임)에 있다. 어떤 실시 예들에서, 상기 제2 유체는 가스이다(가스 조력 전자 방사). 여기에 기술된 바처럼, 어떤 실시 예들에서, 가스 조력은 공정의 수율을 증가시키며, 나노 섬유들의 직경을 감소시키고, 및/또는 중공 나노 섬유들을 생성하기 위해 이용된다. 어떤 실시 예들에서, 나노 섬유들을 생성하는 방법은 물을 함유하는 유체 원료와 가스를 동축 전자 방사하는 단계를 포함한다. 다른 실시 예들에서, 상기 제2 유체는 여기에서 기술된 바와 같은 특성들을 가지는(즉, 본 개시에 따른 폴리머 및 전구체를 포함하는) 제2 유체이다. 본 개시에 따른 적어도 두개의 유체 원료들이 여기에 기술된 방법에 따라 동축 전자 방사되는 어떤 실시 예들에서, 코어(core)와 그 위에 적어도 하나의 층을 가지는 하이브리드 나노 섬유가 형성된다.
한 양상에서, 나노 섬유를 생성하는 방법이 여기에 기술된다. 이 방법은 제1 유체를 제2 유체와 함께 전자 방사는 하는 단계를 포함하고, 제1 또는 제2 유체들 중 적어도 하나는 물을 함유하는 유체이다. 다양한 실시 예들에서, 상기 제1 유체 및 제2 유체는 서로에 대하여 어떤 적당한 방향(orientation) 및/또는 형태(shape)로 위치된다. 어떤 실시 예들에서, 상기 제1 유체 및 제2 유체는 그들이 전자 방사기를 나올 때 두 개 서로에 대하여 옆에 있다. 어떤 실시 예들에서, 상기 제1 유체 또는 제2 유체 중 하나는 다른 하나를 둘러싼다. 어떤 실시 예들에서, 상기 제1 및 제2 유체들은 동일 또는 유사한 축으로 전자 방사된다.
어떤 실시 예들에서, 상기 제1 유체는 물, 수용성 폴리머, 및 금속 및/또는 세라믹 전구체를 포함하는 물을 함유하는 유체이다. 어떤 실시 예들에서, 상기 제2 유체는 물, 수용성 폴리머, 및 제2 금속 및/또는 세라믹 전구체를 포함하는 제2 물 함유 유체이고, 여기에서 제2 유체의 수용성 폴리머는 제1 유체의 수용성 폴리머와 동일하거나 서로 다르다.
어떤 실시 예들에서, 상기 방법은 "동축" 전자 방사하는 단계, "동축" 하이브리드 나노 섬유들을 생성하는 단계 등을 포함한다. 여기에서 이용된 바와 같이, 동축(co-axial)은 공통의 (동일한) 중심 축을 가지는 재료의 동심 실린더들(concentric cylinders)(예들 들어, 하나 이상의 코팅들 또는 실리더형 층들에 의해 둘러싸인 코어(core) 재료를 가지는 실린더형 나노 섬유)을 말한다. 동축 나노 섬유들은 어떤 실시 예들에서 중공(hollow)을 가진다. 재료의 층들의 수에 제한이 없다(즉, 동축이 두 개의 층을 의미하는 것은 아니다). "동축(coaxial)" 또는 "다축(multi-axial)"이라는 용어는 상호 교환적으로 사용된다. 다축 전자 방사는 다중 유체들(예들 들어, 여기에 기술된 바와 같은 다중 유체 원료들 및/또는 하나 이상의 가스)을 공동 축으로 전자 방사하는 것을 말한다.
어떤 예들에서, 금속 전구체들의 이용은 전기 전도도를 증가시키고, 이것은 전자 방사 필라멘트(filament)의 더 활발한 와이핑(vigorous wipping)을 이끌 수 있다. 예를 들어 전구체의 선택을 통해 상기 유체 원료의 전기 전도도를 증가시키는 것은 또한 어떤 예들에서 그 공정의 생산성을 증가시킬 수 있다. 어떤 예들에서, 증가된 생산성은 상기 유체 원료의 전도도를 증가시킴으로써 달성될 수 있다. 어떤 예들에서, 증가된 전도도는 인접한 방사돌기들(spinnerets)로부터 나오는 사출물들(jets)에 의해 더 많은 반발(repulsion)을 가져온다. 어떤 실시 예들에서 상기 사출물들은 이렇게 증가된 반발 때문에 너무 이르게 서로 터치(touch)하지 않을 것이고, 이것은 전문 기술자로 하여금 상기 방사돌기들을 서로 더 가깝게 간격을 두는 것을 허용한다. 더 가깝게 간격을 가지는 방사 돌기들은 (방사돌기 당 생산성이 실질적으로 감소되지 않는 한) 일반적으로 증가된 전체적인 생산성을 가져온다.
여기에 기술된 전자 방사 방법은 상기 유체 원료를 분산시키고, 상대적으로 고르게 분산되도록 (예들 들어, 균일하게 분산되도록 또는 균질하게 분산되도록) 유지시키는 단계를 포함한다. 어떤 실시 예들에서, 분산을 달성 또는 유지시키기 위해, 상기 유체 원료는 가열되는데, 특히 상기 유체 원료가 주위 온도에서 고체화 한다면 가열된다. 어떤 실시 예들에서, 상기 유체 원료는 뒤흔들어지는데(agitated), 선택적으로 가열과 조합하여 이루어진다. 뒤흔들기는 젓기, 섞기, 초음파 처리하기, 소용돌이치기 등을 포함하지만 이에 제한되지 않고, 실질적으로 균질한 유체 원료를 생성하거나 또는 유지한다. 어떤 예들에서, 상기 유체 원료는 전자방사 공정 동안 연속적으로 저어진다. 하나의 특별한 실시 예에서, 상기 유체 원료는 균질한 분산을 얻기 위하여 약 한 시간 동안 저어진다.
어떤 예들에서, 상기 나노 섬유를 형성하기 위한 절차는 전자 방사가 아니다. 전자 방사는 그러나 나노 섬유들을 생성하기 위한 하나의 방법이다. 다른 적당한 방법들은 졸-겔 기법(sol-gel technique) 또는 계면 중합(interfacial polymerization) 또는 "급속 혼합(fast mixing)" 기법들을 포함한다(Huang, Pure Appl. Chem., Vol. 78, No. 1, pp. 15-27, 2006). 본 공개는 전기 분무(electrospraying)에 의해 나노 구들(nano-spheres)을 만드는 것과 같이 섬유들 이외에 나노 기하학적 구조들(nano-geometries)을 만드는 방법들을 포함한다. 상기 유체 원료의 합성 및 이것을 만드는 방법들은 상기 특별한 기하학적 구조 및 그 가하학적 구조를 생성하는 방법에 불가지론적(agnostic to the particular geometry)이다(즉, 어떠한 기하학적 구조에 적용할 수 있고).
어떤 예들에서, 상기 유체 원료에서 상기 폴리머 상에 전구체의 높은 로딩은 순수한 및/또는 균일한 나노 섬유들을 얻는데 유익하다. 여기에서 기술된 바와 같이, 낮은 전구체 로딩을 가질 때 만들어진 결함들(defects)이나 공동들(voids)의 수에 비하여, 상기 폴리머가 제거될 때 상기 나노 섬유에 결함들 및/또는 공동들이 거의 만들어지지 않는다. 로딩(loading)은 유체 원료 내 또는 이를 형성하기 위해 결합된 전구체 대 폴리머의 중량비(weight ratio)로서 나타내진다. 전구체 대 폴리머의 중량비는 주어진 실시 예에서 적당한 특성들을 가지는 나노 섬유들을 결과적으로 가져오는 어떤 값이다. 어떤 실시 예들에서 전구체 대 폴리머의 중량비는 적어도 1:2이다. 어떤 실시 예들에서, 중량으로 폴리머보다 더 많은 전구체가 있다. 어떤 실시 예들에서, 전구체 대 폴리머의 중량비는 적어도 1.25:1, 적어도 1.5:1, 적어도 1.75:1, 적어도 2:1, 적어도 3:1, 적어도 4:1, 적어도 5:1, 적어도 6:1, 적어도 7:1, 적어도 8:1, 적어도 9:1, 적어도 10:1, 적어도 15:1, 적어도 20:1, 적어도 30:1, 적어도 40:1, 적어도 50:1, 또는 적어도 100:1이다. 어떤 실시 예들에서, 전구체 대 폴리머의 중량비는 약 1.25:1, 약 1.5:1, 약 1.75:1, 약 2:1, 약 3:1, 약 4:1, 약 5:1, 약 6:1, 약 7:1, 약 8:1, 약 9:1, 약 10:1, 약 15:1, 약 20:1, 약 30:1, 약 40:1, 약 50:1, 또는 약 100:1이다. 또 다른 실시 예들에서, 전구체 대 폴리머의 중량비는 약 1:2와 10:1 사이, 약 1:1와 4:1 사이, 약 2:1와 10:1 사이, 또는 약 3:1와 8:1 사이이다. 특정 실시 예들에서, 상기 유체 원료에 존재하는 폴리머 및 전구체가 폴리머-전구체 회합의 형태로 존재하면, 상기 중량비는 폴리머와 전구체(예들 들어, 금속 아세테이트(metal acetate)와 같이, 폴리머와 반응된 제1 전구체)의 회합되지 않은, 반응되지 않은 이론적인 중량들을 비교함으로써 결정된다. 어떤 실시 예들에서, 여기에서 기술된 방법은 전구체와 폴리머를 결합함으로써 제조된 유체 원료 및, 선택적으로 어떤 유체(예들 들어, 물, 또는 물을 포함하는 유체-물을 함유하는 유체)를 제조하는 및/또는 이용하는 단계를 포함하고, 전구체/폴리머 중량 대 중량비는 폴리머(예들 들어, 전구체와 회합되지 않은 폴리머)와 결합된 전구체(예들 들어, 제1 전구체)의 양에 의해 결정된다. 예들 들어, 상기 유체 원료가 전구체(예들 들어, 제1 전구체) x 그램 및 폴리머 y 그램으로 제조되었다면, 상기 전구체/폴리머 중량 대 중량비는 x:y이다(예들 들어, 상기 원료에서 상기 전구체가 궁극적으로 상기 폴리머와 회합하는지 여부에 관계없이). 어떤 실시 예들에서, 폴리머(P)와 전구체(예들 들어, MLb와 같은 제1 전구체, 여기에서 M은 금속, L은 여기에 기술된 바와 같은 하나 이상의 리간드(ligand), 및 b는 1 내지 10과 같은 적당한 수)의 결합 시, 폴리머-전구체 회합이 형성된다(예들 들어, P-MLb -1, MLb -1은 상기 폴리머와 회합하는 제2 전구체). 그러한 예들 중 어떤 예에서, 제1 전구체의 모두 또는 일부는 상기 폴리머와 회합되고, 상기 전구체/폴리머 중량 대 중량비는 상기 제1 및 제2 전구체들의 합 대 상기 폴리머의 비에 의해 결정된다.
어떤 실시 예들에서, 여기에 제공된 방법은 (a) 제1 금속 전구체, 폴리머, 및 유체(예를 들어, 물을 함유하는 유체)를 조합함으로써 유체 원료를 제조하는 단계; 및 (b) 상기 유체 원료를 전자 방사하는 단계를 포함하고, 상기 제1 유체 전구체는 적어도 1:2의 중량 대 중량비로 상기 폴리머와 조합된다. 다른 실시 예들에서, 여기에 제공된 방법은 제1 금속 전구체, 폴리머, 및 유체(예를 들어, 물을 함유하는 유체)를 조합함으로써 제조된 유체 원료를 전자 방사하는 단계를 포함하고, 상기 제1 금속 전구체는 적어도 1:2의 중량 대 중량비로 상기 폴리머와 조합된다. 특정 실시 예들에서, 상기 금속 전구체와 폴리머의 조합 시, 상기 제1 금속 전구체의 적어도 일부는 상기 폴리머와 회합하여 폴리머-전구체 회합을 형성하고, 이 폴리머-전구체 회합은 폴리머와 제2 금속 전구체(즉, 상기 제1 금속 전구체의 잔류 성분)를 포함한다. 예를 들어, 도2A는 Al(OCOCH3)3의 제1 전구체가 폴리머와 반응하여 Al(OCOCH3)2의 제2 전구체와 회합하는 폴리머(폴리비닐 알코올)를 포함하는 폴리머-전구체 회합을 형성하는 것을 도시한다. 특정 실시 예들에서, 상기 제1 전구체 중량 대 폴리머 중량비는 적어도 1:1이다. 또 더 특정 실시 예들에서, 상기 제1 전구체 중량 대 폴리머 중량비는 1:1 이상이다.
어떤 실시 예들에서, 상기 유체 원료는 금속 및/또는 세라믹 전구체 및 폴리머를 포함한다. 어떤 실시 예들에서, 상기 나노 섬유는 금속 또는 세라믹 전구체 및 폴리머를 포함한다. 어떤 실시 예들에서, 상기 전구체 및/또는 나노 섬유는 금속 및/또는 세라믹이 아니다. 어떤 예들에서 여기에 기술된 방법들을 이용하여 공동들과 결함들을 거의 가지지 않는 나노 구조들을 만든다(예들 들어, 그 재료가 무엇이든 상관없다). 여기에 기술된, 실질적으로 균일한 유체 피드(feed)를 만드는 방법들(예를 들어, 폴리머 위에 실질적으로 균일하게 전구체를 회합함으로써)은 금속 및/또는 세라믹들 외의 물질들에 적용 가능하다.
도1은 여기에 기술된 방법의 예시적인 도식도를 도시한다. 어떤 예들에서, 금속 전구체(101)(예들 들어, Ag, Al, Co, Fe, Ni, Zn, Zr, Si, 등의 아세테이트)를 포함하는 제1 합성물이 폴리머(103)(예를 들어, PVA, PVAc, PVEO, 등)을 포함하는 제2 합성물과 조합되어(102) 유체 원료 합성물(104)를 포함하는 유체 원료를 제조한다. 어떤 예들에서, 여기에서 제공된 유체 원료는, 예들 들어, 주사 시스템(syringe system)(105)를 이용하여 노즐(nozzle)(106)을 통하여 전자 방사되고, 여기에서 노즐은 선택적으로 가열된다. 어떤 실시 예들에서, 상기 유체 원료의 전자 방사는 금속 전구체와 포리머를(예들 들어, 1:2이상 4:1까지의 중량비로) 포함하는 전구체 나노 섬유(precursor nanofiber)(108)를 생성하고, 상기 전구체 나노 섬유는 콜렉터(107) 상에 수집된다. 그 다음 상기 전구체 나노 섬유(108)의 처리(treatment)(109)(예들 들어, 열 및/또는 화학 처리)가 수행되어 세라믹, 금속, 또는 복합 나노 섬유들(예들 들어, 순수 세라믹, 금속, 또는 복합 나노 섬유들) (110)을 생성한다.
도34는 여기에서 기술된 방법의 또 다른 예시적인 도식도를 도시한다. 어떤 예들에서, 금속 전구체(3401)(예들 들어, Ag, Al, Co, Fe, Ni, Zn, Zr, Si, 등의 아세테이트)를 포함하는 제1 합성물이 폴리머(3403)(예를 들어, PVA, PVAc, PEO, 등)을 포함하는 제2 합성물과 조합되어(3402) 유체 원료 합성물(3404)을 포함하는 유체 원료를 제조한다. 어떤 예들에서, 유체 원료는 복수의 전바 방사 노즐들/니들들(needles)(3409)를 포함하는 장치(3408)에 제공된다(3406). 어떤 실시 예들에서, 상기 유체 원료는 상기 장치(3409)에 또한 제공되는 또 다른 유체(3407)(예들 들어, 에어 펌프에 접속을 통하여)와 함께 전자 방사된다. 어떤 예들에서, 장치(3409)는 유체 원료 챔버(fluid stock chamber)(3410)과 제2 유체 챔버(예들 들어, 고압 가스 챔버)(3411)를 포함한다. 그 다음 상기 유체 원료의 전자 방사는 중심 니들 또는 노즐(예들 들어, 종방향 축을 따라 정렬된)로부터 전자 방사되고, 제2 유체는 바깥 니들 또는 노즐(예들 들어, 동일한 종방향 축을 따라 정렬된)로부터 동축으로 짜내진다(expressed). 특정 예들에서, 상기 유체원료 노즐(니들)(3413)은 선택적으로 가열된다. 어떤 예들에서, 예들 들어, 중공 나노 섬유가 요구될 때, 상기 가스와 유체 원료 챔버들 및 니들들이 바뀔 수 있다(switch)(예들 들어, 도35를 보라). 어떤 실시 예들에서, 상기 유체 원료의 전자 방사는 금속 전구체와 폴리머(예들 들어, 1:2이상 4:1까지의 중량비로)를 포함하는 전구체 나노 섬유(3415)를 생성하고, 상기 전구체 나노 섬유는 콜렉터(3414) 상에 수집된다. 그 다음 상기 전구체 나노 섬유(3415)의 처리(treatment)(3416)(예들 들어, 열 및/또는 화학 처리)가 수행되어 세라믹, 금속, 또는 복합 나노 섬유들(예들 들어, 순수 세라믹, 금속, 또는 복합 나노 섬유들)(3417)을 생성한다. 특정 실시 예들에서, 상기 금속 나노 섬유는 백금-철 합금(3418)과 같은 금속 합금 나노 섬유일 수 있다.
도35는 여기에 기술된 중공(즉, 중공 코어(hollow core)) 금속, 금속 산화물, 또는 세라믹 나모 섬유들을 제조하는 방법의 예시적인 도식도를 도시한다. 어떤 예들에서, 유체 원료가 여기에 기술된 장치의 유체 원료 챔버(3502)에 제공된다. 어떤 예들에서, 상기 유체 원료 챔버는 공급 단부(supply end) 및 노들 단부(nozzle end)를 포함하고, 이로부터 유체 원료가 가스의 조력으로 전자 방사되며, 이 가스는 공급 단부 및 노즐 단부를 포함하는 가스 챔버(3501)을 통하여 제공되며, 이 노즐 단부는 상기 유체 원료 챔버(3503)의 노즐 단부와 동축으로(즉, 실질적으로 동일한 종축을 따라) 위치된다. 어떤 실시 예들에서, 그러한 방식으로 가스와 상기 유체 원료의 동축 전자 방사는 중공 전구체 나노 섬유(hollow precursor nanofiber)(3506)을 생성하고, 이것은 콜렉터(3505) 상에 수집될 수 있다. 금속 전구체와 폴리머를 포함하는 상기 중공 전구체 나노 섬유들은 도35에 도시된다(3506). 어떤 예들에서, 그 다음 이들 중공 전구체 나노 섬유들이 처리(예들 들어, 열적으로)되어(3507) 금속 나노 섬유들(metal nanofibers)(3508)을 생성한다. 예시적인 중공 금속 나노 섬유들은 중공 Si 또는 Ge 나노 섬유들을 포함한다.
도36은 여기에 기술된 방법의 또 다른 예시적인 도식도, 및 특히 동축 가스 조력 전자 방사 방법(coaxial gas assisted electrospinning process)에 의해 제조된 층을 이룬 나노합성 나노 섬유(layered nanocomposite nanofiber)를 도시한다. 어떤 예들에서, 제1 유체 원료(3601)(예들 들어, 금속 전구체와 폴리머를 포함하는)가 제2 유체 원료(3602)(예들 들어, 제2 금속 전구체 및 제2 폴리머, 이 제2 금속 전구체 및 폴리머는 독립적으로 제1의 것과 동일하거나 서로 다르다), 및 제3 유체(예들 들어, 가스)와 전자 방사된다. 상기 유체 원료들은 어떤 디바이스, 예들 들어 주사 디바이스(3605)에 의해 상기 장치에 제공될 수 있다. 그리고 가스는 어떤 소스(source)(3606)(예들 들어, 에어 펌프)로부터 제공될 수 있다. 어떤 실시 예들에서, 그러한 장치는 복수의 동축 니들들(3604)을 포함한다. 단면(3707)에 의해 도시된 바와 같은 예시적인 니들들은 외부 피복 튜브(outer sheath tube)(3608), 중간 튜브(intermediate tube)(3609), 및 코어 튜브(core tube)(3610)을 포함한다. 특정 예들에서, 이 튜브들의 각각은 동축 정렬된다(즉, 실질적으로 동일한 축을 따라 정렬된다). 어떤 실시 예들에서, 코어와 층을 포함하는 나노 섬유를 제조하기 위해 그러한 방법이 이용될 수 있고, 여기에서 코어는 금속, 금속 산화물, 또는 세라믹을 포함하고, 층은 금속, 금속 산화물, 또는 세라믹을 포함한다. 어떤 예들에서 상기 코어와 층은 동일하거나 서로 다른 재료들을 포함한다. 예시적인 실시 예에서, 상기 코어는 알루미늄(알루미늄 전구체 유체 원료로부터)을 포함하고, 상기 층은 ITO(ITO 전구체 유체 원료로부터)를 포함할 수 있다.
전구체 나노 섬유( Precursor Nanofiber )
어떤 실시 예들에서, 여기에 기술된 폴리머 및 금속 전구체를 포함하는 복수(여기에서 콜렉션(collection)과 교환적으로 이용된다)의 나노 섬유들 또는 나노 섬유가 제공된다. 어떤 실시 예들에서, 상기 나노 섬유는 위에서 기술된 방법에 따라 제조된다. 특정 실시 예들에서, 상기 폴리머와 상기 금속 전구체는 폴리머-전구체 회합의 형태로 상기 나노 섬유에 존재한다. 어떤 예들에서, 이들 나노 섬유들이 여기에 기술된 상기 유체 원료들로부터 제조될 때, 폴리머/전구체 나노 섬유들의 폴리머 및 전구체 비들(ratios)은, 예들 들어, 상기 유체 원료에 대해 여기에서 기술된 바와 같다.
어떤 실시 예들에서, 상기 나노 섬유(들)은 폴리머와 금속 전구체를 포함한다. 어떤 실시 예들에서, 상기 폴리머 및 금속 전구체는 선택적인 제1 금속-전구체 및 폴리머-전구체 회합을 포함하고, 이 폴리머-전구체 회합은 하나 이상의 제2 금속-전구체에 결합한(bound) 폴리머를 포함한다. 어떤 실시 예들에서, 금속 전구체 대 폴리머의 중량비는 적어도 1:2이다. 다른 실시 예들에서, 전구체와 폴리머의 대략 동일한 중량들이 있다. 어떤 실시 예들에서, 중량으로 폴리머보다 더 많은 전구체가 있다. 어떤 실시 예들에서, 상기 전구체 대 폴리머의 중량비는 적어도 1.25:1, 적어도 1.5:1, 적어도 1.75:1, 적어도 2:1, 적어도 3:1, 적어도 4:1, 적어도 5:1, 적어도 6:1, 적어도 7:1, 적어도 8:1, 적어도 9:1, 적어도 10:1, 적어도 15:1, 적어도 20:1, 적어도 30:1, 적어도 40:1, 적어도 50:1, 또는 적어도 100:1이다. 어떤 실시 예들에서, 전구체 대 폴리머의 중량비는 약 1.25:1, 약 1.5:1, 약 1.75:1, 약 2:1, 약 3:1, 약 4:1, 약 5:1, 약 6:1, 약 7:1, 약 8:1, 약 9:1, 약 10:1, 약 15:1, 약 20:1, 약 30:1, 약 40:1, 약 50:1, 또는 약 100:1이다. 또 다른 실시 예들에서, 전구체 대 폴리머의 중량비는 약 1:2와 10:1 사이, 약 1:1와 4:1 사이, 약 2:1와 10:1 사이, 또는 약 3:1와 8:1 사이이다.
어떤 실시 예들에서, 여기에서 제공된 전구체 나노 섬유는 화학식 MLb (여기에서 M은 금속, L은 여기에 기술된 바와 같은 하나 이상의 리간드(ligand), 및 b는 1 내지 10과 같은 적당한 수)를 가지는 선택적인 제1 금속 전구체 및 화학식 P-(MLb-1)g (P는 폴리머, g는 전구체 포화 또는 로딩 수로서 1보다 크거나 같은 수이다)을 가지는 상기 폴리머-전구체 회합을 포함한다. 어떤 실시 예들에서, g는 P에 존재하는 단량체 단위들(monomeric units) 또는 반응 사이트들(reactive sites)의 수보다 작거나 같은 수로 이해된다(특히, 하나 이상의 반응 사이트를 가지는 단량체 단위들이 이용된다면). 예를 들어, 근사적으로 0.0113 몰(moles)(2g의 니켈 아세테이트)이 폴리비닐 알코올 79 kDa의 1g(근사적으로 0.0238 몰의 비닐 알코올 단량체 잔기(vinyl alcohol monomeric residue))과 완전히 반응하면, 그러면, 어떤 가교결합(crosslinking) 없이, 상기 폴리비닐 알코올에 존재하는 알코올들의 약 47%가 반응할 것이고, g는 약 884가 될 것이다(반응된 알코올/폴리머 0.47 * 알코올 단위들/폴리머의 수, 즉 폴리머 분자량 79000 ÷ 알코올 단위 분자량 42). 어떤 예들에서, 폴리머들(P) 사이의, 예들 들어 금속 전구체를 통한 어떤 가교 결합이 존재할 수 있다(예들 들어, P-MLb -2-P를 형성한다; MLb, MLb -1 및 MLb -2가 모두 존재하면, 상기 MLb -2 잔기가 제3 금속 전구체로 간주될 수 있다). 특정 실시 예들에서, 제어된 조건들 하에서 제1 전구체와 폴리머를 결합하는 것은 폴리머들 사이의 가교결합을 감소시킨다. 어떤 실시 예들에서, 상기 폴리머들은 20% 이하로 가교결합된다(예들 들어, 상기 금속 전구체의 20% 이하가 2 또는 그 이상의 폴리머들과 회합하고 및/또는 상기 폴리머의 단량체 단위들의 20% 이하가, 예들 들어 금속 전구체를 통하여, 다른 폴리머에 연결된다). 어떤 실시 예들에서, 폴리머들은 10% 이하가 가교결합된다. 특정 실시 예들에서, 상기 폴리머들은 5% 이하 가교결합된다. 더 특정한 실시 예에서, 상기 폴리머들은 3% 이하 가교결합된다. 또 더 특정한 실시 예들에서, 상기 폴리머는 2% 이하 가교결합된다. 더 특정한 실시 예들에서, 상기 폴리머는 1% 이하 가교결합된다.
어떤 실시 예들에서, 상기 폴리머-전구체 회합의 폴리머는 상기 전구체와 적어도 20% 포화된다. 특정 실시 예들에서, 상기 폴리머-전구체 회합의 폴리머는 상기 전구체와 적어도 35% 포화된다. 더 특정한 실시 예들에서, 상기 폴리머-전구체 회합의 폴리머는 상기 전구체와 적어도 50% 포화된다. 또 더 특정한 실시 예들에서, 상기 폴리머-전구체 회합의 폴리머는 상기 전구체와 적어도 75% 포화된다. 다양한 실시 예들에서, 상기 폴리머는 (예들 들어 평균적으로) 적어도 20%, 적어도 30%, 적어도 40%, 적어도 50%, 적어도 60%, 적어도 70%, 적어도 75%, 적어도 80%, 적어도 85%, 적어도 90%, 적어도 95%, 적어도 96%, 적어도 97%, 적어도 98%, 적어도 99% 포화된다. 어떤 예들에서, 상기 폴리머는 평균적으로 약 50%와 100% 사이, 약 70%와 100% 사이, 약 90%와 100% 사이, 약 50%와 90% 사이, 약 60%와 80% 사이, 또는 약 20%와 50% 사이 포화된다.
어떤 실시 예들에서, 여기에 제공된 나노 섬유 또는 복수의 나노 섬유들은 폴리머와 (예들 들어 평균적으로) 적어도 5 원소 wt. % 금속을 포함한다. 어떤 실시 예들에서, 여기에 제공된 나노 섬유 또는 복수의 나노 섬유들은 폴리머와 (예들 들어 평균적으로) 적어도 10 원소 wt. % 금속을 포함한다. 특정 실시 예들에서, 여기에 제공된 나노 섬유 또는 복수의 나노 섬유들은 폴리머와 (예들 들어 평균적으로) 적어도 15 원소 wt. % 금속을 포함한다. 더 특정한 실시 예들에서, 여기에 제공된 나노 섬유 또는 복수의 나노 섬유들은 폴리머와 (예들 들어 평균적으로) 적어도 20 원소 wt. % 금속을 포함한다. 특정 실시 예들에서, 금속은 상기 나노 섬유(들)의 (예들 들어 평균적으로) 적어도 25 원소 wt. %를 구성한다. 더 특정 실시 예들에서, 금속은 상기 나노 섬유(들)의(예들 들어 평균적으로) 적어도 30 원소 wt. %를 구성한다. 더욱 특정 실시 예들에서, 금속은 상기 나노 섬유(들)의 (예들 들어 평균적으로) 적어도 35 원소 wt. %를 구성한다. 더 특정 실시 예들에서, 금속은 상기 나노 섬유(들)의 (예들 들어 평균적으로) 적어도 40 원소 wt. %를 구성한다. 다양한 실시 예들에서, 금속은 상기 나노 섬유(들)의 (예들 들어 평균적으로) 적어도 10 원소 wt. %, 적어도 15 원소 wt. %, 적어도 45 원소 wt. %, 적어도 50 원소 wt. %를 구성한다.
어떤 실시 예들에서, 전자 방사된 전구체 나노 섬유는 금속 전구체와 폴리머를 포함하고, 여기에서 상기 금속 전구체와 폴리머가 함께 취해질 때 상기 나노 섬유의 총 질량의 적어도 50%, 적어도 60%, 적어도 70%, 적어도 80%, 적어도 90%, 적어도 95%, 적어도 98%를 구성한다. 특정 실시 예들에서, 상기 폴리머는 유기 폴리머(organic polymer)이다.
어떤 예들에서, 상기 전구체의 금속 전구체는 선택적으로 용매화될(solvated) 수 있다(예를 들어, 유체 매체의 유체 원료가 물이면, 수화된다(hydrated)). 여기에 개시된 것들은 그러한 용매 화합물들(solvates)을 고려하도록 의도된다고 이해되어야 한다.
나노 섬유 공정( nanofiber processing )
어떤 실시 예들에서, 여기에 제공된 방법들은 전자 방사된 유체 원료(예들 들어, 여기에 기술된 어떤 전구체 나노 섬유와 같은, 폴리머와 전구체를 포함하는 전구체 나오 섬유)를 처리하는 하나 이상의 공정들(예들 들어, 이들 실시 예들에 대해 더 처리하는 공정, 여기에서 처리는 위에서 기술된 전자 방사 공정과 결합된다)을 포함한다. 특정 실시 예들에서, 상기 추가의 처리는 전구체 나노 섬유(폴리머와 전구체를 포함하는 상기 전자 방사된 나노 섬유)를 금속, 금속 산화물(예들 들어, 금속 산화물 세라믹), 또는 세라믹 나노 섬유로 변환하는 것을 포함한다.
이들 처리 공정들의 하나 또는 모두를 여기에서 집합적으로 "하소들(calcinations)"이라고 한다. 어떤 실시 예들에서, 여기에서 기술된 금속, 금속 산화물, 또는 세라믹 나노 섬유(예들 들어, 순수 금속 및/또는 세라믹 나노 섬유)를 생성하기 위하여, 여기에서 기술된 방법은 상기 전자 방사된 유체 원료(즉, 전구체 나노 섬유)로부터 폴리머를 제거하는 단계를 포함한다. 어떤 실시 예들에서, 상기 전구체 나노 섬유의 처리(하소)는 폴리머를 제거하는 단계를 포함한다(예들 들어, 선택적으로 상기 폴리머를 열적으로 또는 화학적으로 제거한다). 어떤 실시 예들에서, 상기 폴리머를 제거하는 단계는 상기 나노 섬유에서 공동들 및/또는 결함들을 생성한다. 어떤 예들에서, 상기 유체 원료에서 폴리머의 양을 감소시키는 것, 및/또는 감소된 공동들 또는 결함들 및 증가된 나노 섬유 길이 및 성능을 가져오는 처리(하소) 절차들을 채용하는 것이 본 개시의 목적이다. 어떤 예들에서, 상기 폴리머는 실질적으로 변경되지 않은 상태에서(in a substantially unmodified state) 제거된다. 어떤 예들에서, 상기 폴리머는 어떤 적당한 수단에 의해 분해된다(degraded)(예를 들어, 열에 의해 분해되거나, 기화되거나, 승화된다). 어떤 예들에서, 상기 폴리머는 화학적 수단에 의해 제거된다(예들 들어, 폴리머를 가용화하거나(solubilizing) 폴리머를 화학적으로 분해함으로써). 어떤 실시 예들에서, 상기 폴리머는 강한 산(acid) 또는 염기(base)에서 화학적으로 분해된다. 어떤 실시 예들에서, 하소는 선택적으로 전구체의 성분인 리간드(ligand)의 제거를 포함한다. 다양한 실시 예들에서, 상기 리간드는 분해되거나 전체로 제거되고, 열 또는 화학물질들(chemicals) 등에 의해 제거된다.
어떤 실시 예들에서, 처리(하소) 공정은 또한 전구체(들)을 금속(예들 들어, 단일 금속, 또는 금속 합금), 금속 산화물(예를 들어, 금속 산화물 세라믹), 및/또는 세라믹으로 변환하는 단계를 포함한다. 그러한 변환(conversion)은 또한 여기에서 "하소"라는 용어에 포함되도록 의도된다. 예시적인 하소는 폴리머 및 금속 및/또는 세라믹 전구체들을 포함하는 전구체 나노 섬유를 금속 및/또는 세라믹 나노 섬유로의 변환이다. 어떤 실시 예들에서, 전구체들의 금속(들), 금속 산화물(들), 및/또는 세라믹(들)로의 변환은 폴리머의 제가와 동시에 일어난다. 어떤 실시 예들에서, 전구체들의 변환 및 폴리머의 제거는 서로 다른 시간들에서 일어난다. 다양한 실시 예들에서, 폴리머 제거 및 전구체 변환은 동일한 조건들 하에서, 또는 사로 다른 조건들 하에서 일어난다.
어떤 실시 예들에서, 처리(하소)는 가스 환경에서 수행된다. 어떤 실시 예들에서(예들 들어, 산화 작용들이 진행되는 것을 원치 않는다면), 이 가스 환경은 불활성 환경(즉, 비 작용 가스들(non-reactive gases)로 구성되는)이다. 어떤 실시 예들에서, 처리(하소)는 비활성 가스(noble gas)와 같은 불활성 환경에서 일어난다. 이 비활성 가스는 헬륨(He), 네온(Ne), 아르곤(Ar), 크립톤(Kr), 크세논(Xe), 라돈(Ra), 또는 이들의 혼합물들이다. 특정 실시 예들에서, 이 불활성 가스는 아르곤이거나 이를 포함한다. 다른 특정 실시 예들에서, 이 불활성 가스는 질소(N2) 가스이거나 이를 포함한다.
어떤 실시 예들에서, 전자 방사된 유체 원료의 처리는 그에 관한 화학적 처리를 포함한다. 특정 실시 예들에서, 화학적 처리는 산화 조건들 하에서의 처리를 포함한다. 어떤 실시 예들에서, 산화 처리는 산소를 포함하는 가스(예들 들어, 공기)로 상기 전자 방사된 유체 원료를 처리하는 것을 포함한다. 어떤 실시 예들에서, 상기 산화 처리는 또한 열 처리를 포함한다. 어떤 화학적 반응들에서 하소 시에 선택적으로 산화 반응들이 일어난다. 어떤 예들에서, 산화는 금속 전구체들을 금속 산화물(예들 들어, 금속 산화물 세라믹) 또는 세라믹 나노 섬유들로 변환한다. 어떤 실시 예들에서, 산화 반응들은 공기와 같이 산소-풍부(oxygen-rich) 환경에서 수행된다. 하나의 특별한 예에서(예들 들어, 나노 섬유가 세라믹 나노 섬유인 경우), 하소는 약 600℃ 공기에서 약 2시간 동안 수행된다.
다른 특정 실시 예들에서, 화학 처리는 환원 환경들 하에서의 처리를 포함한다. 환원은 전자들을 얻는 것이고, 이는 산화와 반대 반응이다. 어떤 예들에서(예들 들어, 순수 금속 나노 섬유들의 생성에서와 같은), 환원 환경들이 채용된다. 여기에서 예들 들어, 환원 환경은 금속 전구체들의 금속 산화물들로의 변환을 억제하거나 최소화한다(및/또는 산화가 일어났다면 금속 산화물을 금속들로 다시 환원할 수 있다). 어떤 실시 예들에서, 환원 환경은 진공(vacuum) 하에서의 Mg와 같은 금속을 포함한다. 어떤 실시 예들에서, 환원 환경은 수소 가스(H2)를 포함한다. 특정 실시 ㅇ들에서, 환원 환경은 불활성 가스와 수소 가스의 혼합물이다. 어떤 실시 예들에서, 환원 환경의 세기는(strength) 다양한 비율들로 수소 가스(H2)와 불활성 가스의 혼합에 의해 변경된다. 본 개시는 수소-질소 혼합물들 및 이와 유사한 것을 포함한다. 어떤 실시 예들에서, 환원 환경은 산화가 억제되거나 최소화되는 환경이다(예들 들어, 실질적로 산소가 없는 환경). 하나의 특별한 예에서, 처리(하소)는 순수 금속 나노 섬유를 생성하기 위해 약 800℃의 아르곤 및 수소 혼합물 하에서 약 2 시간 동안 수행된다.
어떤 실시 예들에서, 처리(하소)는 액체 환경에서 수행된다. 어떤 실시 예들에서, 액체 환경은 물을 함유한다(aqueous). 다른 실시 예들에서, 상기 액체 환경은 유기 용매와 같이 물 외의 다른 용매(solvent)를 포함한다. 어떤 실시 예들에서, 상기 액체 환경은 산화, 환원, 불활성 조건들을 포함한다. 예시적인 액체-기반 환원 환경은 NaBH4 용액이다. 예시적인 산화 용액은 과산화 수소(hydrogen peroxide) H2O2 이다. 어떤 실시 예들에서, 하소는 촉매(catalyst)를 이용한다(즉, 가스 상태에서 수행되든 또는 액체 상태에서 수행되든).
하소는 어떤 적당한 온도에서 어떤 적당한 시간 동안 수행된다. 어떤 예들에서, 더 높은 온도 하소들은 더 작은 직경들의 나노 섬유들을 생성한다. 어떤 예들에서, 낮은 온도 및/또는 짧은 시간은 비정질(amorphous) 금속 또는 금속 산화물들에서 작은 결정 영역들(small crystal domains)을 발생시키는 반면, 고온 하소는 순수 금속 또는 순수 금속 산화물 결정들을 가진 너노 섬유들을 가져올 수 있다. 어떤 예들에서, 결정 크기(crystal size)는 전기 전도도 또는 자기 특성들에 영향을 준다. 어떤 예들에서, 자기적으로 활성인 금속 또는 금속 산화물들의 저온 하소는 초상자성 나노 섬유들(superparamagnetic nanofibers)을 생성할 수 있다. 어떤 예들에서, 고온 하소는 증가된 전기 전도도를 가진 금속 나노 섬유들을 생성할 수 있다.
어떤 실시 예들에서, 하소는 약 100℃, 약 150℃, 약 200℃, 약 300℃, 약 400℃, 약 500℃, 약 600℃, 약 700℃, 약 800℃, 약 900℃, 약 1,000℃, 약 1,500℃, 약 2,000℃, 및 이와 유사한 것 등에서 수행될 수 있다. 어떤 실시 예들에서, 하소는 적어도 100℃, 적어도 150℃, 적어도 200℃, 적어도 300℃, 적어도 400℃, 적어도 500℃, 적어도 600℃, 적어도 700℃, 적어도 800℃, 적어도 900℃, 적어도 1,000℃, 적어도 1,500℃, 적어도 2,000℃, 및 이와 유사한 것 등의 온도에서 수행될 수 있다. 어떤 실시 예들에서, 하소는 많아야 100℃, 많아야 150℃, 많아야 200℃, 많아야 300℃, 많아야 400℃, 많아야 500℃, 많아야 600℃, 많아야 700℃, 많아야 800℃, 많아야 900℃, 많아야 1,000℃, 많아야 1,500℃, 많아야 2,000℃, 및 이와 유사한 것 등의 온도에서 수행될 수 있다. 어떤 실시 예들에서, 하소는 약 300℃와 800℃ 사이, 약 400℃와 700℃ 사이, 약 500℃와 900℃ 사이, 약 700℃와 900℃ 사이, 약 800℃와 1,200℃ 사이, 및 이와 유사한 것 등의 온도에서 수행된다. 특정 실시 예들에서, 하소는 300℃와 1,200℃ 사이에서 수행된다. 더 특정한 실시 예들에서, 하소는 400℃와 1,000℃ 사이에서 수행된다. 또 더 특정한 실시 예들에서, 하소는 500℃와 900℃ 사이에서 수행된다. 어떤 특정 실시 예들에서, 하소는 600℃에서 수행된다. 다른 특정 실시 예들에서, 하소는 800℃에서 수행된다.
어떤 실시 예들에서, 하소는 일정한 온도에서 수행된다. 어떤 실시 예들에서, 이 온도는 시간에 따라 변한다. 어떤 실시 예들에서, 이 온도는 제1 온도(예들 들어, 전자 방사 공정의 온도, 선택적으로 실온)로부터 제2 온도로 증가한다. 어떤 실시 예들에서, 그 다음 하소는 상기 제2 온도에서 주어진 시간 동안 진행한다. 어떤 실시 예들에서, 온도는 계속 변한다. 하소 동안 온도의 증가율은 어떤 예들에서 변경된다. 어떤 적당한 증가율이 허용될 수 있고, 이에 의해 원하는 특성들의 나노 섬유가 얻어진다. 어떤 실시 예들에서, 온도 증가율은 약 0.1℃/분, 약 0.3℃/분, 약 0.5℃/분, 약 0.7℃/분, 약 1.0℃/분, 약 1,5℃/분, 약 2℃/분, 약 2.5℃/분, 약 3℃/분, 약 4℃/분, 약 5℃/분, 약 10℃/분, 약 20℃/분, 및 이와 유사한 것 등이다. 어떤 실시 예들에서, 온도 증가율은 적어도 0.1℃/분, 적어도 0.3℃/분, 적어도 0.5℃/분, 적어도 0.7℃/분, 적어도 1.0℃/분, 적어도 1,5℃/분, 적어도 2℃/분, 적어도 2.5℃/분, 적어도 3℃/분, 적어도 4℃/분, 적어도 5℃/분, 적어도 10℃/분, 적어도 20℃/분, 및 이와 유사한 것 등이다. 어떤 실시 예들에서, 온도 증가율은 많아야 0.1℃/분, 많아야 0.3℃/분, 많아야 0.5℃/분, 많아야 0.7℃/분, 많아야 1.0℃/분, 많아야 1,5℃/분, 많아야 2℃/분, 많아야 2.5℃/분, 많아야 3℃/분, 많아야 4 ℃/분, 많아야 5℃/분, 많아야 10℃/분, 많아야 20℃/분, 및 이와 유사한 것 등이다. 또 다른 실시 예들에서, 온도 증가율은 약 0.1℃/분과 0.5℃/분 사이, 약 0.5℃/분과 2℃/분 사이, 약 2℃/분과 10℃/분 사이, 약 0.1℃/분과 2℃/분 사이, 및 이와 유사한 것 등이다.
하소는 어떤 적당한 시간 동안 수행된다(예들 들어, 원하는 특성들을 가진 나노 섬유에 도달하는데 필요한 만큼). 어떤 실시 예들에서, 하소 시간과 온도는 서로 관련된다. 예들 들어, 더 높은 온도의 선택은 주어진 특성을 가지는 나노 섬유를 생성하는데 요구되는 시간의 양을 감소시킨다. 그 역이 또한 사실이다; 하소 시간을 증가시키는 것은 필요한 온도를 감소시키고, 이것은 예들 들어 나노 섬유가 온도 민감 재료들을 포함하는 경우 유리하다. 어떤 실시 예들에서, 하소는 약 5분, 약 15분, 약 30분, 약 1시간, 약 2시간, 약 3시간, 약 4시간, 약 8시간, 약 12시간, 약 1일, 약 2일, 및 이와 유사한 시간 동안 수행된다. 어떤 실시 예들에서, 하소는 적어도 5분, 적어도 15분, 적어도 30분, 적어도 1시간, 적어도 2시간, 적어도 3시간, 적어도 4시간, 적어도 8시간, 적어도 12시간, 적어도 1일, 적어도 2일, 및 이와 유사한 시간 동안 수행된다. 어떤 실시 예들에서, 하소는 많아야 5분, 많아야 15분, 많아야 30분, 많아야 1시간, 많아야 2시간, 많아야 3시간, 많아야 4시간, 많아야 8시간, 많아야 12시간, 많아야 1일, 많아야 2일, 및 이와 유사한 시간 동안 수행된다. 또 다른 실시 예들에서, 하소는 약 10분과 60분 사이, 약 1시간과 5시간 사이, 약 5시간과 1일 사이, 및 이와 유사한 시간 사이 동안 수행된다.
어떤 예들에서, 전구체 나노 섬유들의 하소는 원하는 나노 섬유를 결과적으로 가져온다(예들 들어, 순수 금속 또는 순수 세라믹 나노 섬유). 어떤 실시 예들에서, 상기 나노 섬유는 본질적으로 순수 금속 또는 세라믹으로 이루어진다(즉, 선택적으로 소량의 다른 재료들을 포함한다). 어떤 실시 예들에서, 상기 다른 재료들은 잔류(residue) 폴리머, 잔류 탄소질 재료(carbonaceous materials)(예들 들어, 분해된 리간드 및/또는 폴리머), 소량의 산소(예들 들어, 나노 섬유가 "순수 금속"이면, 금속 산화물의 형태로), 또는 유체 원료의 다른 성분들이다.
한 양상에서, 상기 공정은 높은 수율(high yield)을 가진다(예를 들어, 이것은 전구체가 비싼 실시 예들에서 바람직하다). 수율은 나노 섬유 내 전구체 분자들의 분자들 수(예들 들어, 몰(mol) 단위로)를 그들의 최종 형태(예들 들어, 금속, 금속 산화물, 또는 세라믹)로 변환되고 상기 나노 섬유 내에 포함된 전구체 분자들의 분자들 수(예들 들어, 몰(mol) 단위로)에 비교함으로써 정량화될 수 있다. 달리 말하면, 수율은 유체 원료 내 전구체 분자들의 수(또는 상기 전구체 분자가 그 안에 하나 이상의 금속 원자(즉, y 금속 원자들)를 가지고 있으면, y * 전구체 분자들의 수)를 상기 나노 섬유(들) 내 금속 원자들의 수로 나눔으로써 계산될 수 있다(즉, 유체 원료 내 금속 원자들/나노 섬유(들) 내 금속원자들). 어떤 예들에서, 상기 폴리머 상에 전구체의 더 높은 로딩은 더 높은 수율을 결과적으로 가져올 수 있다. 예들 들어, 하나의 시도에서 4:1 비에서 전구체 대 폴리머 로딩은 80% 수율을 가져왔다. 어떤 실시 예들에서, 나노 섬유들에서 금속 원자들은 유체 원료들 내 전구체 분자들의 수(예를 들어, mol 단위로)의 약 10%, 약 20%, 약 30%, 약 33%, 약 40%, 약 50%, 약 60%, 약 70%, 약 80%, 약 90%, 약 95%, 약 98%, 또는 약 100%이다. 어떤 실시 예들에서, 나노 섬유들에서 금속 원자들은 유체 원료들 내 전구체 분자들의 몰(mols)의 적어도 10%, 적어도 20%, 적어도 30%, 적어도 33%, 적어도 40%, 적어도 50%, 적어도 60%, 적어도 70%, 적어도 80%, 적어도 90%, 적어도 95%, 적어도 98%, 또는 적어도 99%이다. 어떤 실시 예들에서, 나노 섬유들에서 전구체 분자들의 몰은 유체 원료들 내 전구체 분자들의 몰의 약 10% 내지 약 40% 사이, 약 20% 내지 약 50% 사이, 또는 약 50% 내지 약 100% 사이이다.
유체 원료( Fluid Stock )
유체 원료들, 어떤 특징을 가지는 유체원료들, 여기에 기술된 방법에 따라 제조된 유체 원료들, 여기에 공개된 방법들에 의해 제조될 수 있는 유체 원료들, 여기에 개시된 전구체들을 포함하는 유체 원료들, 여기에 개시된 폴리머들을 포함하는 유체 원료들 및 여기에 개시된 방법들 및 시스템들에 적당한 유체 원료들이 여기에 기술된다. 본 개시는 또한 상기 유체 원료들 및 이와 유사한 것을 이용하기에 적당한 방법들을 포함한다.
어떤 실시 예들에서, 어떤 공정에서 제공된 또는 이용된 합성물(예들 들어, 전자 방사하는 유체 원료로서 이용하기 위한)은 금속 전구체와 폴리머를 포함한다. 어떤 실시 예들에서, 상기 금속 전구체는 상기 폴리머와 1:2 이상의 중량 대 중량비로 존재한다. 특정 실시 예들에서, 상기 금속 전구체는 상기 폴리머와 1:1 이상의 중량 대 중량비로 존재한다. 다른 실시 예들에서, 상기 전구체 대 폴리머 중량비는 본 개시를 통해 여기에 기술된 바와 같다. 어떤 실시 예들에서, 상기 유체 원료는 물을 더 포함한다(즉, 상기 유체 원료는 물을 함유한다(aqueous)). 어떤 실시 예들에서, 상기 금속 전구체는 적어도 200mM의 농도로 존재한다. 다른 실시 예들에서, 상기 전구체는 여기에서 기술된 어떤 적당한 양으로 존재한다. 다양한 실시 예들에서, 상기 유체 원료는 실질적으로 균일한 및/또는 균질한 분산 또는 용액(예들 들어, 점도 편차들(viscosity deviations), UV 흡수도, 또는 이와 유사한 것에 의해 측정되는 바와 같은)을 포함한다.
특정 실시 예들에서, 상기 유체 원료는 적어도 두 개의 서로 다른 금속 전구체들을 포함한다. 더 특정한 실시 예들에서, 상기 적어도 두 개의 사로 다른 금속 전구체들은 서로 다른 금속들을 포함한다. 어떤 실시 예들에서, 상기 적어도 두 개의 사로 다른 금속 전구체들의 이용은 여기에서 기술된 공정들에 따라 전자 방사 및 처리를 따르는 합금 또는 복합 나노 섬유를 제공한다.
특정 실시 예들에서, 상기 유체 원료의 금속 전구체는 적어도 부분적으로 폴리머-전구체 회합의 형태로 있다. 더 특정한 실시 예들에서, 상기 금속 전구체는 부분적으로 폴리머-전구체 회합의 형태(예들 들어, 여기에서 기술된 바와 같은 P-(MLb-1)g)로 및 부분적으로 폴리머와 회합하지 않는 형태(예들 들어, 여기에서 기술된 바와 같은 MLb)로 있다. 특정 실시 예들에서, 상기 유체 원료에 존재하는 전구체는 상기 폴리머와 적어도 80% 회합된다. 더 특정한 실시 예들에서, 상기 유체 원료에 존재하는 전구체는 상기 폴리머와 적어도 90% 회합된다. 또 더 특정한 실시 예들에서, 상기 유체 원료에 존재하는 전구체는 상기 폴리머와 적어도 95% 회합된다. 다른 특정 실시 예들에서, 상기 유체 원료에 존재하는 전구체는 상기 폴리머와 적어도 20%, 적어도 30%, 적어도 40%, 적어도 50%, 적어도 60%, 적어도 70%, 적어도 75%, 적어도 85%, 적어도 98%, 적어도 99% 회합된다. 어떤 예들에서, 폴리머들(P) 사이에 예들 들어, 금속 전구체를 통한 어떤 가교결합(crosslinking)이 존재할 것이다(예들 들어, P-MLb -2-P를 형성한다; 이것은 "회합된" 형태로 간주된다). 어떤 실시 예들에서, 여기에 기술된 상기 유체 원료의 폴리머들은 20% 이하 가교결합된다(예를 들어, 금속 전구체들의 20 이하가 2 이상의 폴리머들과 회합되고 및/또는 상기 폴리머의 단량체 단위들(monomeric units)의 20% 이하가 예들 들어, 금속 전구체를 통해 다른 폴리머에 접속된다). 어떤 실시 예들에서, 상기 폴리머들은 10% 이하 가교결합된다. 특정 실시 예들에서, 상기 폴리머들은 5% 이하 가교결합된다. 더 특정 실시 예들에서, 상기 폴리머들은 3% 이하 가교결합된다. 또 더 특정 실시 예들에서, 상기 폴리머들은 2% 이하 가교결합된다. 아직도 더 특정 실시 예들에서, 상기 폴리머들은 1% 이하 가교결합된다.
어떤 예들에서, 폴리머의 양에 대해 상대적으로 전구체의 양을 증가시키는 것 및/또는 상기 유체 원료에서 상기 전구체를 상대적으로 균일하게 분포시키는 것은, 전구체의 양이 더 적거나 상기 유체 원료가 균일하지 않은 경우의 나노 섬유들에 대해 상대적으로 감소된 공동들 및/또는 더 적은 결함들을 가진 나노 섬유들을 생성한다.
어떤 실시 예들에서, 상기 유체 원료는 용액, 선택적으로 물을 함유하는 용액이다. 어떤 실시 예들에서, 상기 폴리머는 수용성이고 상기 전구체는 리간드와 회합함으로써 가용화된다(solubilized). 어떤 실시 예들에서, 하나 이상의 성분들은 완전히 용해되지 않고, 상기 유체 원료는 분산(a dispersion)이다. 어떤 예들에서, 상기 유체 원료는 균일하거나 균질하다(예들 들어, 상기 유체 원료가 용액이든 분산이든 관계없다). 어떤 실시 예들에서, 상기 유체 원료의 균질성 및/또는 균일성은 상기 유체 원료의 점도의 표준 편차(standard deviation)를 측정함으로써 결정된다. 어떤 실시 예들에서, 상기 유체 원료의 부분들의 점도는 전체로서 상기 유체 원료의 점도로부터 5% 이하, 10% 이하, 20% 이하, 또는 여기에 기술된 나노 섬유들을 효과적으로 생성하기 위해 적당한 어떤 양만큼 벗어난다.
어떤 실시 예들에서, 상기 유체 원료는 예들 들어, 뒤흔들기(agitating)에 의해 균일하거나 균질한 상태로 유지된다. 어떤 실시 예들에서, 여기에 기술된 방법은 예를 들어, 상기 유체 원료를 가열 및/또는 뒤흔듦으로써 상기 유체 원료의 균질성을 유지하는 단계를 더 포함한다. 뒤흔드는 방법들은 섞기, 젓기, 흔들기, 초음파 처리, 또는 상기 유체 원료에서 하나 이상의 상태(phase)의 형성을 저지 또는 지연하기 위하여 에너지를 입력하는 다른 방법을 포함하고, 여기에 제한되지 않는다. 이들 방법 또는 등가의 방법들 중 어떤 것은 다양한 실시 예들에서 채용된다. 어떤 실시 예들에서, 상기 유체 원료를 지속적으로 뒤흔든다. 어떤 실시 예들에서, 균일한 분산 또는 용액을 만들기 위해 유체 원료를 뒤흔든 다음, 이것은 상기 유체 원료(예를 들어, 분산 또는 용액)가 균일성 및/또는 균질성을 잃기 전에(예를 들어, 그것이 하나 이상의 상태(phase)로 분리되기 전에) 전자 방사 단계에서 이용된다. 예시적인 상태들은 물을 함유하는 상태와 오일 상태, 또는 물을 함유하는 상태와 예를 들어 폴리머나 전구체를 포함하는 상태(예들 들어, 고체/침전 상태)이다.
어떤 실시 예들에서, 전구체 액체 또는 전구체 균일한 전구체 분산을 먼저 뒤흔듦으로써 균일한 유체 원료가 만들어진다. 어떤 실시 예들에서, 상기 유체 원료는, 제1 분산과 제2 분산이 결합하기 전에(예를 들어, 이것은 폴리머를 포함한다) 제1 분산에서 전구체를 균일하게 분포시킴으로써 만들어진다. 상기 전구체 용액 또는 균일한 분산은 어떤 실시 예들에서 계속하여 뒤흔들어지고, 상기 유체 원료를 만들기 위해 상기 폴리머 분산과 결합되는 동안 선택적으로 혼합된다.
어떤 실시 예들에서, 상기 유체 원료는 물을 함유하는 유체 원료이고 및/또는 물에 용해된 폴리머를 포함한다. 어떤 실시 예들에서, 상기 유체 원료의 연속적인 상태(continuous phase)는 물이다(예를 들어, 상기 유체 원료가 분산일 때). 어떤 실시 예들에서, 상기 용매는 물이다(예들 들어, 사익 유체 원료가 용액일 때). 다양한 실시 예들에서, 상기 전구체의 용액 또는 분산은 물을 함유하고(aqueous), 상기 폴리머의 용액 또는 분산은 물을 함유하고, 또는 용액들 또는 분산들 모두 물을 함유한다.
어떤 실시 예들에서, 상기 유체 원료는 실질적으로 균일한 또는 실질적으로 균질한 분산 또는 용액을 만들기 위해 가열된다(예를 들어, 선택적으로 뒤흔들기와 조합하여). 어떤 실시 예들에서, 상기 유체 원료는, 제1 분산이 제2 분산과 결합하기 전에(예들 들어, 이것은 폴리머를 포함한다) 제1 분산에서 전구체를 균일하게 분포시킴으로써 만들어진다. 어떤 실시 예들에서, 상기 제1 분산은 선택적으로 뒤흔들기와 조합하여 가열된다.
어떤 실시 예들에서, 상기 유체 원료에서 상기 폴리머 농도는 상기 폴리머의 평균 분자량(molecular weight)에 관계된다(예를 들어, 비례한다), 예를 들어, 상기 폴리머가 약 1,000,000 원자 질량 단위들의 분자량을 가지는 어떤 실시 예들에서, 상기 폴리머는 중량으로 상기 유체 원료의 1%에서 존재한다. 다른 예에서, 상기 폴리머가 약 50,000 원자 질량 단위들의 분자량을 가질 때, 상기 폴리머는 중량으로 상기 유체 원료의 20%에서 존재한다. 일반적으로, 폴리머의 분자량이 더 높을수록 고품질의 금속 및/또는 세라믹 나노 섬유들을 얻기 위해 상기 유체 원료에서의 폴리머의 요구되는 농도는 더 낮다.
유체 원료는 어떤 적당한 양의 폴리머를 포함한다. 상기 유체 원료에서 폴리머의 중량 퍼센트는 폴리머 만의 중량 퍼센트로서, 또는 회합된 전구체를 가지는 폴리머의 결합된 중량 퍼센트로서 나타내진다. 어떤 실시 예들에서, 상기 유체 원료는 약 10 중량 %의 폴리머 또는 전구체와 결합된 폴리머를 포함한다. 다른 실시 예들에서, 상기 유체 원료는 약 0.5 중량 %, 약 1 중량 %, 약 2 중량 %, 약 3 중량 %, 약 4 중량 %, 약 5 중량 %, 약 6 중량 %, 약 7 중량 %, 약 8 중량 %, 약 9 중량 %, 약 10 중량 %, 약 12 중량 %, 약 14 중량 %, 약 16 중량 %, 약 18 중량 %, 약 20 중량 %, 약 30 중량 %, 약 40 중량 %의 폴리머 또는 전구체와 결합된 폴리머를 포함한다. 어떤 실시 예들에서, 상기 유체 원료는 적어도 0.5 중량 %, 적어도 1 중량 %, 적어도 2 중량 %, 적어도 3 중량 %, 적어도 4 중량 %, 적어도 5 중량 %, 적어도 6 중량 %, 적어도 7 중량 %, 적어도 8 중량 %, 적어도 9 중량 %, 적어도 10 중량 %, 적어도 12 중량 %, 적어도 14 중량 %, 적어도 16 중량 %, 적어도 18 중량 %, 적어도 20 중량 %, 적어도 30 중량 %, 적어도 40 중량 %의 폴리머 또는 전구체와 결합된 폴리머를 포함한다. 어떤 실시 예들에서, 상기 유체 원료는 많아야 0.5 중량 %, 많아야 1 중량 %, 많아야 2 중량 %, 많아야 3 중량 %, 많아야 4 중량 %, 많아야 5 중량 %, 많아야 6 중량 %, 많아야 7 중량 %, 많아야 8 중량 %, 많아야 9 중량 %, 많아야 10 중량 %, 많아야 12 중량 %, 많아야 14 중량 %, 많아야 16 중량 %, 많아야 18 중량 %, 많아야 20 중량 %, 많아야 30 중량 %, 많아야 40 중량 %의 폴리머 또는 전구체와 결합된 폴리머를 포함한다. 어떤 실시 예들에서, 상기 유체 원료는 약 1 중량 %로부터 약 20 중량 %까지 폴리머 또는 전구체와 결합된 폴리머를 포함한다. 어떤 실시 예들에서, 상기 유체 원료는 약 1 중량 %로부터 약 10 중량 %까지, 약 1 중량 %로부터 약 5 중량 %까지, 약 5 중량 %로부터 약 20 중량 %까지, 약 5 중량 %로부터 약 10 중량 %까지, 약 10 중량 %로부터 약 15 중량 %까지, 또는 약 15 중량 %로부터 약 20 중량 %까지 폴리머 또는 전구체와 결합된 폴리머를 포함한다.
어떤 실시 예들에서, 상기 유체 원료 내 폴리머 농도는 단량체 잔기(monomeric residue) 농도로 결정된다. 달리 말하면, 폴리머의 농도는 원료 내에 존재하는 폴리머 반복 단위들(polymeric repeat units)의 농도에 기초하여 결정된다. 예들 들면, 폴리비닐 알코올의 폴리머 농도는 유체 원료에 존재하는 (-CH2CHOH-)의 농도에 기초하여 측정될 수 있다. 어떤 실시 예들에서, 상기 유체 원료에서 폴리머의 단량체 잔기(즉, 반복 단위) 농도는 적어도 100mM이다. 특정 실시 예들에서, 상기 유체 원료에서 폴리머의 단량체 잔기(즉, 반복 단위) 농도는 적어도 200mM이다. 더 특정 실시 예들에서, 상기 유체 원료에서 폴리머의 단량체 잔기(즉, 반복 단위) 농도는 적어도 400mM이다. 또 더 특정 실시 예들에서, 상기 유체 원료에서 폴리머의 단량체 잔기(즉, 반복 단위) 농도는 적어도 500mM이다. 어떤 실시 예들에서, 적어도 5mM, 적어도 100mM, 적어도 150mM, 적어도 200mM, 적어도 250mM, 적어도 300mM, 적어도 350mM, 적어도 400mM, 적어도 500mM, 적어도 700mM, 적어도 900mM, 적어도 1.2M, 적어도 1.5M, 적어도 2M, 적어도 5M, 및 이와 유사한 것이다. 어떤 실시 예들에서, 상기 유체 원료에서 상기 전구체의 농도는 5mM과 5M 사이, 200mM과 1M 사이, 100mM과 700mM 사이, 및 이와 유사한 것이다. 어떤 실시 예들에서, 상기 유체 원료에서 전구체 대 상기 유체 원료에서 단량체 잔기의 농도 비는 적어도 1:4이다. 특정 실시 예들에서, 상기 유체 원료에서 전구체 대 상기 유체 원료에서 단량체 잔기의 농도 비는 적어도 1:3이다. 더 특정 실시 예들에서, 상기 유체 원료에서 전구체 대 상기 유체 원료에서 단량체 잔기의 농도 비는 적어도 1:2이다. 또 더 특정 실시 예들에서, 상기 유체 원료에서 전구체 대 상기 유체 원료에서 단량체 잔기의 농도 비는 적어도 1:1.2이다. 아직도 더 특정 실시 예들에서, 상기 유체 원료에서 전구체 대 상기 유체 원료에서 단량체 잔기의 농도 비는 적어도 1:1이다(예들 들어, 5%이내). 다른 실시 예들에서, 상기 유체 원료에서 전구체 대 상기 유체 원료에서 단량체 잔기의 농도 비는 적어도 1:10, 적어도 1:8, 적어도 1:6, 적어도 1:1.5, 적어도 1:3.5, 적어도 1:2.5, 또는 다른 적당한 비이다.
어떤 실시 예들에서, 상기 유체 원료는 전구체와 폴리머를 포함하고, 여기에서 상기 전구체와 폴리머의 총 질량의 적어도 5 원소 wt. %는 금속이다. 어떤 실시 예들에서, 상기 전구체와 폴리머의 총 질량의 적어도 10 원소 wt. %는 금속이다. 특정 실시 예들에서, 상기 전구체와 폴리머의 총 질량의 적어도 15 원소 wt. %는 금속이다. 더 특정 실시 예들에서, 상기 전구체와 폴리머의 총 질량의 적어도 20 원소 wt. %는 금속이다. 특정 실시 예들에서, 상기 전구체와 폴리머의 총 질량의 적어도 25 원소 wt. %는 금속이다. 더 특정 실시 예들에서, 상기 전구체와 폴리머의 총 질량의 적어도 30 원소 wt. %는 금속이다. 아직도 더 특정 실시 예들에서, 상기 전구체와 폴리머의 총 질량의 적어도 35 원소 wt. %는 금속이다. 특정 실시 예들에서, 상기 전구체와 폴리머의 총 질량의 적어도 40 원소 wt. %는 금속이다. 다양한 실시 예들에서, 상기 전구체와 폴리머의 총 질량의 적어도 10 원소 wt. %, 적어도 15 원소 wt. %, 적어도 45 원소 wt. %, 적어도 50 원소 wt. %는 금속이다.
한 양상에서 상기 유체 원료에서 전구체의 농도는 높다. 상기 농도는 어떤 적당한 농도이다. 어떤 실시 예들에서, 상기 유체 원료에서 전구체의 농도는 약 5mM, 약 10mM, 약 20mM, 약 40mM, 약 60mM, 약 80mM, 약 100mM, 약 150mM, 약 200mM, 약 250mM, 약 300mM, 약 350mM, 약 400mM, 약 500mM, 약 700mM, 약 900mM, 약 1.2M, 약 1.5M, 약 2M, 약 5M, 및 이와 유사한 것 등이다. 어떤 실시 예들에서, 상기 유체 원료에서 전구체의 농도는 적어도 5mM, 적어도 10mM, 적어도 20mM, 적어도 40mM, 적어도 60mM, 적어도 80mM, 적어도 100mM, 적어도 150mM, 적어도 200mM, 적어도 250mM, 적어도 300mM, 적어도 350mM, 적어도 400mM, 적어도 500mM, 적어도 700mM, 적어도 900mM, 적어도 1.2M, 적어도 1.5M, 적어도 2M, 적어도 5M, 및 이와 유사한 것 등이다. 어떤 실시 예들에서, 상기 유체 원료에서 전구체의 농도는 많아야 5mM, 많아야 10mM, 많아야 20mM, 많아야 40mM, 많아야 60mM, 많아야 80mM, 많아야 100mM, 많아야 150mM, 많아야 200mM, 많아야 250mM, 많아야 300mM, 많아야 350mM, 많아야 400mM, 많아야 500mM, 많아야 700mM, 많아야 900mM, 많아야 1.2M, 많아야 1.5M, 많아야 2M, 많아야 5M, 및 이와 유사한 것 등이다. 어떤 실시 예들에서, 상기 유체 원료에서 전구체의 농도는 5mM과 5mM 사이, 20mM과 1M 사이, 100mM과 700mM 사이, 100mM과 300mM 사이, 및 이와 유사한 것 등이다.
어떤 실시 예들에서, 유체 원료는 (i) 제1 합성물의 형성하기 위해 제1 유체(예들 들어, 물, 또는 다른 물을 함유하는 매체)에 전구체를 용해시키는(dissolving) 또는 분산시키는(dispersing) 단계; (ⅱ) 제2 합성물의 형성하기 위해 제2 유체(예들 들어, 물, 또는 다른 물을 함유하는 매체)에 폴리머를 용해시키는 또는 분산시키는 단계; 및 (ⅲ) 유체 원료를 형성하기 위해 상기 제1 및 제2 합성물들의 적어도 일부를 결합하는(combining) 단계에 의해 제조된다.
전구체( Precursor )
어떤 실시 예들에서, 여기에 제공된 금속 전구체가 여기에 기술된 유체 원료에 존재할 수 있고, 여기에 기술된 전구체 나노 섬유에 존재할 수 있고, 여기에 기술된 전자 방사 방법에 이용될 수 있고, 또는 이와 유사한 것에 존재 또는 이용될 수 있다. 어떤 실시 예들에서, 상기 전구체는 금속, 세라믹, 또는 금속 산화물(금속 산화물 세라믹과 같은)로 변환할 수 있는 어떤 분자 또는 분자들이다. 많은 예들에서, 금속 전구체들은, 상기 전구체(예들 들어, 전구체/폴리머 나노 섬유에 존재하는 전구체)의 처리 시, 금속(예들 들어, 단일 금속, 금속 합금), 금속 산화물(예들 들어, 금속 산화물 세라믹) 또는 세라믹(예들 들어, 금속 산화물, 또는 그 외의 것)으로 선택적으로 변환된다. 어떤 실시 예들에서, 상기 전구체는 여기에서 기술된 것과 같은 폴리머들과 회합하는 분자 또는 분자들이다. 어떤 실시 예들에서, 상기 전구체는 폴리머들을 따라 또는 상기 유체 원료 내에서 실질적으로 균일하게 분포하는 분자 또는 분자들이다. 어떤 실시 예들에서, 상기 유체 원료에서 전구체의 증가된 중량비 및 상기 유체 원료에서 상기 전구체의 균일한 분포는 공동들(voids) 및/또는 결함들(defects)이 거의 없는 고품질 나노 섬유들을 결과적으로 가져온다(예들 들어, 중량비가 더 낮거나 또는 유체 원료가 균일하지 않은 경우의 나노 섬유에 비하여).
여기에, 전구체, 어떤 특성들을 가지는 전구체, 여기에 개시된 방법들에 따라 제조된 전구체, 여기에 개시된 방법들에 의해 제조될 수 있는 전구체, 여기에 개시된 리간드들을 포함시키는(incorporating) 전구체, 여기에 개시된 금속들을 포함시키는 전구체, 및 여기에 개시된 방법들 및 시스템들에 적당한 전구체가 기술된다. 또한 상기 전구체를 포함하는 나노 섬유들(전구체 나노 섬유들)을 포함하고 및/또는 상기 전구체들에 의해 제조되는 나노 섬유들(예들 들어, 금속-, 금속 산화물-, 세라믹-함유 나노 섬유들)을 생성하기 위해 상기 전구체들을 이용하는 방법들 등이 여기에 기술된다.
어떤 실시 예들에서, 상기 전구체는 적어도 하나의 리간드와 회합되는 금속 함유 화합물이다. 어떤 실시 예들에서, 상기 금속-리간드 회합(여기에서 "금속-리간드 착물"과 교환적으로 이용된다)은 어떤 적당한 유형의 결합 또는 상호 작용을 통하여 회합된다. 특정 실시 예들에서, 상기 금속-리간드 회합(금속-리간드 착물)에서 금속과 리간드 사이의 상호 작용은 이온 결합(예를 들어, 양이온 금속-음이온 리간드 염), 공유 결합, 금속-리간드 착물(예들 들어, 리간드와 금속 사이의 배위 착물(coordination complex)), 또는 이와 유사한 것이다. 어떤 예들에서, 여기에 기술된 전구체는 다른 리간드들 대신, 또는 이에 부가하여 폴리머와 회합된다-고려되도록 의도된 그러한 화합물들은 금속-리간드 회합들이다(부가적인 리간드들이 존재하건 안하건).
어떤 실시 예들에서, 여기에서 제공된 전구체는 리간드와 화합하고 및 폴리머와 어떤 회합이 없는 금속 화합물(예를 들면, MLb, 여기에서 M은 금속, L은 여기에 기술된 바와 같은 하나 이상의 리간드, 및 b는 적어도 1, 예들 들어, 1 내지 10과 같은 적당한 수); 폴리머와 회합하고 및 선택적으로 리간드와 회합하는 금속 화합물(예를 들어, P-MLb -1, MLb -1은 상기 폴리머(P)와 회합하는 제2 전구체; b>1이면 리간드와); 하나 이상의 폴리머와 회합하고 및, 선택적으로 리간드와 회합하는 금속 화합물(예들 들어, P-MLb -2-P; b>2이면 리간드와)이다.
어떤 실시 예들에서, 상기 전구체는 나노 섬유, 선택적으로 금속을 포함하는 재료에 실질적으로 동일한 분자이다. 어떤 실시 예들에서, 상기 전구체는 상기 나노 섬유를 포함하는 재료로 변환 가능하다. 상기 전구체는 여기에서 개시된 하소 절차들을 수행함으로써 변환된다. 예를 들어, 어떤 실시 예들에서, 리간드와의 착물에 있는 금속 전구체들은 산화 조건들 및 열을 채용함으로써 금속 산화물 나노 섬유들로 변환된다. 다른 예들에서, 리간드와의 착물에 있는 금속의 전구체들은 환원 조건들 및 열에서 하소함으로써 금속 나노 섬유로 변환된다. 또 다른 예들에서, 리간드와의 착물에 있는 금속의 전구체들은 불활성 조건들 및 열에서 하소함으로써 금속 나노 섬유로 변환된다. 다른 실시 예들에서, 이들 공정들은 열 없이 수행될 수 있다.
어떤 실시 예들에서, 순수 금속 또는 세라믹 나노 섬유들은 배터리들, 울트라커패시터들, 태양전지들, 및 이와 유사한 것과 같은 디바이스들에서 이용하기 위한 높은 전도성과 같은 매력적인 특성들을 가진다. 어떤 실시 예들에서, 나노 섬유들은 높은 표면적 대 체적 비(surface area to volume ratio) 때문에 촉매작용(catalysis) 분야에서 또한 유용하다. 어떤 실시 예들에서, 상기 전구체는 금속을 포함한다. 다양한 예들에서, 상기 금속은 전이 금속(transition metal), 알칼리 금속(alkali metal), 알칼리 토금속(alkaline earth metal), 전이후 금속(post-transition metal), 란탄족 원소(lanthanide), 또는 악티늄족 원소(actinide)이다. 전이 금속들은 다음을 포함한다: 스칸듐(Sc), 티타늄(Ti), 바나듐(V), 크롬(Cr), 망간(Mn), 철(Fe), 코발트(Co), 니켈(Ni), 구리(Cu), 아연(Zn), 이트륨(Y), 지르코늄(Zr), 니오븀(Nb), 몰리브덴(Mo), 테크네튬(Tc), 루테늄(Ru), 로듐(Rh), 팔라듐(Pd), 은(Ag), 카드뮴(Cd), 하프늄(Hf), 탄탈룸(Ta), 턴스텐(W), 레늄(Re), 오스뮴(Os), 이리듐(Ir), 백금(Pt), 금(Au), 수은(Hg), 러더포듐(Rf), 두브늄(Db), 시보르기움(Sg), 보륨(Bh), 및 하슘(Hs). 알칼리 금소들을 다음을 포함한다: 리튬(Li), 나트륨(Na), 칼륨(K), 루비듐(Rb), 세슘(Cs) 및 프란슘(Fr). 알칼리 토금속들은 다음을 포함한다: 베릴륨(Be), 마그네슘(Mg), 칼슘(Ca), 스트론튬(Sr), 바륨(Ba), 및 라듐(Ra). 전이후 금속들은 다음을 포함한다: 알루미늄(Al), 갈륨(Ga), 인듐(In), 주석(Sn), 탈륨(Tl), 납(Pb), 및 비스무스(Bi). 란탄족 원소들은 주기율표에서 원자번호 57 내지 71을 가진 원소들을 포함한다. 악티늄족 원소들은 주기율표에서 원자번호 89 내지 103을 가진 원소들을 포함한다. 추가로, 실리콘(Si), 게르마늄(Ge), 안티몬(Sb) 및 폴로늄(Po)은 본 개시의 목적을 위해 금속들로 간주된다. 어떤 실시 예들에서, 실리콘은 실리콘 나노 섬유를 생성하기 위해 여기에서 기술된 방법에서 이용된다. 특정 실시 예들에서, 상기 전구체의 금속은 전이 금속이다. 어떤 특정 실시 예들에서, 상기 전구체의 금속은 실리콘이다. 다른 특정 실시 예들에서, 상기 전구체의 금속은 실리콘이 아니다. 추가의 또는 대안적인 실시 예들에서, 상기 전구체의 금속은 알루미늄이다. 다른 특정 실시 예들에서, 상기 전구체의 금속은 알루미늄이 아니다. 어떤 실시 예들에서, 상기 전구체는 적어도 두 개의 서로 다른 금속들을 포함한다.
특정 실시 예들에서, 상기 금속은 알칼리 금속이다. 다른 특정 실시 예들에서 상기 금속은 알칼리 토금속이다. 또 다른 실시 예들에서, 상기 금속은 전이 금속이다. 더 특정한 실시 예들에서, 상기 금속은 주기(period) IV 전이 금속이다. 다른 특정 실시 예들에서, 상기 금속은 주기 V 전이 금속이다. 어떤 실시 예들에서, 상기 금속은 그룹(group) XIII 금속이다. 어떤 실시 예들에서, 상기 금속은 그룹 XIV 금속이다. 어떤 실시 예들에서, 상기 금속은 메탈로이드(metalloid)이다. 특정 실시 예들에서, 상기 금속은 리튬, 베릴륨, 나트륨(소듐), 마그네슘, 알루미늄, 실리콘, 칼륨(포타슘), 칼슘, 티타늄, 바나듐, 크롬, 망간, 철, 코발트, 니켈, 구리, 아연, 갈륨, 게르마늄, 지르코늄, 팔라듐, 은, 카드뮴, 주석, 바륨, 하프늄, 텅스텐, 납, 또는 이와 유사한 것이다.
특정 실시 예들에서, 상기 전구체는 적어도 두 개의 전구체들(즉, 적어도 제1 전구체 및 제2 전구체)를 포함하고, 각 전구체는 다른 전구체와는 다른 금속을 포함한다. 특정 실시 예들에서, 상기 금속들 중 적어도 하나는 실리콘이다. 다른 특정 실시 예들에서, 상기 금속들 중 적어도 하나는 알루미늄이다. 또 다른 실시 예들에서, 상기 금속들 중 적어도 하나는 지르코늄이다. 어떤 실시 예들에서, 상기 제1 전구체의 금속은 실리콘, 알루미늄, 또는 지르코늄이고, 상기 제2 전구체의 금속은 실리콘, 알루미늄, 또는 지르코늄이 아니다.
특정 실시 예들에서, 상기 금속 전구체는 금속-리간드 회합(착물)(예들 들어, 배위 착물)이고, 각각의 금속 전구체는 하나 이상의 리간드들(예들 들어, 1-10, 2-9, 또는 다른 어떤 수의 리간드들)과 회합된(착물화된) 금속 원자(들)을 포함한다. 특정 실시 예들에서, 여기에서 기술된 상기 전구체는 적어도 두 개의 서로 다른 유형들의 리간드(예를 들어, 적어도 하나의 아세테이트(acetate) 및 적어도 하나의 할라이드(halide)를 포함한다. 어떤 실시 예들에서, 상기 전구체는 금속 카르복실레이트(metal carboxylate)(예들 들어, -OCOCH3 또는 다른 -OCOR 그룹(group), 여기에서 R은 알킬(alkyl), 대체된 알킬(substituted alkyl), 아릴(aryl), 대체된 아릴(substituted aryl), 또는 이와 유사한 것이다)이다. 특정 실시 예들에서, 상기 전구체는 리튬 아세테이트, 베릴륨 아세테이트, 나트륨(소듐) 아세테이트, 마그네슘 아세테이트, 알루미늄 아세테이트, 실리콘 아세테이트, 칼륨(포타슘) 아세테이트, 칼슘 아세테이트, 티타늄 아세테이트, 바나듐 아세테이트, 크롬 아세테이트, 망간 아세테이트, 철 아세테이트, 코발트 아세테이트, 니켈 아세테이트, 구리 아세테이트, 아연 아세테이트, 갈륨 아세테이트, 게르마늄 아세테이트, 지르코늄 아세테이트, 팔라듐 아세테이트, 은 아세테이트, 카드뮴 아세테이트, 주석 아세테이트, 바륨 아세테이트, 하프늄 아세테이트, 텅스텐 아세테이트, 납 아세테이트, 또는 이와 유사한 것이다. 어떤 실시 예들에서, 상기 전구체는 금속 나이트레이트(metal nitrate)이다. 특정 실시 예들에서, 상기 전구체는 리튬 나이트레이트, 베릴륨 나이트레이트, 나트륨(소듐) 나이트레이트, 마그네슘 나이트레이트, 알루미늄 나이트레이트, 실리콘 나이트레이트, 칼륨(포타슘) 나이트레이트, 칼슘 나이트레이트, 티타늄 나이트레이트, 바나듐 나이트레이트, 크롬 나이트레이트, 망간 나이트레이트, 철 나이트레이트, 코발트 나이트레이트, 니켈 나이트레이트, 구리 나이트레이트, 아연 나이트레이트, 갈륨 나이트레이트, 게르마늄 나이트레이트, 지르코늄 나이트레이트, 팔라듐 나이트레이트, 은 나이트레이트, 카드뮴 나이트레이트, 주석 나이트레이트, 바륨 나이트레이트, 하프늄 나이트레이트, 텅스텐 나이트레이트, 납 나이트레이트, 또는 이와 유사한 것이다. 어떤 실시 예들에서, 상기 전구체는 금속 알콕사이드(metal alkoxide)(예들 들어, 매톡사이드(methoxide), 에톡사이드(ethoxide), 이소프로필 옥사이드(isopropyl oxide), t-부틸 옥사이드(t-butyl oxide), 또는 이와 유사한 것)이다. 특정 실시 예들에서, 상기 전구체는 리튬 알콕사이드, 베릴륨 알콕사이드, 나트륨(소듐) 알콕사이드, 마그네슘 알콕사이드, 알루미늄 알콕사이드, 실리콘 알콕사이드, 칼륨(포타슘) 알콕사이드, 칼슘 알콕사이드, 티타늄 알콕사이드, 바나듐 알콕사이드, 크롬 알콕사이드, 망간 알콕사이드, 철 알콕사이드, 코발트 알콕사이드, 니켈 알콕사이드, 구리 알콕사이드, 아연 알콕사이드, 갈륨 알콕사이드, 게르마늄 알콕사이드, 지르코늄 알콕사이드, 팔라듐 알콕사이드, 은 알콕사이드, 카드뮴 알콕사이드, 주석 알콕사이드, 바륨 알콕사이드, 하프늄 알콕사이드, 텅스텐 알콕사이드, 납 알콕사이드, 또는 이와 유사한 것이다. 어떤 실시 예들에서, 상기 전구체는 금속 할라이드(metal halide)(예들 들어, 클로라이드(chroride), 브로마이드(bromide), 또는 이와 유사한 것)이다. 특정 실시 예들에서, 상기 전구체는 리튬 할라이드, 베릴륨 할라이드, 나트륨(소듐) 할라이드, 마그네슘 할라이드, 알루미늄 할라이드, 실리콘 할라이드, 칼륨(포타슘) 할라이드, 칼슘 할라이드, 티타늄 할라이드, 바나듐 할라이드, 크롬 할라이드, 망간 할라이드, 철 할라이드, 코발트 할라이드, 니켈 할라이드, 구리 할라이드, 아연 할라이드, 갈륨 할라이드, 게르마늄 할라이드, 지르코늄 할라이드, 팔라듐 할라이드, 은 할라이드, 카드뮴 할라이드, 주석 할라이드, 바륨 할라이드, 하프늄 할라이드, 텅스텐 할라이드, 납 할라이드, 또는 이와 유사한 것이다. 어떤 실시 예들에서, 상기 전구체는 디케톤(diketone)(예들 들어, 아세틸아세톤(acetylacetone), 헥사플루오로아세틸아세톤(hexafluoroacetylacetone), 또는 이와 유사한 것)이다. 특정 실시 예들에서, 상기 전구체는 리튬 디케톤, 베릴륨 디케톤, 나트륨(소듐) 디케톤, 마그네슘 디케톤, 알루미늄 디케톤, 실리콘 디케톤, 칼륨(포타슘) 디케톤, 칼슘 디케톤, 티타늄 디케톤, 바나듐 디케톤, 크롬 디케톤, 망간 디케톤, 철 디케톤, 코발트 디케톤, 니켈 디케톤, 구리 디케톤, 아연 디케톤, 갈륨 디케톤, 게르마늄 디케톤, 지르코늄 디케톤, 팔라듐 디케톤, 은 디케톤, 카드뮴 디케톤, 주석 디케톤, 바륨 디케톤, 하프늄 디케톤, 텅스텐 디케톤, 납 디케톤, 또는 이와 유사한 것이다.
어떤 실시 예들에서, 상기 전구체는 전구체들의 혼합물들(mixtures) 또는 화합물들(combinations)을 포함한다. 어떤 실시 예들에서, 금속 전구체들의 혼합물들이 금속 합금 나노 섬유들을 형성하기 위해 이용된다. 어떤 실시 예들에서, 금속 합금 나노 섬유들은 금속의 합금들인 전구체들로부터 만들어진다. 예시적인 금속 합금들은 CdSe, CdTe, PbSe, PbTe, FeNi(퍼멀로이(perm alloy)), Fe-Pt 금속간 화합물(intermetallic compound), Pt-Pb, Pt-Pd, Pt-Bi, Pd-Cu, 및 Pd-Hf를 포함한다.
리간드들( Ligands )
여기에서 논의된 바와 같이, 여기에서 이용되는 금속 전구체들은 일반적으로 리간드와 회합한 금속을 포함한다. 리간드들은 어떤 적당한 방법으로, 예들 들어 이온(ionic), 공유(covalent), 배위(coordination), 착물(complexes), 컨쥬게이션(conjugation), 어떤 다른 적당한 회합(association)으로 상기 금속과 회합된다.
어떤 실시 예들에서, 전구체 분자들은 유체 원료에서 높은 용해도(solubility)를 가지지 않는다(예들 들어, 선택적으로 물을 함유하는 유체 원료에서 높은 용해도를 가지지 않는다). 어떤 예들에서, 전구체의 빈약한 용해도는 (a) 상기 유체 원료에서 전구체의 증가된 중량비 및 (b) 상기 유체 원료에서 전구체의 실질적으로 균일한 분포를 얻는 것을 어렵게 할 수 있다. 어떤 실시 예들에서, 상기 전구체는 가용화된다(solubilized). 어떤 실시 예들에서, 상기 전구체 분자들은 용매화하는 분자(a solvating molecule)(즉, 유체 매체, 예들 들어 물에서 상기 금속 전구체의 용해도 및/또는 분산도(dispersibility)를 개선하는 리간드)와 회합한 금속 원자를 포함한다. 어떤 실시 예들에서, 제1 전구체가 유체(예들 들어, 물)에 첨가될 수 있지만, 상기 유체에서 제2 전구체를 형성한다(예들 들어, 용매화합물(solvate) 및/또는 상기 유체 원료의 폴리머와의 회합). 선택적으로, 상기 용매화하는 분자는 상기 폴리머의 단량체들(monomers)과 실질적으로 유사하다(예들 들어, 리간드는 아세테이트이고 폴리머는 폴리비닐아세테이트이다). 어떤 실시 예들에서(예들 들어, 폴리머가 상기 유체 원료에서 가용성인(soluble)인 경우), 상기 전구체의 용해도 및 균일한 분포는 상기 전구체 및 상기 폴리머 모두에 상기 용매화하는 분자를 회합시킴으로써 달성된다.
어떤 실시 예들에서, 상기 용매화하는 분자는 리간드이다. 이 리간드는, 선택적으로 물을 함유하는 용액에서, 선택적으로 상기 유체 원료에서, 금속을 가용화하고 또는 금속의 분산도를 개선하는데 적당하다. 본 개시는 제1 용액에서 상기 전구체를 우선 가용화하거나 또는 분포시킴으로써 더 균일한 유체 원료를 달성하는 것을 포함한다. 어떤 실시 예들에서, 상기 용매화하는 분자 또는 리간드는 또한 제1 유체(예들 들어, 분산 또는 용액)(즉, 유체 원료를 만들기 위해 적어도 하나의 제2 용액과 혼합된)에서 상기 전구체의 용해도 또는 분산도를 개선한다.
어떤 실시예 들은 금속을 리간드와 회합시킴으로써, 선택적으로 상기 금속을 리간드와 착물화함으로써 상기 전구체를 가용화하는 것을 포함한다. 어떤 실시 예들에서, 상기 전구체는 여기에서 논의된 바와 같이, 금속-리간드 회합(예들 들어, 착물)을 포함한다. 어떤 예들에서, 상기 리간드들은 여기에서 상기 금속과 회합한 "분자들"이라고 한다. 금속 및 리간드 또는 분자 사이의 회합은 선택적으로 화학적 결합(예를 들어, 공유 결합), 이온 결합, 콘주게이션(conjugation), 또는 배위 착물(coordination complex)이다. 어떤 실시 예들에서, 상기 전구체는 금속-리간드 착물이다.
상기 용매화하는 분자 또는 리간드 및 상기 전구체 사이의 회합은 화학 기술 분야에서 알려진 어떤 물리적, 화학적, 또는 전자기적 힘이다. 회합의 예는 화학적 결합(chemical bond)이다. 결합들의 예는 공유 결합들, 비공유 결합들, 이온 결합들, 수소 결합들, 및 이와 유사한 것이다. 회합들의 또 다른 예들은 친수성 상호작용들(hydrophilic interactions) 및 소수성 상호작용들(hydrophobic interactions)이다. 숙달된 전문가는 상기 전구체 및 상기 상기 용매화하는 분자 또는 리간드 사이의 루이스 산-루이스 염기 상호 작용(a Lewis acid-Lewis base interaction)과 같이 채용될 수 있는 많은 다른 유형들의 상호 작용들 및 회합들을 알고 있을 것이다. 이 실시 예에서, 상기 리간드는 일반적으로 상기 "루이스 염기"이다. 이것은 루이스 산과 공유하기 위한 전자쌍을 제공하는 것을 의미한다.
어떤 실시 예들에서, 상기 회합은 금속-리간드 배위 착물이다. 금속-리간드 배위 착물들은 또한 "금속 착물들(metal complexes)" 또는 "킬레이트화 착물들(chelation complexes)"로서 알려진다. 이들 착물들은 일반적으로, 리간드들 또는 착화제(complexing agents)로 알려진, 둘러싸는 분자들 또는 음이온들(anions)의 어레이(array)에 결합된 중심 원자 또는 이온(보통 금속의)을 포함한다. 사실상, 금속들을 함유하는 대부분의 화합물들은 배위 착물들을 이룬다. 상기 금속과 리간드 사이의 회합은 다양한 실시 예들에서 강하거나 또는 약하다.
금속 원자당 어떤 적당한 수의 리간드들이 있다(예들 들어, 선택적으로, 용매화하기 위해 즉, 금속의 용해도 또는 분산도를 증가시키기 위해 적당한 수). 금속 원자당 리간드들의 수는 "배위 수(coordination number)"라고 한다. 어떤 실시 예들에서, 상기 배위 수는 2와 9 사이에 있다(MLb 화합물에 대해서, 배위 수는 b이다). 란탄족 및 악티늄족에 대해서 많은 수의 리간드들은 드물지 않다. 다양한 실시 예들에서, 결합들(bonds)의 수는 금속과 리간드들의 크기, 전하, 및 전자 구성에 의존한다. 금속 이온들은 하나 이상의 배위 수를 가질 수 있다(예들 들어, 금속의 산화 상태에 의존한다).
어떤 예들에서, 각 금속 원자에 대해 적어도 2개의 리간드 분자들이 있다. 다른 예들에서, 금속 원자에 대해 적어도 3개의 리간드가 있다. 어떤 실시 예들에서, 상기 전구체는 리간드와 근본적으로 포화된다. 분석 화학 기술 분야에 잘 알려진 어떤 적당한 방법에 의해, 금속에 더 많은 리간드를 연속하여 적정하고(titrate) 및 착화된 리간드의 양을 결정함으로써, 상기 전구체가 리간드와 근본적으로 포화되었는지를 결정할 수 있다. 어떤 실시 예들에서, 분석 화학 기술 분야에 잘 알려진 어떤 적당한 방법에 의해, 더 긴 시간들을 연속하여 기다리고(wate) 및 착화된 리간드의 양을 결정함으로써, 상기 전구체가 리간드와 근본적으로 포화되었는지를 결정한다. 어떤 예들에서, 연속하여 더 높은 양들의 리간드에서 또는 연속하여 더 긴 시간들에서 더 이상의 리간드가 상기금속 전구체와 착화하지 않을 때, 상기 전구체가 실질적으로 포화되었다고 결정할 수 있다.
한 예에서, 상기 리간드는 아세테이트이다. 어떤 실시 예들에서, 상기 전구체 분자들은 금속 아세테이트들이고 상기 폴리머는 폴리비닐 아세테이트이다. 다른 실시 예에서, 상기 전구체 분자들은 금속 아세테이트들이고 상기 폴리머는 폴리비닐 알코올이다.
이 기술 분야에 숙련된 사람들에게 알려진 많은 리간드들이 있고, 이 중 어떤 것이 이용된다. 어떤 실시 예들에서, 여기에 기술된 전구체는, 케톤들(ketones), 디케톤들(deketones)(예들 들어, ROCCHR'COR 그룹(group)과 같은 1,3-디케톤, 여기에서 R은 알킬, 대체된 알킬, 아릴, 대체된 아릴이고 R'는 R 또는 H이다), 카복실레이트들(carboxylates)(예들 들어, 아세테이트 또는 -OCOR 그룹(group), 여기에서 각 R은 독립적으로 알킬, 대체된 알킬, 아릴, 대체된 아릴이다), 할라이드들(halides), 나이트레이트들(nitrates), 아민들(amines)(예들 들어, NR'3, 여기에서 R"은 헤테로사이클(heterocycle) 또는 헤테로아릴(heteroaryl)을 형성하도록 함께 취해진, 독립적으로 R 또는 H 또는 R"), 및 이들의 조합들로 구성된 그룹으로부터 선택된 하나 이상의 리간드를 포함한다. 추가의 예들은 아오다이드(iodide(요오드화물)), 브로마이드(bromide), 설파이드(sulfide)(예들 들어, -SR), 티오시아네이트(thiocyanate), 클로라이드(chloride), 나이트레이트(nitrate), 아지드(azide), 플루오라이드(fluoride), 하이드록사이드(hydroxide), 옥살레이트(oxalate), 물(water), 나이트라이트(nitrite)(예들 들어, RN3), 이소티오시아네이트(isothiocyanate), 아세토나이트릴(acetonitrile), 피리딘(pyridine), 암모니아(ammonia), 에틸렌디아민(ethylenediamine), 2,2-바이피리딘(bipyridine), 1,10-페난트롤린(phenanthroline), 나이트라이트(nitrite), 트리페닐포스페이트(triphenylphosphate), 시아니드(cyanide), 카본 모녹사이드(carbon monoxide), 또는 알코-옥사이드(alko-oxide)를 포함한다. 어떤 예들에서, 상기 전구체는, 금속 아세테이트, 금속 할라이드(예들 들어, 금속 클로라이드), 금속 나이트레이트, 또는 금속 알코-옥사이드(예들 들어, 메톡사이드(methoxide) 또는 에톡사이드(ethoxide)와 같은 금속 착물(metal complex)이다.
다양한 실시 예들에서, 금속 및/또는 세라믹 전구체들은 리간드와 회합된(착화된) 금속 원자들이다. 예시적인 금속 및/또는 세라믹 전구체들은 니켈 아세테이트, 구리 아세테이트, 철 아세테이트, 니켈 나이트레이트, 구리 나이트레이트, 철 알코-옥사이드, 및 이와 유사한 것을 포함한다.
본 개시는 또한 리간드들의 조합들(combinations)의 이용을 포함한다. 한 예에서, 제1 리간드는 상기 전구체에 증가된 용해도를 주는 반면, 제2 리간드는 상기 전구체와 우선적으로 회합한다.
폴리머들( Polymers )
어떤 실시 예들에서, 여기에서 기술된 폴리머(예를 들어, 공정, 전구체 나노 섬유, 유체 원료, 및 이와 유사한 것에서)는 복수의 반응 사이트들(reacting sites)을 포함하는 폴리머(예를 들어, 호모폴리머(homopolymer) 또는 코폴리머(copolymer)이다. 어떤 실시 예들에서, 상기 반응 사이트들은 친핵성(nucleophilic)(즉, 친핵성 폴리머) 또는 친전자성(electrophilic)(즉, 친전자성 폴리머)이다. 예들 들어, 어떤 실시 예들에서, 여기에서 기술된 친핵성 폴리머는 복수의 알코올 그룹들(폴리비닐 알코올 -PVA- 또는 셀룰로스(cellulose)와 같은), 에테르 그룹들(폴리에틸렌 옥사이드 -PEO- 또는 폴리비닐 에테르 -PVE와 같은), 및/또는 아민 그룹들(폴리비닐 피리딘, ((디/모노)알킬아미노)알킬 알카크릴레이트, 또는 이와 유사한 것과 같은)을 포함한다.
어떤 실시 예들에서, 폴리머를 포함하는 유체 원료를 전자 방사하는 단계를 포함하는 방법들 및/또는 유체 원료들이 여기에 기술된다. 여기에 기술된 방법들은 선택적으로 물을 함유하는 유체 원료를 이용한다. 어떤 응용들에서, 물을 기반으로 한 공정(water-based process)이, 예를 들어, 유기 용매들과 연관된 잠재적인 건강, 환경, 또는 안전 문제들을 피하고 싶다면, 바람직하다. 여기에서 기술된 바와 같이, 어떤 실시 예들에서, 균질한 유체 원료를 전자 방사하는 것이 유리하다. 어떤 실시 예들에서, 상기 유체 원료는 균질하다(예들 들어, 이것은 수용성(water-soluble) 폴리머를 포함한다).
어떤 실시 예들에서, 여기에서 기술된 상기 구성물들 및 공정들에서 이용된 폴리머들은 수용성 또는 수 팽윤성(water swellable) 폴리머들을 포함하는 친수성(hydrophilic) 폴리머들이다. 어떤 양상들에서, 폴리머는 물에서 용해가능한데, 이는 그것이 물에서 용액을 형성하는 것을 의미한다. 다른 실시 예들에서, 상기 폴리머는 물에서 팽윤가능한데, 이것은 폴리머에 물을 첨가할 때 상기 폴리머가 그의 체적을 어떤 한계까지 증가시키나는 것을 의미한다. 수용성 또는 수 팽윤성 폴리머들은 일반적으로 적어도 어느 정도 친수성이다. 본 방법들에 적당한 예시적인 폴리머들은 폴리비닐 알코올(polyvinyl alcohol("PVA"), 폴리비닐 아세테이트(polyvinyl acetate("PVAc"), 폴리에틸렌 옥사이드(polyethylene oxide("PEO"), 폴리비닐 에테르(polyvinyl ether), 폴리비닐 피롤리돈(polyvinyl pyrrolidone), 폴리글리콜산(polyglycolic acid), 하이드록시에틸셀룰로스(hydroxyethylcellulose("HEC"), 에틸셀룰로스(ethylcellulose), 셀룰로스 에테르스(cellulose ethers), 폴리아크릴산(polyacrylic acid), 폴리이소시아네이트(polyisocyanate), 및 이와 유사한 것을 포함하지만, 이들에 제한되지 않는다. 어떤 실시 예들에서, 상기 폴리머는 생물학적 재료(biological material)로부터 분리된다(isolated). 어떤 실시 예들에서, 상기 폴리머는 녹말(starch), 키토산(chitosan), 크산탄(xanthan), 한천(agar), 구아 검(guar gum), 및 이와 유사한 것이다.
어떤 실시 예들에서, 상기 폴리머는 나노 섬유들을 전자 방사하기 위한 상기 유체 원료에 적당한 신장 점도(elongational viscosity)를 준다. 어떤 실시 예들에서, 낮은 전단 점도(shear viscosity)는 방울 맺힌 나노 섬유들(beaded nanofibers)을 가져온다. 한 양상에서, 상기 유체 공급(fluid feed)에서 전구체의 균일한 분포는 적당히 높은 신장 점도를 유지하도록 돕는다.
점도는 전단 스트레스(shear stress) 또는 인장 스트레스(tensile stress)에 의해 변형되는 유체의 저항의 척도이다. 점도는 포와즈(poise) 단위로 측정된다. 다양한 실시 예들에서, 폴리머 또는 유체 원료의 점도가 회합된 전구체와 함께 또는 전구체 없이 측정된다. 상기 폴리머 또는 유체 원료는 어떤 적당한 신장 점도를 가진다. 어떤 실시 예들에서, 상기 폴리머 또는 유체 원료는 약 10 poise, 약 50 poise, 약 100 poise, 약 200 poise, 약 300 poise, 약 400 poise, 약 500 poise, 약 600 poise, 약 800 poise, 약 1,000 poise, 약 1,500 poise, 약 2,000 poise, 약 2,500 poise, 약 3,000 poise, 약 5,000 poise, 및 이와 유사한 것의 신장 점도를 가진다. 어떤 실시 예들에서, 상기 폴리머 또는 유체 원료는 적어도 10 poise, 적어도 50 poise, 적어도 100 poise, 적어도 200 poise, 적어도 300 poise, 적어도 400 poise, 적어도 500 poise, 적어도 600 poise, 적어도 800 poise, 적어도 1,000 poise, 적어도 1,500 poise, 적어도 2,000 poise, 적어도 2,500 poise, 적어도 3,000 poise, 적어도 5,000 poise, 및 이와 유사한 것의 신장 점도를 가진다. 어떤 실시 예들에서, 상기 폴리머 또는 유체 원료는 많아야 10 poise, 많아야 50 poise, 많아야 100 poise, 많아야 200 poise, 많아야 300 poise, 많아야 400 poise, 많아야 500 poise, 많아야 600 poise, 많아야 800 poise, 많아야 1,000 poise, 많아야 1,500 poise, 많아야 2,000 poise, 많아야 2,500 poise, 많아야 3,000 poise, 많아야 5,000 poise, 및 이와 유사한 것의 신장 점도를 가진다. 어떤 실시 예들에서, 상기 폴리머 또는 유체 원료는 약 100 및 3,000 poise 사이, 또는 약 1,000 및 5,000 poise 사이, 및 이와 유사한 것의 신장 점도를 가진다.
분자량(molecular weight)는 폴리머를 포함하는 단량체들의 질량 및 중합도(degree of polymerization)에 관계된다. 어떤 실시 예들에서, 분자량은 점도에 영향을 주는 인자이다. 폴리머는 어떤 적당한 분자량을 가진다. 어떤 실시 예들에서, 폴리머는 적어도 20,000 amu(atomic mass units), 적어도 50,000 amu, 적어도 100,000 amu, 적어도 200,000 amu, 적어도 300,000 amu, 적어도 400,000 amu, 적어도 500,000 amu, 적어도 700,000 amu, 또는 적어도 1,000,000 amu 및 이와 유사한 것의 분자량을 가진다. 어떤 실시 예들에서, 폴리머는 많아야 20,000 amu, 많아야 50,000 amu, 많아야 100,000 amu, 많아야 200,000 많아야 amu, 많아야 300,000 amu, 많아야 400,000 amu, 많아야 500,000 amu, 많아야 700,000 amu, 또는 많아야 1,000,000 amu 및 이와 유사한 것의 분자량을 가진다. 어떤 실시 예들에서, 폴리머는 약 20,000 amu, 약 50,000 amu, 약 100,000 amu, 약 200,000 amu, 약 300,000 amu, 약 400,000 amu, 약 500,000 amu, 약 700,000 amu, 또는 약 1,000,000 amu 및 이와 유사한 것의 분자량을 가진다. 또 다른 실시 예들에서, 폴리머는 약 50,000 amu 내지 약 1,000,000 amu, 약 100,000 amu 내지 약 500,000 amu, 약 200,000 amu 내지 약 400,000 amu, 약 500,000 amu 내지 약 1,000,000 amu 및 이와 유사한 것의 분자량을 가진다.
다분산 지수(polydispersity index("PDI")는 주어진 폴리머 샘플에서 분자 질량의 분포의 척도이다. 상기 PDI는 중량 평균 분자량(weight average molecular weight)을 수 평균 분자량(number average molecular weight)으로 나눈 것인데, 이것은 폴리머 과학 기술 분야에서 숙달된 사람에게 알려진 공식에 의해 계산될 수 있다. 폴리머는 어떤 적당한 다분산 지수를 가진다. 어떤 실시 예들에서, 폴리머는 약 1, 약 2, 약 3, 약 4, 약 5, 약 6, 약 7, 약 8, 약 9, 약 10, 약 15, 약 20, 및 이와 유사한 것의 다분산 지수를 가진다. 어떤 실시 예들에서, 폴리머는 적어도 1, 적어도 적어도 2, 적어도 3, 적어도 4, 적어도 5, 적어도 6, 적어도 7, 적어도 8, 적어도 9, 적어도 10, 적어도 15, 적어도 20, 및 이와 유사한 것의 다분산 지수를 가진다. 어떤 실시 예들에서, 폴리머는 많아야 1, 많아야 2, 많아야 3, 많아야 4, 많아야 5, 많아야 6, 많아야 7, 많아야 8, 많아야 9, 많아야 10, 많아야 15, 많아야 20, 및 이와 유사한 것의 다분산 지수를 가진다. 어떤 실시 예들에서, 폴리머는 약 1 내지 약 10, 약 2 내지 약 5, 및 이와 유사한 것의 다분산 지수를 가진다.
본 개시는 폴리머들을 포함하고, 여기에 개시된 특성들을 가지는 폴리머들을 포함하고, 여기에 개시된 방법들에 따라 제조된 폴리머들을 포함하고, 여기에 개시된 방법들에 따라 제조될 수 있는 폴리머들을 포함하고, 여기에 개시된 전구체를 포함시키는 폴리머들을 포함하고, 및 여기에 개시된 방법들 및 시스템들에 적당한 폴리머들을 포함한다. 본 개시는 또한 폴리머들을 이용하는 방법들, 및 이와 유사한 것을 포함한다.
어떤 실시 예들에서, 상기 유체 원료는 폴리머들의 혼합물들 또는 화합물들을 포함한다. 예를 들어, 어떤 실시 예들에서, 제1 폴리머는 제1 전구체에 결합하고 제2 폴리머는 제2 전구체에 결합한다(예들 들어, 상기 전구체 나노 섬유의 처리를 뒤따르는 복합 나노 섬유를 형성하기 위해). 다른 예들에서, 제1 폴리머는 많은 양의 전구체와 회합하고 제2 폴리머는 전자 방사될 때 고품질 나노 섬유(예들 들어, 신장 점도)를 만들도록 선택된다. 어떤 실시 예들에서, 상기 유체 원료는 높은 전구체 로딩 폴리머 및 높게 방사할 수 있는 폴리머(highly spinnable polymer)를 포함한다.
어떤 실시 예들에서, 상기 유체 원료는 블록 코폴리머들(block copolymers)을 포함하는 코폴리머들을 포함한다. 상기 코폴리머는 적어도 하나의 비닐알코올, 비닐피롤리돈, 비닐아세테이트, 에틸렌 옥사이드, 디메틸아크릴아미드, 및/또는 폴리아크릴아미드 블록을 포함한다. 어떤 실시 예들에서, 상기 코폴리머의 다양한 블록들이 서로 다른 전구체들과 회합한다. 하나의 예에서, 제1 폴리머 블록은 니켈 전구체와 회합하고 제1 폴리머 블록은 철 전구체와 회합한다(예들 들어, 그들의 각각의 폴리머 회합들의 블록들의 분포에 대응하는 철의 나노 도메인들(nano-domains)로 사이에 배치되는(interspersed) 니켈의 나노 도메인들을 가지는 전구체 나노 섬유의 처리를 뒤따르는 복합 나노 섬유를 형성하기 위해). 어떤 실시 예들에서, 그러한 나노 섬유는 니켈-철 합금 나노 섬유와 다른 특성들을 가진다(즉, 철과 니켈이 분자 레벨상에서 실질적으로 균일하게 혼합된 경우에). 어떤 실시 예들에서, 제1 재료와 제1 재료를 포함하는 나노복합 나노 섬유(nanocomposite nanofiber)가 여기에 제공된다. 특정 실시 예들에서, 상기 제1 재료는 연속 매트릭스 재료(continuous matrix material)이다. 추가의 또는 대안적인 실시 예들에서, 상기 제2 재료는 나노 섬유의 별개의 분리된 도메인들(discrete, isolated domains)을 구성한다(예를 들어 나오 섬유의 표면상에). 어떤 실시 예들에서, 상기 제1 재료는 세라믹 또는 금속 산화물(예들 들어, 연속 매트릭스를 형성하는)이다. 어떤 실시 예들에서, 상기 제2 재료는 금속이다.
어떤 실시 예들에서, 폴리머는 전바 방사를 뒤따르는 나노 섬유로부터 제거된다(예들 들어, 여기에서 개시된 하소 방법들에 의해). 어떤 실시 예들에서, 하소는 폴리머를 분해한다(degrade). 어떤 실시 예들에서, 상기 제1 유체 원료는 분해가능한 폴리머들(예들 들어, 여기에서 개시된 하소 방법들에 의해 제거할 수 있는 폴리머들)을 포함한다. 상기 폴리머는 열분해, 화학적 분해, 승화(sublimation), 기화(evaporation), 및 이와 유사한 것을 포함하는, 그러나 이들에 제한되지 않는 어떤 적당한 수단들에 의해 선택적으로 분해되거나 또는 제거된다. 어떤 실시 예들에서, 더 낮은 분자량 폴리머들은 기화나 승화에 의해 제거하기가 더 쉽다.
폴리머 -전구체 회합들( polymer - precursor associations )
어떤 실시 예들에서, 상기 전구체를 상기 폴리머와 회합시키는 것은 상기 유체 원료에서 높은 비율의 전구체와 상기 유체 원료에서 균일한 분포의 전구체 중 적어도 하나를 달성한다. 어떤 예들에서, 상기 회합은 나노 섬유에서 공동들이나 결함들의 양을 감소시킨다. 어떤 실시 예들에서, 상기 전구체를 상기 폴리머와 회합시키는 것은 상기 유체 원료에서 상기 전구체와 상기 폴리머 중 하나 이상의 용해도(solubility)를 증가시킨다. 본 개시는 폴리머와 회합한 전구체 및 전구체를 폴리머와 회합시키는 방법들을 포함한다.
어떤 예들에서, 상기 폴리머의 모이어티(moiety)(예를 들어, 하이드록실(hydroxyl), 아민, 에테르, 등)은 상기 전구체의 리간드를 대체할 수 있다(즉, 제1 전구체를 제1 전구체로 변환하면서). 다른 예들에서, 상기 폴리머의 모이어티는 상기 리간드와 직접 반응할 수 있다(예들 들어, 폴리머의 친핵성 그룹이 상기 리간드의 친전자성 그룹과 반응할 수 있다. 그 반대도 성립한다). 도2A는 폴리머가 전구체와 회합될 수 있는 하나의 메커니즘을 도시한다.
어떤 실시 예들에서, 전구체는 상기 유체 원료에서 폴리머와 회합한다. 어떤 실시 예들에서, 여기에서 기술된 방법은 유체 원료를 제공하기 위하여 상기 전구체의 폴리머와의 회합을 이용하는데, 여기에서 전구체는 상기 유체 원료에서 균일하게 분포된다. 다양한 실시 예들에서, 상기 유체 원료는 용액 또는 실질적으로 균일한 분산인 상태로 있다(예를 들어, 부분적으로 상기 전구체가 상기 유체 원료에서 상기 폴리머와 회합하기 때문에). 다양한 실시 예들에서, 상기 회합은 상기 전구체와 상기 폴리머 사이의 물리적, 화학적, 또는 전자기적 힘이다. 회합들의 예들은 화학적 결합들이다. 결합들의 예는 공유 결합들, 비공유 결합들, 이온 결합들, 수소 결합들, 및 이와 유사한 것들이다. 화합들의 추가의 예들은 친수성 상호작용들 및 소수성 상호 작용들이다. 다른 유형들의 적당한 상호작용들 또는 회합들은 상기 전구체와 상기 폴리머 사이의 루이스 산-루이스 염기 상호작용이다. 어떤 실시 예들에서, 상기 회합은 금속-리간드 착물이다.
어떤 실시 예들에서, 폴리머 체인(polymer chain)을 따라 단량체들이 전구체가 회합하는 사이트들(sites)을 제공한다. 어떤 실시 예들에서, 이들 사이트들은 하이드록실 그룹, 카보닐 그룹, 알데히드 그룹, 에스터들(esters), 아민들, 코아르복시아미드(coarboxyamide), 이민들(imines), 나이트레이트들 및 이와 유사한 것을 포함하지만 이들에 제한되지 않는 화학물질 그룹(chemical group)이다. 어떤 실시 예들에서, 그룹들은 하이드로카본들(hydrocarbons), 할로겐들(halogens), 산소(oxygen), 질소(nitrogen), 황(sulfer), 인(phosphorus) 및 이와 유사한 것을 포함한다. 이 분야에 숙련된 사람들은 화학물질 그룹들에 친숙하다. 화학물질 그룹들은 또한 "기능 그룹들(functional groups)"로 알려져 있다. 어떤 실시 예들에서, 전구체들은 화학적 결합들을 통해 폴리머 상에서 화학물질 그룹들과 회합한다.
어떤 양상들에서, 상기 폴리머는 복수의 모이어티들을 포함한다. 어떤 실시 예들에서, 이들 모이어티들은 화학물질 그룹들이고, 선택적으로 상기 폴리머 체인을 따라 결합된 단량체들의 화학물질 그룹들이다. 어떤 실시 예들에서, 상기 모이어티들은 금속들을 포함하는 전구체들과 착화 또는 결합한다. 어떤 실시 예들에서, 상기 모이어티들은 금속-리간드 전구체의 리간드를 대체한다. 어떤 실시 예들에서, 상기 폴리머는 전구체(예들 들어, 선택적으로 금속 전구체와)와 회합할 수 있는 폴리머 분자당 평균적으로 적어도 100 기능 그룹들, 화학물질 그룹들, 또는 모이어티들을 포함한다.
한 예에서, 상기 전구체들은 철 아세테이트들(금속 리간드 착물)이고, 상기 폴리머는 폴리비닐 알코올이다. 이 예에서, 상기 모이어티 또는 기능 그룹은 알코올 그룹이다. 상기 폴리머는 그 백본(backbone)을 따라 상기 철 아세테이트와 회합하기에 적당한 복수의 알코올 그룹들을 가진다. 이 예에서, 상기 아세테이트는 철과 착화되면서 상기 알코올 그룹들에 결합하거나, 또는 상기 알코올 그룹들이 아세테이트 리간드를 대체하고 상기 철과 직접 회합한다.
어떤 실시 예들에서, 상기 폴리머 상에 회합된 또는 로딩된 전구체들의 양은 많다. 어떤 실시 예들에서, 더 많은 로딩은 상기 폴리머에서 기능 그룹들의 수(이것은 폴리머의 분자량 및 기능 그룹들의 농도에 의존한다)에 관계된다. 어떤 예들에서, 더 많은 기능 그룹들은 전구체가 회합하기 위한 더 많은 사이트들을 제공하고, 이에 의해 더 많은 전구체 로딩을 가능하게 한다.
어떤 실시 예들에서, 폴리머와 회합된 전구체의 양은 적어도 부분적으로 전구체당 리간드들의 수에 의해 결정된다. 어떤 실시 예들에서, 금속당 더 많은 리간드들은 리간드가 상기 폴리머 상의 기능 그룹들과 화합하는 확률을 증가시킨다. 한 예에서, 상기 전구체에서 알루미늄당 세 개의 아세테이트 리간드들이 있다.
어떤 실시 예들에서, 상기 폴리머는 기본적으로 전구체 분자들과 포화되는데, 이것은 실질적으로 더 이상의 전구체들이 상기 폴리머와 회합하지 않는 것을 의미한다. 어떤 실시 예들에서, 상기 포화는 상기 폴리머에 과다한 전구체를 첨가하고, 상기 폴리머를 상기 전구체로부터 분리하고, 및 얼마나 많은 양의 전구체가 상기 폴리머에 결합되었는지 결정함으로써 결정된다. 상기 전구체의 양은 분석 화학 기술에서 알려진 어떤 적당한 기법을 이용하여 측정된다. 어떤 예들에서, 분리에 뒤따라, 전문가는 회합되지 않은 전구체의 양, 폴리머와 회합된 전구체의 양, 또는 회합되지 않은 전구체의 양과 폴리머와 회합된 전구체의 양 모두를 결정한다. 이 성질의 테스트들(tests)은 점진적으로 다 많은 전구체를 상기 유체 원료에 첨가하면서, 상기 전구체가 과도한 양으로 존재하고 폴리머가 포화되었다는 것을 나타내는, 더 이상의 전구체가 폴리머와 결합하지 않을 때까지 수행된다. 어떤 예들에서, 더 긴 시간들에서 더 이상의 전구체가 폴리머와 회합하지 않고, 폴리머가 전구체와 포화되었다는 것을 입증하기 위해, 상기 전구체와 폴리머 사이의 점진적으로 더 긴 접촉 시간 기간들에 걸쳐 측정들이 수행된다. 포화를 결정하는 또 다른 적당한 방법은 상기 회합의 화학량론(stoichiometry)을 계산하는 것이다. 어떤 예들에서, 예를 들어, 상기 유체 원료에서 폴리머 상의 화학물질 그룹들의 몰들(moles)과 그들 기능 그룹들과 회합된 전구체 분자들의 몰들을 비교한다. 하나의 전구체가 하나의 화학물질 그룹과 회합하면, 전구체의 몰들이 화학물질 그룹들의 몰들과 실질적으로 같을 때 상기 폴리머는 포화된다.
어떤 실시 예들에서, 싱기 폴리머는 전구체와 어떤 적당한 레벨까지 포화된다. 어떤 예들에서, 폴리머의 다양한 샘플들이 전구체 포화 레벨들의 분포를 가진다. 따라서 개별 폴리머 샘플들은 평균 전구체 포화(average precursor saturation)을 초과하거나 그에 미치지 못한다. 어떤 실시 예들에서, 상기 폴리머는 평균적으로 전구체와 100% 이하로 포화된다. 예들 들어, 상기 폴리머는 평균적으로 적어도 20%, 적어도 30%, 적어도 40%, 적어도 50%, 적어도 60%, 적어도 70%, 적어도 75%, 적어도 80%, 적어도 85%, 적어도 90%, 적어도 95%, 적어도 96%, 적어도 97%, 적어도 98%, 적어도 99% 포화된다. 어떤 예들에서, 상기 폴리머는 평균적으로 약 50% 및 100% 사이, 약 70% 및 100% 사이, 약 90% 및 100% 사이, 약 50% 및 90% 사이, 약 60% 및 80% 사이, 또는 약 20% 및 50% 사이로 포화된다.
본 개시의 목적을 위해, 어떤 폴리머(예들 들어, PVA)에 대한 언급은 전구체와 회합될 때는 물론 전구체와 회합되지 않을 때 그러한 폴리머를 포함하는 것으로 의도된다(폴리머가 전구체와 회합되는 그런 경우들에서, 상기 폴리머는 상기 반응/회합을 뒤따라 있게 되는 폴리머 잔기(polymer residue)를 말한다). 예를 들어, PVA가 전구체 MLb와 결합된 경우들에서, PVA에 대한 언급은 P-OH 타입(부분적으로 또는 완전히 이온화된 형태들을 포함한다)의 회합되지 않은 폴리머, 및 회합된 P-O-MLb-1 타입에 대한 언급을 포함한다(여기에서 "PVA"에 대한 언급은 P-O 부분을 말하고, MLb -1은, MLb전구체가 PVA에 로딩되거나 또는 그와 화합되는 정도에 의존하여, MLb를 제외하고 또는 MLb에 더하여 존재할 수 있는 전구체를 말한다).
나노 섬유들( Nanofibers )
여기에서 어떤 실시 예들에서 나노 섬유들, 예를 들어, 여기에 개시된 하나 이상의 어떤 특성을 가지는 나노 섬유들, 여기에서 기술된 방법들에 의해 제조된 나노 섬유들, 및 여기에서 기술된 방법들에 의해 제조될 수 있는 나노 섬유들이 제공된다. 또한 여기에서 나노 섬유들을 이용하는 공정들, 나노 섬유들을 포함하는 디바이스들 및 이와 유사한 것이 제공된다.
어떤 실시 예들에서, 상기 나노 섬유들은 결함들 및/또는 공동들을 거의 가지지 않는다. 어떤 예들에서 나노 섬유에서 공동들 및 결함들은 나노 섬유에서 브레이크들(breaks), 직경이 매우 좁아 쉽게 깨질 수 있는 나노 섬유의 영역들(예를 들어, 평균 나노 섬유 직경의 10 이하 또는 5% 이하의 직경을 가지는), 나노 섬유 재료가 변칙적 형태들(anomalous morphologies)을 가지는 나노 섬유의 영역들(예를 들어, 실질적으로 비정질인 나노 섬유에서 결정질 도메인들(crystalline domains) - 그러한 결정질 도메인들은 나노 섬유의 파열성(fracturing)과 취성(brittleness)를 증가시킬 수 있다), 및 이와 유사한 것을 포함한다. 어떤 실시 예들에서, 나노 섬유의 선형 길이 mm당 약 1, 약 5, 약 10, 약 50, 약 100, 및 이와 유사한 수의 결함들이 있다. 어떤 실시 예들에서, 나노 섬유의 선형 길이 mm당 많아야 1, 많아야 5, 많아야 10, 많아야 50, 많아야 100, 및 이와 유사한 수의 결함들이 있다. 다른 실시 예들에서, 상기 나노 섬유들은 결함들과 공동들을 더욱 거의 가지지 않는데, 여기에서 나노 섬유에서의 결함들 및/또는 공동들의 수는 본 개시의 방법들에 의해 생성되지 않은 나노 섬유(예들 들어, 전구체의 낮은 로딩을 가진)에 비교된다.
금속 나노 섬유들( Metal nanofibers )
여기에서 다양한 실시 예들에서 순수 금속 나노 섬유들, 금속을 포함하는 나노 섬유들, 또는 실질적으로 금속을 포함하는 나노 섬유들이 제공된다. 순수 금속 나노 섬유들은 어떤 적당한 % 구성의 금속을 가진다. 어떤 실시 예들에서, 여기에 제공된 금속 나노 섬유들은 질량으로 약 99.99%, 약 99.95%, 약 99.9%, 약 99%, 약 98%, 약 97%, 약 96%, 약 95%, 약 90%, 약 80%, 및 이와 유사한 구성의 금속을 포함한다. 어떤 실시 예들에서, 여기에 제공된 금속 나노 섬유들은 질량(예들 들어, 원소 질량)으로 적어도 약 99.99%, 적어도 약 99.95%, 적어도 약 99.9%, 적어도 약 99%, 적어도 약 98%, 적어도 약 97%, 적어도 약 96%, 적어도 약 95%, 적어도 약 90%, 적어도 약 80%, 및 이와 유사한 구성의 금속을 포함한다. 다른 실시 예들에서, 여기에 제공된 금속 나노 섬유들은 질량으로(예들 들어, 원소 질량) 적어도 50%, 적어도 60%, 적어도 70%, 또는 적어도 75%의 금속을 포함한다. 특정 실시 예들에서, 여기에 제공된 금속 나노 섬유들은 질량으로 적어도 80%의 금속을 포함한다. 더 특정 실시 예들에서, 여기에 제공된 금속 나노 섬유들은 질량으로 적어도 90%의 금속을 포함한다. 또 더욱 특정 실시 예들에서, 여기에 제공된 금속 나노 섬유들은 질량으로 적어도 95%의 금속을 포함한다.
어떤 실시 예들에서, 여기에 제공된 금속 나노 섬유들은 결정질 금속의 연속적인 매트릭스(continuous matrix)를 포함한다. 어떤 예들에서, 결함들이 거의 없거나 없는 결정질 금속의 연속적인 매트릭스는 금속 나노 섬유들의 개선된 성능을 제공한다(예들 들어, 개선된 전기 전도도).
어떤 실시 예들에서, 금속 나노 섬유들은 단일 금속을 포함한다. 다른 실시 예들에서, 금속 나노 섬유들은 둘 이상의 금속들을 포함한다. 어떤 실시 예들에서, 여기에서 둘 이상의 금속들 및 합금 형태의 금속들을 포함하는 금속 나노 섬유들이 제공된다. 다른 실시 예들에서, 여기에서 둘 이상의 금속들 및 복합물 형태의 금속들을 포함하는 금속 나노 섬유들이 제공된다(예를 들어, 층을 이룬 하이브리드 나노 섬유(a layered hybrid nanofiber), 별개의 금속 세그먼트들을 가진 복합물, 연속적인 매트릭스를 형성하는 제1 금속과 나노 섬유 내 고립된 도메인들에 존재하는 제2 금속을 가진 복합물, 또는 이와 유사한 것).
어떤 실시 예들에서, 여기에 제공된 금속 나노 섬유들은 질량(예들 들어, 원소 질량)으로 10% 이하의 탄소를 포함한다. 어떤 실시 예들에서, 여기에 제공된 금속 나노 섬유들은 질량으로 7% 이하의 탄소를 포함한다. 특정 실시 예들에서, 여기에 제공된 금속 나노 섬유들은 질량으로 5% 이하의 탄소를 포함한다. 더 특정 실시 예들에서, 여기에 제공된 금속 나노 섬유들은 질량으로 3% 이하의 탄소를 포함한다. 또 더 특정 실시 예들에서, 여기에 제공된 금속 나노 섬유들은 질량으로 1% 이하의 탄소를 포함한다. 어떤 실시 예들에서, 여기에 제공된 금속 나노 섬유들은 질량(예들 들어, 원소 질량)으로 10% 이하의 산소를 포함한다. 어떤 실시 예들에서, 여기에 제공된 금속 나노 섬유들은 질량으로 3% 이하의 산소를 포함한다. 특정 실시 예들에서, 여기에 제공된 금속 나노 섬유들은 질량으로 2% 이하의 산소를 포함한다. 더 특정 실시 예들에서, 여기에 제공된 금속 나노 섬유들은 질량으로 1% 이하의 산소를 포함한다. 또 더 특정 실시 예들에서, 여기에 제공된 금속 나노 섬유들은 질량으로 0.5% 이하의 산소를 포함한다.
도15는 여기에서의 방법에 따라 제조된 니켈 나노 섬유들의 원소 분석을 도시한다. 상기 나노 섬유의 밝은 및 어두운 영역들(차례로, 패널 A 및 B) 모두에서, 상기 나노 섬유가 높은 니켈 함량을 가지는 것이 관측된다. 니켈 대 산소 대 탄소의 원소 비들은 어두운 영역에서 약 64:1:0.25, 밝은 영역에서 62:5:0.1이었다.
상기 금속은 전이 금속, 알칼리 금속, 알칼리 토금속, 전이후 금속, 란탄족 원소(lanthanide), 또는 악티늄족 원소(actinide)를 포함하는 어떤 금속이다. 적당한 전이 금속들은 다음을 포함한다: 스칸듐(Sc), 티타늄(Ti), 바나듐(V), 크롬(Cr), 망간(Mn), 철(Fe), 코발트(Co), 니켈(Ni), 구리(Cu), 아연(Zn), 이트륨(Y), 지르코늄(Zr), 니오븀(Nb), 몰리브덴(Mo), 테크네튬(Tc), 루테늄(Ru), 로듐(Rh), 팔라듐(Pd), 은(Ag), 카드뮴(Cd), 하프늄(Hf), 탄탈룸(Ta), 턴스텐(W), 레늄(Re), 오스뮴(Os), 이리듐(Ir), 백금(Pt), 금(Au), 수은(Hg), 러더포듐(Rf), 두브늄(Db), 시보르기움(Sg), 보륨(Bh), 및 하슘(Hs). 적당한 알칼리 금소들을 다음을 포함한다: 리튬(Li), 나트륨(Na), 칼륨(K), 루비듐(Rb), 세슘(Cs) 및 프란슘(Fr). 적당한 알칼리 토금속들은 다음을 포함한다: 베릴륨(Be), 마그네슘(Mg), 칼슘(Ca), 스트론튬(Sr), 바륨(Ba), 및 라듐(Ra). 적당한 전이후 금속들은 다음을 포함한다: 알루미늄(Al), 갈륨(Ga), 인듐(In), 주석(Sn), 탈륨(Tl), 납(Pb), 및 비스무스(Bi). 적당한 란탄족 원소들은 주기율표에서 원자번호 57 내지 71을 가진 원소들을 포함한다. 적당한 악티늄족 원소들은 주기율표에서 원자번호 89 내지 103을 가진 원소들을 포함한다. 어떤 실시 예들에서, 상기 나노 섬유는 게르마늄(Ge), 안티몬(Sb), 폴로늄(Po), 또는 실리콘(Si)을 포함한다. 제한되지 않은 예들에 의해, 금속 나노 섬유들을 생성하는 어떤 방법들이 여기에 개시되고, 선택적으로 환원 조건들 하에서 하소를 포함한다.
특정 실시 예들에서, 나노 섬유는 알칼리 금속을 포함한다. 추가의 또는 대안적인 실시 예들에서, 나노 섬유는 알칼리 토금속을 포함한다. 어떤 실시 예들에서, 나노 섬유는 전이 금속을 포함한다. 어떤 실시 예들에서, 나노 섬유는 주기(period) IV 전이 금속을 포함한다. 어떤 실시 예들에서, 나노 섬유는 주기 V 전이 금속을 포함한다. 어떤 실시 예들에서, 나노 섬유는 그룹(group) XIII 금속을 포함한다. 어떤 실시 예들에서, 나노 섬유는 그룹 XIV 금속을 포함한다. 어떤 실시 예들에서, 나노 섬유는 메탈로이드(metalloid)를 포함한다. 특정 실시 예들에서, 나노 섬유는 리튬, 베릴륨, 나트륨(소듐), 마그네슘, 알루미늄, 실리콘, 칼륨(포타슘), 칼슘, 티타늄, 바나듐, 크롬, 망간, 철, 코발트, 니켈, 구리, 아연, 갈륨, 게르마늄, 지르코늄, 팔라듐, 은, 카드뮴, 주석, 바륨, 하프늄, 텅스텐, 납, 이들의 조합들, 또는 이와 유사한 것을 포함한다. 특정 실시 예들에서, 나노 섬유는 실리콘을 포함한다.
도 3, 5, 7, 8, 12, 22, 23, 26, 27, 및 28은 여기에서 제공된 및/또는 여기에서 기술된 방법들에 따라 제조된 전구체 및 금속 나노 섬유들을 도시한다. 도3은 평균 직경 500-700 nm를 가지는 니켈 전구체 나노 섬유들(301)과, 아르곤(Argon)에서 2 시간 동안 600℃에서 처리 후 상기 니켈 전구체 나노 섬유들(301)로부터 제조된, 평균 직경 400-500 nm를 가지는 니켈 나노 섬유들(302)를 도시한다. 도3은 또한 상기 니켈 나노 섬유들(302)의 결정 x-선 회절 패턴(crystal x-ray diffraction pattern)(303)을 도시한다. 도5는 평균 직경 600-800 nm를 가지는 구리 전구체 나노 섬유들(501)과, 아르곤/수소 혼합물에서 2 시간 동안 800℃에서 처리 후 상기 구리 전구체 나노 섬유들(501)로부터 제조된, 평균 직경 300-500 nm를 가지는 구리 나노 섬유들(502)를 도시한다. 도5은 또한 상기 구리 나노 섬유들(502)의 결정 x-선 회절 패턴(503)을 도시한다. 도7은 평균 직경 900-1200 nm를 가지는 은 전구체 나노 섬유들(701)과, 공기(air)에서 2 시간 동안 600℃에서 처리 후 상기 은 전구체 나노 섬유들(701)로부터 제조된, 평균 직경 600-800 nm를 가지는 은 나노 섬유들(702)를 도시한다. 도7은 또한 상기 은 나노 섬유들(702)의 결정 x-선 회절 패턴(703)을 도시한다. 도8은 평균 직경 300-600 nm를 가지는 철 전구체 나노 섬유들(801)과, 아르곤에서 2 시간 동안 600℃에서 처리 후 상기 철 전구체 나노 섬유들(801)로부터 제조된, 평균 직경 200-500 nm를 가지는 철 나노 섬유들(802)를 도시한다. 도8은 또한 상기 철 나노 섬유들(802)의 결정 x-선 회절 패턴(803)을 도시한다. 도12은 평균 직경 500-1100 nm를 가지는 납 전구체 나노 섬유들(1201)과, 아르곤/수소 혼합물에서 2 시간 동안 600℃에서 처리 후 상기 납 전구체 나노 섬유들(1201)로부터 제조된, 평균 직경 250-700 nm를 가지는 납 나노 섬유들(1202)를 도시한다. 도12는 또한 상기 납 나노 섬유들(1202)의 결정 x-선 회절 패턴(1203)을 도시한다. 도 13은 니켈 전구체 나노 섬유들(패널 B), 및 니켈 나노 섬유들(패널 D)를 도시한다. 전구체 로딩(패널 A)에 의존하면서, 유체 원료에 조합된 니켈 아세테이트 및 PVA의 중량 대 중량비에 기초하여, 서로 다른 직경들의 전구체 나노 섬유들(패널 C) 및 금속 나노 섬유들(패널 E)가 얻어졌다. 도14는 또한 니켈 아세테이트 및 PVA로부터 제조된 유체 원료들로부터 제조된 니켈 나노 섬유들을 도시한다(패널 A는 폴리머 대 전구체의 중량 대 중량비에 기초한 로딩을 도시한다). 도15는 본 개시에 따라 제조된 금속 나노 섬유들의 원소 분석을 도시한다. 도 22 및 23은 본 개시에 따라 제조된 금속 합금 나노 섬유들을 도시한다. 도22는 평균 직경 300-1000 nm를 가지는 카드뮴-셀레늄 전구체 나노 섬유들(2201)과, 아르곤(Argon)에서 2 시간 동안 600℃에서 처리 후 상기 카드뮴-셀레늄 전구체 나노 섬유들(2201)로부터 제조된, 평균 직경 500-700 nm를 가지는 카드뮴-셀레늄 합금 나노 섬유들(2202)를 도시한다. 도22는 또한 상기 카드뮴-셀레늄 합금 나노 섬유들(2202)의 결정 x-선 회절 패턴(2203)을 도시한다. 도23는 평균 직경 700-1300 nm를 가지는 납-셀레늄 전구체 나노 섬유들(2301)과, 아르곤(Argon)에서 2 시간 동안 600℃에서 처리 후 상기 납-셀레늄 전구체 나노 섬유들(2301)로부터 제조된, 평균 직경 600-900 nm를 가지는 납-셀레늄 합금 나노 섬유들(2302)를 도시한다. 도23은 또한 상기 납-셀레늄 합금 나노 섬유들(2302)의 결정 x-선 회절 패턴(2303)을 도시한다. 도24는 상기 카드뮴-셀레늄 및 상기 납-셀레늄 합금 나노 섬유들의 더 줌된(zoomed) 모습을 도시하고, 도25는 상기 납-셀레늄 합금 나노 섬유들의 원소 분석을 도시한다. 도26는 평균 직경 500-900 nm를 가지는 카드뮴-텔루륨 전구체 나노 섬유들(2601)과, 아르곤(Argon)에서 2 시간 동안 600℃에서 처리 후 상기 카드뮴-텔루륨 전구체 나노 섬유들(2601)로부터 제조된, 평균 직경 300-650 nm를 가지는 카드뮴-텔루륨 합금 나노 섬유들(2602)를 도시한다. 도26는 또한 상기 카드뮴-텔루륨 합금 나노 섬유들(2602)의 결정 x-선 회절 패턴(2603)을 도시한다. 도27는 평균 직경 400-700 nm를 가지는 납-텔루륨 전구체 나노 섬유들(2701)과, 아르곤(Argon)에서 2 시간 동안 600℃에서 처리 후 상기 납-텔루륨 전구체 나노 섬유들(2701)로부터 제조된, 평균 직경 300-550 nm를 가지는 납-텔루륨 합금 나노 섬유들(2702)를 도시한다. 도27는 또한 상기 납-텔루륨 합금 나노 섬유들(2702)의 결정 x-선 회절 패턴(2703)을 도시한다. 도28는 평균 직경 600-1000 nm를 가지는 철-니켈 전구체 나노 섬유들(2801)과, 아르곤/수소 혼합물에서 2 시간 동안 600℃에서 처리 후 상기 철-니켈 전구체 나노 섬유들(2801)로부터 제조된, 평균 직경 200-750 nm를 가지는 철-니켈 합금 나노 섬유들(2802)를 도시한다. 도28는 또한 상기 철-니켈 합금 나노 섬유들(2802)의 결정 x-선 회절 패턴(2703)을 도시한다. 도29는 철 산화물/철-니켈에 대한 TEM 이미지들을 도시한다.
세라믹 및 금속 산화물 나노 섬유들( Ceramic and Metal Oxide Nanofibers )
여기에서 다양한 실시 예들에서 순수 세라믹 나노 섬유들, 세라믹을 포함하는 나노 섬유들, 또는 실질적으로 세라믹을 포함하는 나노 섬유들이 제공된다. 어떤 실시 예들에서, 세라믹 나노 섬유들은 질량으로 약 99.99%, 약 99.95%, 약 99.9%, 약 99%, 약 98%, 약 97%, 약 96%, 약 95%, 약 90%, 약 80%, 및 이와 유사한 구성의 세라믹을 포함한다. 어떤 실시 예들에서, 상기 세라믹 나노 섬유들은 질량(예들 들어, 원소 질량)으로 적어도 약 99.99%, 적어도 약 99.95%, 적어도 약 99.9%, 적어도 약 99%, 적어도 약 98%, 적어도 약 97%, 적어도 약 96%, 적어도 약 95%, 적어도 약 90%, 적어도 약 80%, 및 이와 유사한 구성의 세라믹을 포함한다. 다른 실시 예들에서, 여기에 제공된 세라믹 나노 섬유들은 질량으로(예들 들어, 원소 질량) 적어도 50%, 적어도 60%, 적어도 70%, 또는 적어도 75%의 세라믹을 포함한다. 특정 실시 예들에서, 여기에 제공된 세라믹 나노 섬유들은 질량으로 적어도 80%의 세라믹을 포함한다. 더 특정 실시 예들에서, 여기에 제공된 세라믹 나노 섬유들은 질량으로 적어도 90%의 세라믹을 포함한다. 또 더욱 특정 실시 예들에서, 여기에 제공된 세라믹 나노 섬유들은 질량으로 적어도 95%의 세라믹을 포함한다.
여기에서 다양한 실시 예들에서 순수 금속 산화물 나노 섬유들(예를 들어 금속 산화물 세라믹들을 포함한다), 금속 산화물을 포함하는 나노 섬유들, 또는 실질적으로 금속 산화물을 포함하는 나노 섬유들이 제공된다. 어떤 실시 예들에서, 상기 금속 산화물 나노 섬유는 질량으로 약 99.9%, 약 99%, 약 98%, 약 97%, 약 96%, 약 95%, 약 90%, 약 80%, 및 이와 유사한 구성의 금속 산화물을 포함한다. 어떤 실시 예들에서, 상기 금속 산화물 나노 섬유는 질량(예를 들어, 원소 질량)으로 적어도 약 99.9%, 적어도 약 99%, 적어도 약 98%, 적어도 약 97%, 적어도 약 96%, 적어도 약 95%, 적어도 약 90%, 적어도 약 80%, 및 이와 유사한 구성의 금속 산화물을 포함한다. 다른 실시 예들에서, 여기에 제공된 금속 산화물 나노 섬유들은 질량으로(예들 들어, 원소 질량) 적어도 50%, 적어도 60%, 적어도 70%, 또는 적어도 75%의 금속 산화물을 포함한다. 특정 실시 예들에서, 여기에 제공된 금속 산화물 나노 섬유들은 질량으로 적어도 80%의 금속 산화물을 포함한다. 더 특정 실시 예들에서, 여기에 제공된 금속 산화물 나노 섬유들은 질량으로 적어도 90%의 금속 산화물을 포함한다. 또 더욱 특정 실시 예들에서, 여기에 제공된 금속 산화물 나노 섬유들은 질량으로 적어도 95%의 금속 산화물을 포함한다. 어떤 실시 예들에서, 여기에 제공된 상기 금속 산화물 나노 섬유는 질량으로 적어도 80% 금속 및 산소를 포함한다. 더 특정 실시 예들에서, 여기에 제공된 금속 산화물 나노 섬유들은 질량으로 적어도 90% 금속 및 산소를 포함한다. 또 더 특정 실시 예들에서, 여기에 제공된 금속 산화물 나노 섬유들은 질량으로 적어도 95% 금속 및 산소를 포함한다. 또 더욱 특정 실시 예들에서, 여기에 제공된 금속 산화물 나노 섬유들은 질량으로 적어도 98% 금속 및 산소를 포함한다.
어떤 실시 예들에서, 여기에 제공된 금속 나노 섬유들은 질량(예들 들어, 원소 질량)으로 10% 이하의 탄소를 포함한다. 어떤 실시 예들에서, 여기에 제공된 금속 나노 섬유들은 질량으로 7% 이하의 탄소를 포함한다. 특정 실시 예들에서, 여기에 제공된 금속 나노 섬유들은 질량으로 5% 이하의 탄소를 포함한다. 더 특정 실시 예들에서, 여기에 제공된 금속 나노 섬유들은 질량으로 3% 이하의 탄소를 포함한다. 또 더 특정 실시 예들에서, 여기에 제공된 금속 나노 섬유들은 질량으로 1% 이하의 탄소를 포함한다.
특정 실시 예들에서, 여기에 제공된 나노 섬유의 세라믹은 금속 산화물이다. 예시적인 세라믹 또는 금속 산화물들은 Al2O3, ZrO2, Fe2O3, CuO, NiO, ZnO, CdO, SiO2, TiO2, V2O5, VO2, Fe3O4, SnO, SnO2, CoO, CoO2, Co3O4, HfO2, BaTiO3, SrTiO3, 및 BaSrTiO3를 포함하지만 여기에 한정되지 않는다. 세라믹 (및/또는 금속 산화물) 나노 섬유들을 생성하는 방법들이 여기에 개시되고, 선택적으로 산화 조건들 하에서 하소를 포함한다.
상기 금속 산화물 또는 세라믹의 상기 금속은 전이 금속, 알칼리 금속, 알칼리 토금속, 전이후 금속, 란탄족 원소(lanthanide), 또는 악티늄족 원소(actinide)를 포함하는 어떤 금속이다. 적당한 전이 금속들은 다음을 포함한다: 스칸듐(Sc), 티타늄(Ti), 바나듐(V), 크롬(Cr), 망간(Mn), 철(Fe), 코발트(Co), 니켈(Ni), 구리(Cu), 아연(Zn), 이트륨(Y), 지르코늄(Zr), 니오븀(Nb), 몰리브덴(Mo), 테크네튬(Tc), 루테늄(Ru), 로듐(Rh), 팔라듐(Pd), 은(Ag), 카드뮴(Cd), 하프늄(Hf), 탄탈룸(Ta), 턴스텐(W), 레늄(Re), 오스뮴(Os), 이리듐(Ir), 백금(Pt), 금(Au), 수은(Hg), 러더포듐(Rf), 두브늄(Db), 시보르기움(Sg), 보륨(Bh), 및 하슘(Hs). 적당한 알칼리 금소들을 다음을 포함한다: 리튬(Li), 나트륨(Na), 칼륨(K), 루비듐(Rb), 세슘(Cs) 및 프란슘(Fr). 적당한 알칼리 토금속들은 다음을 포함한다: 베릴륨(Be), 마그네슘(Mg), 칼슘(Ca), 스트론튬(Sr), 바륨(Ba), 및 라듐(Ra). 적당한 전이후 금속들은 다음을 포함한다: 알루미늄(Al), 갈륨(Ga), 인듐(In), 주석(Sn), 탈륨(Tl), 납(Pb), 및 비스무스(Bi). 적당한 란탄족 원소들은 주기율표에서 원자번호 57 내지 71을 가진 원소들을 포함한다. 적당한 악티늄족 원소들은 주기율표에서 원자번호 89 내지 103을 가진 원소들을 포함한다. 어떤 실시 예들에서, 상기 금속 산화물의 상기 금속은 게르마늄(Ge), 안티몬(Sb), 폴로늄(Po), 또는 실리콘(Si)과 같은 메탈로이드이다. 제한되지 않은 예들에 의해, 세라믹 또는 금속 산화물 나노 섬유들을 생성하는 어떤 방법들이 여기에 개시되고, 선택적으로 산화 조건들 하에서 하소를 포함한다.
특정 실시 예들에서, 나노 섬유는 알칼리 금속의 산화물 또는 알칼리 금속을 포함하는 세라믹을 포함한다. 추가의 또는 대안적인 실시 예들에서, 나노 섬유는 알칼리 토금속의 산화물 또는 알칼리 토금속을 포함하는 세라믹을 포함한다. 어떤 실시 예들에서, 상기 나노 섬유는 전이 금속을 포함한다. 어떤 실시 예들에서, 상기 나노 섬유는 주기(period) IV 전이 금속의 산화물 또는 주기(period) IV 전이 금속을 포함하는 세라믹을 포함한다. 어떤 실시 예들에서, 나노 섬유는 주기 V 전이 금속의 산화물 또는 주기 V 전이 금속을 포함하는 세라믹을 포함한다. 어떤 실시 예들에서, 상기 나노 섬유는 그룹(group) XIII 금속의 산화물 또는 그룹(group) XIII 금속을 포함하는 세라믹을 포함한다. 어떤 실시 예들에서, 상기 나노 섬유는 그룹 XIV 금속의 산화물 또는 그룹 XIV 금속을 포함하는 세라믹을 포함한다. 어떤 실시 예들에서, 나노 섬유는 메탈로이드(metalloid)의 산화물 또는 메탈로이드를 포함하는 세라믹을 포함한다. 특정 실시 예들에서, 상기 나노 섬유는 알루미늄, 실리콘, 칼슘, 티타늄, 바나듐, 크롬, 망간, 철, 코발트, 니켈, 구리, 아연, 갈륨, 게르마늄, 지르코늄, 카드뮴, 주석, 바륨, 하프늄, 텅스텐, 납, 이들의 조합들, 또는 이와 유사한 것의 산화물 또는 이들을 포함하는 세라믹을 포함한다. 특정 실시 예들에서, 상기 산화물은 실리콘, 지르코늄, 또는 알루미늄의 산화물이고, 복합 재료(composite material)(예를 들어, 층을 이룬 하이브리드 나노 섬유(a layered hybrid nanofiber), 별개의 금속 세그먼트들을 가진 복합물, 연속적인 매트릭스를 형성하는 제1 재료와 나노 섬유 내 고립된 도메인들에 존재하는 제2 재료를 가진 복합물 - 예를 들어, 상기 산화물이 매트릭스 재료인 경우, 또는 이와 유사한 것)에서와 같은 추가적인 재료(예를 들어, 금속, 금속 합금, 또는 이와 유사한 것)를 더 포함한다.
어떤 실시 예들에서, 상기 세라믹 및 금속 산화물 나노 섬유들은 단일 금속 유형을 포함한다. 다른 실시 예들에서, 상기 세라믹 및 금속 산화물 나노 섬유들은 둘 이상의 금속 유형들을 포함한다(예를 들어, BaTiO3, SrTiO3, BaSrTiO3(예를 들어, Ba0.55Sr0.45TiO3), 및 이와 유사한 것). 어떤 실시 예들에서, 함께 다중-금속 산화물(multi-metal oxide)를 형성하거나 또는 정돈된 합금 유형으로 결정 격자(an ordered alloy type crystalline lattice)를 형성하는 둘 이상의 금속 유형들을 포함하는 세라믹 및 금속 산화물 나노 섬유들이 여기에 제공된다. 다른 실시 예들에서, 상기 둘 이상의 금속 유형들은 비정질 혼합물에서, 복합물(예들 들어, 층을 이룬 하이브리드 나노 섬유, 별개의 산화물 세그먼트들을 가진 복합물, 연속적인 매트릭스를 형성하는 제1 재료와 나노 섬유 내 고립된 도메인들에 존재하는 제2 재료를 가진 복합물)에서, 또는 이와 유사한 것에서 별개의 산화물 재료들을 형성한다.
도 4, 6, 9, 10, 및 11은 여기에서 제공된 및/또는 여기에서 기술된 방법들에 따라 제조된 금속 전구체 및 금속 산화물(예를 들어, 금속 산화물 세라믹) 나노 섬유들을 도시한다. 도4는 평균 직경 500-700 nm를 가지는 니켈 전구체 나노 섬유들(401)과, 공기(air)에서 2 시간 동안 600℃에서 처리 후 상기 니켈 전구체 나노 섬유들(401)로부터 제조된, 평균 직경 300-500 nm를 가지는 니켈 산화물 나노 섬유들(402)을 도시한다. 도4은 또한 상기 니켈 산화물 나노 섬유들(402)의 결정 x-선 회절 패턴(crystal x-ray diffraction pattern)(403)을 도시한다. 도6는 평균 직경 600-800 nm를 가지는 구리 전구체 나노 섬유들(601)과, 공기(air)에서 2 시간 동안 600℃에서 처리 후 상기 구리 전구체 나노 섬유들(601)로부터 제조된, 평균 직경 200-600 nm를 가지는 구리 산화물 나노 섬유들(602)을 도시한다. 도6은 또한 상기 구리 산화물 나노 섬유들(602)의 결정 x-선 회절 패턴(603)을 도시한다. 도9는 평균 직경 500-1000 nm를 가지는 아연 전구체 나노 섬유들(901)과, 공기(air)에서 2 시간 동안 600℃에서 처리 후 상기 아연 전구체 나노 섬유들(901)로부터 제조된, 평균 직경 400-700 nm를 가지는 아연 산화물 나노 섬유들(902)을 도시한다. 도9은 또한 상기 아연 산화물 나노 섬유들(902)의 결정 x-선 회절 패턴(903)을 도시한다. 도10는 평균 직경 800-1200 nm를 가지는 카드뮴 전구체 나노 섬유들(1001)과, 공기(air)에서 2 시간 동안 800℃에서 처리 후 상기 카드뮴 전구체 나노 섬유들(1001)로부터 제조된, 평균 직경 600-900 nm를 가지는 카드뮴 산화물 나노 섬유들(1002)을 도시한다. 도10은 또한 상기 카드뮴 산화물 나노 섬유들(1002)의 결정 x-선 회절 패턴(1003)을 도시한다. 도11는 평균 직경 800-1000 nm를 가지는 지르코늄 전구체 나노 섬유들(1101)과, 공기(air)에서 2 시간 동안 800℃에서 처리 후 상기 지르코늄 전구체 나노 섬유들(1101)로부터 제조된, 평균 직경 300-600 nm를 가지는 지르코니아(zirconia) 나노 섬유들(1102)을 도시한다. 도11은 또한 상기 지르코니아 나노 섬유들(1102)의 결정 x-선 회절 패턴(1103)을 도시한다.
합금 나노 섬유들(Alloy Nanofibers)
여기에서 다양한 실시 예들에서, 순수 금속 함금 나노 섬유들, 금속 합금을 포함하는 나노 섬유들, 또는 실질적으로 금속 합금을 포함하는 나노 섬유들이 제공된다. 상기 금속 합금은 전이 금속, 알칼리 금속, 알칼리 토금속, 전이후 금속, 란탄족 원소(lanthanide), 또는 악티늄족 원소(actinide), 추가로 게르마늄(Ge), 안티몬(Sb) 및 폴로늄(Po), 및 실리콘(Si)를 포함하는 어떤 적당한 금속 합금이다. 어떤 실시 예들에서, 상기 합금은 금속-금속 합금이다. 다른 실시 예들에서, 상기 합금은 금속-비금속 합금이다. 어떤 실시 예들에서, 금속-금속 합금들은 여기에서 기술된 공정에서의 유체 원료에서 제1 금속 전구체, 제2 금속 전구체, 및 선택적인 추가의 금속 전구체들을 이용함으로써 제조되고(예를 들어, 상기 적어도 두 개의 금속 전구체들을 고르게 분산시킨다), 여기에서 상기 제1 및 제2 금속 전구체들은 서로 다른 금속들을 포함한다. 어떤 실시 예들에서, 금속-비금속 합금들은 여기에서 기술된 공정에서의 유체 원료에서 금속 전구체 및 비금속 원료(예들 들어, 비금속 재료의 분말)를 이용함으로써 제조되고(예를 들어, 상기 금속 전구체와 비금속 원료를 고르게 분산시킨다), 여기에서 상기 제1 및 제2 금속 전구체들은 서로 다른 금속들을 포함한다.
다양한 실시 예들에서, 금속 합금들은 금속 나노 섬유들에 대해서 위에서 논의된 어떤 금속을 선택적으로 포함한다(논의된 상기 금속 합금 나노 섬유들이 본 개시의 목적을 위해 금속 나노섬유들의 범위 내에서 고려될 때). 추가로, 금속-비금속 합금들에 대해, 붕소, 탄소, 인, 황, 셀레늄, 또는 유사한 것과 같은 어떤 적당한 비금속 재료가 이용될 수 있다. 예를 들어, 도25는 여기에서 제공된 개시에 따라 제조된 납 셀레늄 금속-비금속을 도시한다.
여기에서 다양한 실시 예들에서 금속 합금 나노 섬유들, 금속 합금을 포함하는 나노 섬유들, 또는 실질적으로 금속 합금을 포함하는 나노 섬유들이 제공된다. 어떤 실시 예들에서, 상기 금속 합금 나노 섬유들은 질량으로 약 99%, 약 98%, 약 97%, 약 96%, 약 95%, 약 90%, 약 80%, 및 이와 유사한 구성의 금속 합금을 포함한다. 어떤 실시 예들에서, 상기 금속 합금 나노 섬유들은 질량(예들 들어, 원소 질량)으로 적어도 약 99%, 적어도 약 98%, 적어도 약 97%, 적어도 약 96%, 적어도 약 95%, 적어도 약 90%, 적어도 약 80%, 및 이와 유사한 구성의 세라믹을 포함한다. 다른 실시 예들에서, 여기에서 제공된 금속 합금 나노 섬유들은 질량으로 적어도 50%, 적어도 60%, 적어도 70%, 또는 적어도 75% 금속 합금을 포함한다. 특정 실시 예들에서, 여기에서 제공된 금속 합금 나노 섬유들은 질량으로 적어도 80% 금속 합금을 포함한다. 더 특정 실시 예들에서, 여기에서 제공된 금속 합금 나노 섬유들은 질량으로 적어도 90% 금속 합금을 포함한다. 또 더 특정 실시 예들에서, 여기에서 제공된 금속 합금 나노 섬유들은 질량으로 적어도 95% 금속 합금을 포함한다.
어떤 실시 예들에서, 상기 금속 합금 나노 섬유들은 금속 나노 섬유들에 대해 여기에서 논의된 바와 같이 적은 양의 탄소 및/또는 산소를 포함한다. 어떤 실시 예들에서, 상기 금속-비금속 합금이 금속-탄소 합금인 경우, 질량(예들 들어, 원소 질량)으로 적어도 50%, 적어도 60%, 적어도 70%, 또는 적어도 75% 금속 및 탄소를 포함한다. 특정 실시 예들에서, 여기에서 제공된 금속 합금 나노 섬유들은 질량으로 적어도 80% 금속 및 탄소를 포함한다. 더 특정 실시 예들에서, 여기에서 제공된 금속 합금 나노 섬유들은 질량으로 적어도 90% 금속 및 탄소를 포함한다. 또 더 특정 실시 예들에서, 여기에서 제공된 금속 합금 나노 섬유들은 질량으로 적어도 95% 금속 및 탄소를 포함한다.
예시적인 금속 합금들은 CdSe, CdTe, PbSe, PbTe, FeNi(퍼멀로이(perm alloy)), Fe-Pt 금속간 화합물(intermetallic compound), Pt-Pb, Pt-Pd, Pt-Bi, Pd-Cu, 및 Pd-Hf를 포함하지만 이들에 제한되지 않는다. 금속 합금 나노 섬유들을 생성하는 방법들이 여기에 개시되고, 선택적으로 상기 합금의 금속 전구체들의 혼합물을 포함하는 유체 원료를 전자 방사하는 단계 및 환원 조건들 하에서 하소하는 단계를 포함한다. 예를 들어, CdSe 합금 나노 섬유는 카드뮴 아세테이트들과 셀레늄 아세테이트들의 혼합물을 포함하는 유체 원료를 전자 방사하고 이어서 환원 조건들 하에서 하소함으로써 생성된다.
한 양상에서, 금속, 세라믹, 또는 합금 나노 섬유들에 더하여, 사실상 어떤 재료의 나노 섬유가 여기에서 기술된 방법들을 이용하여 생성된다(예들 들어, 이 재료가 실질적으로 고르게 분포된 적당한 전구체들로부터 그리고 높은 비율의 상기 유체 원료에서 변환할 수 있는 한). 어떤 실시 예들에서, 상기 나노 섬유는 칼슘 포스페이트(calcium phosphate(Ca-P)) 나노 섬유이다. 어떤 실시 예들에서, 본 개시의 방법들은 고품질 Ca-P 나노 섬유들을 생성하는데, 선택적으로 이 나노 섬유는 평균적으로 적어도 50 ㎛ 길이이다.
어떤 실시 예들에서, 본 개시의 방법들은 아직 더 많은 실시 예들을 생성하기 위한 다른 방법들과 조합될 수 있다. 예들 들어, 상기 나노 섬유들은 그들의 합성을 뒤따라 추가의 변경들(modifications)을 겪을 수 있다. 예를 들어 미국 특허출원 No. 12/439,398에 개시된 바와 같이, 뼈, 치아, 또는 치주질환들 및 결함들을 치료하기 위한 주입물질들(implants)로서 뼈 및 치아 세포들을 배양하기 위해 생물학적 기능 첨가물들(biologically functional additives)이 칼슘 포스페이트 나노 섬유들에 첨가될 수 있다.
어떤 실시 예들에서, 나노 섬유들은 표면 수정된다(surface-modified). 예를 들어, 생물학적 촉매(biological catalyst)를 만들기 위해 효소들(enzymes)이 상기 나노 섬유 표면에 고정된다. 다른 예에서, 순수 반도체 나노 섬유에 불순물들(impurities)을 주입하기 위해 반도체 산업에서 도핑 공정들(doping processes)이 채용된다(예를 들어, 그것의 전기적 특성들을 조정할 목적으로).
한 양상에서, 금속, 금속 산화물, 금속 합금, 세라믹, 또는 이들의 조합의 연속적인 매트릭스를 포함하는 세그먼트(segment)를 나노 섬유가 여기에 기술된다. 어떤 예들에서, 연속 매트릭스는 상기 세그먼트의 한 단부로부터 상기 세그먼트의 다른 단부까지 전도성이다. 어떤 예들에서, 연속 매트릭스는 금속, 금속 산화물, 금속 합금, 세라믹, 또는 이들의 조합의 단일의 통합된 볼륨(a single unified volume)을 규정한다. 어떤 예들에서, 상기 금속, 금속 산화물, 금속 합금, 세라믹, 또는 이들의 조합은 상기 연속 매트릭스의 길이를 따라 모두 금속, 금속 산화물, 금속 합금, 세라믹, 또는 이들의 조합에 접촉한다. 상기 세그먼트 또는 복수의 세그먼트들은 상기 나노 섬유 길이의 약 5%, 약 10%, 약 20%, 약 30%, 약 40%, 약 50%, 약 60%, 약 70%, 약 80%, 약 90%, 약 95%, 및 이와 유사한 것을 포함하여, 상기 나노 섬유의 어떤 적당한 비율을 포함한다. 어떤 실시 예들에서, 상기 세그먼트 또는 복수의 세그먼트들은 상기 나노 섬유 길이의 많아야 5%, 많아야 10%, 많아야 20%, 많아야 30%, 많아야 40%, 많아야 50%, 많아야 60%, 많아야 70%, 많아야 80%, 많아야 90%, 많아야 95%, 및 이와 유사한 것을 포함한다. 어떤 실시 예들에서, 상기 세그먼트 또는 복수의 세그먼트들은 상기 나노 섬유 길이의 적어도 5%, 적어도 10%, 적어도 20%, 적어도 30%, 적어도 40%, 적어도 50%, 적어도 60%, 적어도 70%, 적어도 80%, 적어도 90%, 적어도 95%, 및 이와 유사한 것을 포함한다. 특정 실시 예들에서, 여기에 기술된 연속 매트릭스는 상기 나노 섬유의 질량의 반(half) 이하를 포함하지만, 상기 나노 섬유의 길이를 따라 흐르는(run) 연속 매트릭스를 형성한다. 어떤 예들에서, 상기 연속 매트릭스는 상기 나노 섬유의 길이의 적어도 50%를 따라 흐른다(예를 들어, 나노 섬유들의 전체에 대해 평균적으로). 특정 예들에서, 상기 연속 매트릭스는 상기 나노 섬유(들)의 길이의 적어도 70%(적어도 평균적으로)를 따라 흐른다. 더 특정 예들에서, 상기 연속 매트릭스는 상기 나노 섬유(들)의 길이의 적어도 80%(적어도 평균적으로)를 따라 흐른다. 또 더 특정 실시 예들에서, 상기 연속 매트릭스는 상기 나노 섬유(들)의 길이의 적어도 90%(적어도 평균적으로)를 따라 흐른다. 아직도 더 특정 실시 예들에서, 상기 연속 매트릭스는 상기 나노 섬유(들)의 길이의 적어도 95%(적어도 평균적으로)를 따라 흐른다.
복합 & 하이브리드 나노 섬유들( Composite & Hybrid Nanofibers )
나노 섬유들을 생성하기 위한 이전의 방법들(예를 들어 졸-겔 방법)은 일반적으로 고체 모노리식 실린더(solid monolithic cylinder) 외의 어떤 형태가 되도록 매우 충분한 품질의 나노 섬유들을 생성하지 않는다. 어떤 예들에서, 여기에 개시된 방법들을 채용함으로써, 나노 섬유들에서 공동들과 결함들의 수와 크기가 실질적으로 감소하여, 중공 나노 섬유들 및 하나 이상의 재료들로 만들어진 복합 또는 하이브리드 나노 섬유들과 같이 더 복잡한 기하학적 구조들을 허용한다. 어떤 예들에서, 하이브리드 또는 중공 나노 섬유들은 적당하게 길고 연속적이다(즉, 고품질).
어떤 실시 예들에서, 제1 재료 및 제2 재료를 포함하는 복합 나노 섬유가 여기에 제공된다. 어떤 실시 예들에서, 상기 제1 재료 및 제2 재료 중 적어도 하나 또는 모두는 금속 또는 금속 산화물(예를 들어, 금속 산화물 세라믹)을 포함한다.
어떤 실시 예들에서, 제1 재료는 상기 나노 섬유의 연속 매트릭스를 형성한다. 특정 실시 예들에서, 상기 제1 재료는 금속, 세라믹, 또는 탄소이다. 더 특정한 실시 예들에서, 상기 제1 재료는 금속 또는 탄소이고, 상기 제2 재료는 금속, 금속 산화물(예를 들어, 금속 산화물 세라믹), 또는 세라믹이다. 어떤 실시 예들에서, 상기 제1 재료는 세라믹이고 상기 제2 재료는 금속, 금속 산화물, 또는 세라믹이다. 특정 실시 예들에서, 상기 제1 재료는 세라믹이고 상기 제2 재료는 금속이다.
어떤 실시 예들에서, 상기 제1 재료는 연속 매트릭스를 형성하고, 상기 제2 재료는 상기 나노 섬유 내에서 고립된 도메인들(isolated domains)을 형성한다, 다른 실시 예들에서, 상기 제1 재료 및 제2 재료들은 상기 나노 섬유 내에서 연속 매트릭스들을 형성한다(예들 들어, 동축 전자 방사를 통하여 형성된 층을 이룬 하이브리드 나노 섬유와 같이, 층을 이룬 하이브리드 나노 섬유 - 층을 이룬 동축 하이브리드 나노 섬유(a layered coaxial hybrid nanofiber)). 다른 실시 예들에서, 상기 제1 재료 및 제2 재료들은 나노 섬유의 서로 다른(예를 들어, 교호하는(alternating)) 세스먼트들을 형성한다(즉, 나노 섬유의 길이를 따라 교호하는 세그먼트들).
여기에 하이브리드 나노 섬유들을 생성하는 방법들, 나노 섬유들을 이용하는 방법들, 나노 섬유들을 포함하는 디바이스들, 및 상기 하이브리드 나노 섬유들 자체들이 기술된다. 여기에 개시된 바와 같이, 하이브리드 나노 섬유들은 예를 들어 가요성(flexible) 태양 전지들에서 유용하다. "하이브리드"는 "복합"과 상호 교환적으로 사용되고, 상기 나노 섬유들이 적어도 두 개의 재료들을 포함한다는 것을 의미한다. 재료들은 나노 섬유 상에서 또는 내에서 서로 다른 위치들에서 발견된다. 그러한 위치들은 어떤 적당한 기하학적 구조의 물질에서 구성된다.
하나의 예시적인 기하학적 구조는 서로 다른 재료들로 만들어진 다양한 환형 링들(annular rings) 또는 층들을 가진 섬유이다. 어떤 실시 예들에서, 동축 하이브리드 나노 섬유들이 여기에서 기술된 방법들에 의해 생성된다(예들 들어, 적어도 두 개의 층을 포함한다 - 이중 하나는 상기 나노 섬유의 코어(core)를 형성할 수 있고, 다른 하나는 적어도 부분적으로 상기 코어를 둘러싸는 층이다). 어떤 실시 예들에서, 상기 방사돌기(spinneret)가 제1 유체 원료를 담고 있는 제1 도관(conduit)이 제2 유체 원료를 담고 있는 제2 도관에 의해 둘러싸이도록 변경된다(도35). 어떤 예들에서, 상기 유체 원료들은 상기 도관들을 통하여 당겨지거나 밀어내진다. 그러한 구성은 제1 유체 원료를 둘러싸는 제2 유체 원료를 가진 환형 유체 사출물을 생성한다. 어떤 실시 예들에서, 상기 사출물이 건조된 다음 하소됨에 따라, 상기 제1 및 제2 유체 원료들은 실질적으로 섞이지 않고, 그래서 상기 나노 섬유에서 서로 다른 재료들로 변환된다.
하이브리드 나노 섬유(예들 들어, 동축 나노 섬유를 포함한다)의 어떤 실시 예들에서, 다양한 층들은 적당한 어떤 재료이다. 어떤 실시 예들에서, 그 맥락이 명백하게 달리 나타내지 않는다면 어떤 방식에서건 동축 층들이라고 한다. 예를 들어, 두 개의 동축 층로 구성된 나노 섬유에 대하여, 제1 층이 제2 층을 둘러싸거나 또는 제2 층이 제1 층을 둘러쌀 수 있다. 어떤 실시 예들에서, 제1 동축 층은 세라믹을 포함한다. 어떤 실시 예들에서, 제2 동축 층은 금속을 포함한다. 다양한 실시 예들에서, 상기 하이브리드 나노 섬유는 금속-상-금속, 금속-상-세라믹, 세라믹-상-세라믹, 또는 세라믹-상-금속이다. 어떤 실시 예들에서, 상기 하이브리드 나노 섬유는 적어도 3 구성요소들을 가지고, 모든 유형의 재료들에 대하여 모든 유형의 조합들을 가지는 어떤 정수 개를 포함한다.
다양한 실시 예들에서, 복합 나노 섬유들은 여기에서 개시된 바와 같은 금속, 금속 산화물, 및/또는 세라믹을 포함한다. 그러한 복합 나노 섬유들에서 이용되는 상기 금속, 금속 산화물, 및/또는 세라믹은 금속(예들 들어, 단일 금속 또는 합금들), 금속 산화물(예들 들어, 금속 산화물 세라믹들), 및 세라믹 나노 섬유들에 대해 여기에서 기술된 어떤 그러한 금속들, 금속 산화물들, 또는 세라믹들을 포함한다. 어떤 실시 예들에서, Ag, Cu, Ni, Fe, Co, Pb, Au, Sn, Al과 같은 금속은 Al2O3, ZrO2, Fe2O3, CuO, NiO, ZnO, CdO, SiO2, TiO2, V2O5, VO2, Fe3O4, SnO, SnO2, CoO, CoO2, Co3O4, HfO2, BaTiO3, SrTiO3, BaSrTiO3와 같은 세라믹과 하이브리드화된다(hybridized). 어떤 실시 예들에서, 제1 동축 층은 Ni 또는 Fe를 포함한다. 어떤 실시 예들에서, 제2 동축 층은 Al2O3, ZrO2, SiO2, 또는 TiO2를 포함한다. 하나의 실시 예에서, 제1 동축 층은 Ni를 포함하고 제2 동축 층은 ZrO2를 포함한다. 한 실시 예에서, 제1 동축 층은 Al2O3를 포함하고 제2 동축 층은 ITO를 포함한다. 다른 실시 예에서, 제1 동축 층은 ZrO2를 포함하고 제2 동축 층은 ZnO를 포함한다.
동축 나오 섬유들 이외에 복잡한 기하학적 구조들이 또한 여기에 기술된다. 예들 들어, 하나의 구성에서, 제1 및 제2 재료는 상기 나노 섬유의 길이의 서로 다른 부분들을 따라 배치된다. 어떤 실시 예들에서, 그러한 나노 섬유는 상기 전자 방사 공정에서 제1 재료를 포함하는 제1 유체 원료와 제2 재료를 포함하는 제2 유체 원료 사이에서 상기 유체 원료를 교호함으로써(alternating) 생성된다. 그러한 실시 예에서, 하소 시에 제1 및 제2 재료 사이에 그의 길이를 따라 교호하는 나노 섬유가 생성된다. 상기 제1 및 제2 재료들은 세라믹들과 금속들을 포함하는 어떤 적당한 재료이다.
다양한 실시 예들에서, 복합 나노 섬유는 금속-금속 하이브리드, 금속-세라믹 하이브리드, 또는 이와 유사한 것을 포함한다. 어떤 실시 예들에서, 상기 나노 섬유는 금속과 세라믹 모두의 하이브리드이다. 어떤 실시 예들에서, 상기 나노 섬유의 금속 및 세라믹 성분들의 총 질량의 질량 백분율들(mass percentages)이 첨가되고(어느 하나 또는 모두가 존재하는 정도까지), 상기 나노 섬유의 약 99.99%, 약 99.95%, 약 99.9%, 약 99%, 약 98%, 약 97%, 약 96%, 약 95%, 약 90%, 약 80%, 및 이와 유사한 것을 포함한다. 다른 실시 예들에서, 상기 나노 섬유의 금속 및 세라믹 성분들의 합은 상기 나노 섬유의 적어도 약 99.99%, 적어도 약 99.95%, 적어도 약 99.9%, 적어도 약 99%, 적어도 약 98%, 적어도 약 97%, 적어도 약 96%, 적어도 약 95%, 적어도 약 90%, 적어도 약 80%, 및 이와 유사한 것이다. 다른 실시 예들에서, 상기 금속 및 세라믹 성분들의 총 질량(어느 하나 또는 모두가 존재하는 정도까지)은 적어도 30%, 적어도 40%, 적어도 50%, 적어도 60%, 적어도 70%, 또는 이와 유사한 것을 포함한다. 어떤 예들에서, 이들 더 낮은 금속/세라믹 함량 복합 나노 섬유들은 금속도 아니고 세라믹도 아닌 연속 매트릭스를 포함하는 현재의 나노 섬유들이다.
도 16-21 및 31-33은 여기에서 제공되고 및/또는 여기에서 기술된 공정들에 따라 제조된, 금속 구체체 및 금속 복합/하이브리드 나노 섬유들을 도시한다. 도16은 평균 직경 600-1000 nm를 가지는 지르코늄-아연 전구체 나노 섬유들(1601)(즉, 지르코늄 전구체, 아연 전구체, 및 폴리머를 포함하는 나노 섬유들)과, 아르곤에서 2 시간 동안 600℃에서 처리 후 상기 전구체 나노 섬유들(1601)로부터 제조된, 평균 직경 300-600 nm를 가지는 지르코니아-아연 산화물 복합 나노 섬유들(1602)을 도시한다. 도16은 또한 상기 복합 나노 섬유들(1602)에 대한 지르코니아(1603) 및 아연 산화물(1604)에 대한 결정 x-선 회절 피크들(crystal x-ray diffraction peaks)을 도시한다. 도17은 평균 직경 400-700 nm를 가지는 지르코늄-은 전구체 나노 섬유들(1701)과, 아르곤/수소 혼합물에서 2 시간 동안 800℃에서 처리 후 상기 전구체 나노 섬유들(1701)로부터 제조된, 평균 직경 400-700 nm를 가지는 지르코니아-은 복합 나노 섬유들(1702)을 도시한다. 도17은 또한 상기 복합 나노 섬유들(1702)에 대한 지르코니아(1703) 및 은(1704)에 대한 결정 x-선 회절 피크들을 도시한다. 도18은 평균 직경 800-1200 nm를 가지는 지르코늄-니켈 전구체 나노 섬유들(1801)과, 아르곤에서 2 시간 동안 600℃에서 처리 후 상기 전구체 나노 섬유들(1801)로부터 제조된, 평균 직경 600-800 nm를 가지는 지르코니아-니켈 복합 나노 섬유들(1802)을 도시한다. 도18은 또한 상기 복합 나노 섬유들(1802)에 대한 지르코니아(1803) 및 니켈(1804)에 대한 결정 x-선 회절 피크들을 도시한다. 도19은 평균 직경 600-1000 nm를 가지는 지르코늄-철 전구체 나노 섬유들(1901)과, 아르곤에서 2 시간 동안 600℃에서 처리 후 상기 전구체 나노 섬유들(1901)로부터 제조된, 평균 직경 400-700 nm를 가지는 지르코니아-철 복합 나노 섬유들(1902)을 도시한다. 도19는 또한 상기 복합 나노 섬유들(1902)에 대한 지르코니아(1903) 및 철(1804)에 대한 결정 x-선 회절 피크들을 도시한다. 도20은 추가로 그러한 나노 복합물들(nanocomposites)에 대한 TEM 이미지들을 도시한다. 도21은 평균 직경 400-1100 nm를 가지는 알루미늄-니켈 전구체 나노 섬유들(2101)과, 아르곤에서 2 시간 동안 600℃에서 처리 후 상기 전구체 나노 섬유들(2101)로부터 제조된, 평균 직경 150-700 nm를 가지는 알루미나-니켈 복합 나노 섬유들(2102)을 도시한다. 도21은 또한 상기 복합 나노 섬유들(2102)에 니켈(2103)(그리고 비정질 알루미나에 대한 피크들은 없다)에 대한 결정 x-선 회절 피크들을 도시한다. 도31은 평균 직경 450-700 nm를 가지는 지르코늄-니켈 전구체 나노 섬유들(3101)(니켈 전구체+폴리머 코어(core) 및 지르코늄 전구체+폴리머 피복(sheath))과, 아르곤에서 2 시간 동안 600℃에서 처리 후 상기 전구체 나노 섬유들(3101)로부터 제조된, 평균 직경 300-550 nm를 가지는 지르코니아-니켈 층을 이룬 복합 나노 섬유들(3102)을 도시한다. 도31은 또한 상기 층을 이룬(즉, 동축) 복합 나노 섬유들(3102)(니켈 금속 코어 및 지르코니아 피복)에 대한 지르코니아 및 니켈(3103)에 대한 결정 x-선 회절 피크들을 도시한다. 도32는 동축/층을 이룬 층을 이룬 니켈/지르코니아 나노 섬유들에 대한 TEM 이미지들을 도시한다. 도33은 동축/층을 이룬 층을 이룬 니켈/지르코니아 나노 섬유들의 원소 분석을 도시한다. 도33의 패널 A는 니켈 층(코어) 외측에 지르코늄 산화물 층을 포함하는 하이브리드 나노 섬유를 도시한다. 도33의 패널 B는 니켈 및 탄소에 대한 지르코늄 및 산소의 높은 함량을 도시한다(차례로 약 18:32:4:2의 비이다).
중공 나노 섬유들( Hollow Nanofibers )
본 개시는 중공 나노 섬유들을 생성하는 방법들, 중공 나노 섬유들을 이용하는 방법들, 중 나노 섬유들을 포함하는 디바이스들, 및 중공 나오 섬유들 그 자체를 포함한다. 여기에서 개시된 바와 같이, 중공 나노 섬유들은 어떤 예들에서 리튬 이온 배터리들에서 유용하다.
어떤 실시 예들에서, 중공 나노 섬유들은 제2 유체를 포함하는 제2 도관(conduit)에 의해 둘러싸인 제1 유체를 포함하는 제1 도관을 포함하는 방사돌기(spinneret)를 이용하여 제조된다. 어떤 예들에서, 상기 제1 유체는 나노 섬유의 구성부분(integral part)이 되지 않는 어떤 유체이다(예를 들어, 가스). 어떤 실시 예들에서, 상기 제1 유체는 불활성이다.
어떤 실시 예들에서, 상기 제1 유체는 가스이고, 선택적으로 공기(air)이다. 어떤 예들에서, PCT 특허 출원 PCT/US2011/024894("정자방사 장치 및 이로부터 생성된 나노 섬유들")에 개시된 바와 같이 가스-조력 전자 방사(gas-assisted electrospinning) 기술에서 기술된 바와 같은 내부 환형 유체(inner annular fluid)로서 가스를 이용하는 것은 어떤 이점들이 있다. 어떤 실시 예들에서, 상기 가스 사출(gas jet)은 전자 방사기로부터 나오는 유체 원료 스트림(fluid stock stream)을 가속하고(accelerate) 길게 늘려(elongate) 더 가는 섬유들(thinner fibers)를 가져온다. 어떤 예들에서, 여기에서 개시된 방법들은 더 가는 나노 섬유들(예를 들어, 가스-조력 방법을 이용할 때)과 결함들이 거의 없는 나노 섬유들(예들 들어, 그러므로 고품질인)을 가져온다.
어떤 실시 예들에서, 상기 제1 (불활성) 유체는 액체이고, 선택적으로 예를 들어 미네랄 오일이다. 외측 유체 원료가 물을 함유하는 실시 예들에서, 상기 미네랄 오일 코어(mineral oil core)는 상기 전자 방사된 유체 원료와 섞이지 않는다. 어떤 실시 예들에서, 상기 미네랄 오일 코어는 하소를 뒤따라 제거되어 중공 나노 섬유를 남긴다.
어떤 실시 예들에서, 중공 섬유들은 불활성 내부 환형 유체(inert inner annular fluid) 없이 생성된다. 예를 들어, 동축 하이브리드 나노 섬유가 생성되고, 그 다음 배부 환형 재료가 제거되어 중공 섬유를 남긴다. 상기 내부 재료는 용해, 승화, 기화, 분해, 에칭, 또는 이와 균등한 기술들을 포함하는 어떤 적당한 기술에 의해 제거되어 결과적으로 중공 나노 섬유가 된다.
상기 나노 섬유의 중공 코어는 어떤 적당한 반경을 가진다. 어떤 실시 예들에서, 주어진 집합체의 나노 섬유들은 다양한 직경들의 중공 코어를 가진 섬유들의 분포를 가지는 나노 섬유들을 포함한다. 어떤 실시 예들에서, 단일 나노 섬유는 그의 길이에 따라 변하는 중공 코어 직경을 가진다. 어떤 실시 예들에서, 어떤 섬유 모집단 전체 또는 일부들의 어떤 섬유들은 평균 내부 직경을 초과하거나 그에 미치지 못한다. 어떤 실시 예들에서, 상기 중공 코어의 직경은 평균으로 약 1 nm, 약 2 nm, 약 3 nm, 약 4 nm, 약 5 nm, 약 6 nm, 약 7 nm, 약 8 nm, 약 9 nm, 약 10 nm, 약 15 nm, 약 20 nm, 약 40 nm, 약 60 nm, 약 80 nm, 약 100 nm, 약 200 nm, 약 300 nm, 약 400 nm, 약 500nm, 및 이와 유사한 것이다. 어떤 실시 예들에서, 상기 중공 코어의 직경은 평균으로 많아야 약 1 nm, 많아야 약 2 nm, 많아야 약 3 nm, 많아야 약 4 nm, 많아야 약 5 nm, 많아야 약 6 nm, 많아야 약 7 nm, 많아야 약 8 nm, 많아야 약 9 nm, 많아야 약 10 nm, 많아야 약 15 nm, 많아야 약 20 nm, 많아야 약 40 nm, 많아야 약 60 nm, 많아야 약 80 nm, 많아야 약 100 nm, 많아야 약 200 nm, 많아야 약 300 nm, 많아야 약 400 nm, 많아야 약 500nm, 및 이와 유사한 것이다. 어떤 실시 예들에서, 상기 중공 코어의 직경은 평균으로 적어도 약 1 nm, 적어도 약 2 nm, 적어도 약 3 nm, 적어도 약 4 nm, 적어도 약 5 nm, 적어도 약 6 nm, 적어도 약 7 nm, 적어도 약 8 nm, 약 적어도 9 nm, 적어도 약 10 nm, 적어도 약 15 nm, 적어도 약 20 nm, 적어도 약 40 nm, 적어도 약 60 nm, 적어도 약 80 nm, 적어도 약 100 nm, 적어도 약 200 nm, 적어도 약 300 nm, 적어도 약 400 nm, 적어도 약 500nm, 및 이와 유사한 것이다. 어떤 실시 예들에서, 상기 중공 코어의 직경은 평균으로 약 1nm와 10nm 사이, 약 5nm와 20nm 사이, 약 5nm와 10nm 사이, 약 10nm와 50nm 사이, 약 20nm와 50nm 사이, 약 1nm와 50nm 사이, 약 100nm와 500nm 사이, 및 이와 유사한 것이다.
나노 섬유 특성들( Nanofibers properties )
한 양상에서, 여기에 기술된 나노 섬유들은 전에 기술된 바 없던 물질의 독특한 구성물들이다. 한 양상에서, 어떤 신규한 특성들을 가지는 나노 섬유들이 여기에서 기술된다. 다양한 실시 예들에서, 이들 나노 섬유들은 이전에 달성할 수 있었던 것을 뛰어 넘는 어떤 치수들(dimensions), 애스펙트 비들(aspect ratios), 비표면적들(specific surface areas), 다공성들(porosities), 전도성(conductivities), 유연성들(flexibilities), 및 이와 유사한 특성들을 가진다. 어떤 실시 예들에서, 여기에 기술된 나노 섬유들은 어떤 예들에서 시트(sheet)로 형성되었을 때 재료의 전도성의 적어도 70%인 전기 전도성을 가진다. 어떤 실시 예들에서, 고 전도성은 이 신규한 금속 나노 섬유들에 기초한 태양 전지들(solar cells)의 기능을 개선한다.
어떤 실시 예들에서, 어떤 응용들은 더 작은 직경의 나노 섬유들(예를 들어, 이것은 여기에 기술된 방법들을 실시함으로써 품질의 희생 없이 얻어진다)을 선호한다. 예를 들어, 가소-조력 전자 방사 기술들이 얇은 나노 섬유들을 만들기 위해 이용된다(즉, 전자 방사기를 떠나는 유체 원료의 사출 스트림(jet stream)을 가속함으로써). 어떤 실시 예들에서, 나노 섬유의 직경이 하소 시에 변하고, 선택적으로 오그라든다(shrinking). 한 예에서, 구리 나노 섬유들은 전자 방사되었을 때 직경이 600 내지 800nm이던 것이 하소 후에 300 내지 500nm가 되었다. 어떤 실시 예들에서, 상기 폴리머 위에 전구체의 로딩은 나노 섬유의 직경에 영향을 준다. 어떤 실시 예들에서, 더 두꺼운 나노 섬유들은 더 높은 전구체 로딩들로부터 얻어진다(예들 들어, 더 많은 전구체 재료가 나노 섬유로 변환되기 때문에). 나노 섬유의 직경을 측정하는 방법들은 현미경 사진, 선택적으로 투과 전자 현미경 사진(Transmission electron microscopy("TEM")) 또는 주사 전자 현미경 사진(scanning electron microscopy("SEM"))을 포함하지만, 여기에 제한되지 않는다.
다양한 실시 예들에서, 어떤 적당한 직경을 가지는 나노 섬유들 또는 나노 섬유들을 생성하는 공정들이 여기에 제공된다. 어떤 실시 예들에서, 주어진 나노 섬유들의 집합체는 다양한 직경들의 섬유들의 분포를 가지는 나노 섬유들을 포함한다. 어떤 실시 예들에서, 단일 나노 섬유는 그 길이를 따라 변하는 직경을 가진다. 어떤 실시 예들에서, 어떤 섬유 모집단 전체 또는 일부들의 어떤 섬유들은 평균 직경을 초과하거나 그에 미치지 못한다. 어떤 실시 예들에서, 상기 나노 섬유들은 평균적으로 약 20 nm, 약 30 nm, 약 40 nm, 약 50 nm, 약 60 nm, 약 70 nm, 약 80 nm, 약 90 nm, 약 100 nm, 약 130 nm, 약 150 nm, 약 200 nm, 약 250 nm, 약 300 nm, 약 400 nm, 약 500 nm, 약 600 nm, 약 700 nm, 약 800 nm, 약 900 nm, 약 1,000 nm, 약 1,500nm, 약 2,000 nm, 및 이와 유사한 직경을 가진다. 어떤 실시 예들에서, 상기 나노 섬유들은 평균적으로 많아야 20 nm, 많아야 30 nm, 많아야 40 nm, 많아야 50 nm, 많아야 60 nm, 많아야 70 nm, 많아야 80 nm, 많아야 90 nm, 많아야 100 nm, 많아야 130 nm, 많아야 150 nm, 많아야 200 nm, 많아야 250 nm, 많아야 300 nm, 많아야 400 nm, 많아야 500 nm, 많아야 600 nm, 많아야 700 nm, 많아야 800 nm, 많아야 900 nm, 많아야 1,000 nm, 많아야 1,500nm, 많아야 2,000 nm, 및 이와 유사한 직경을 가진다. 어떤 실시 예들에서, 상기 나노 섬유들은 평균적으로 적어도 20 nm, 적어도 30 nm, 적어도 40 nm, 적어도 50 nm, 적어도 60 nm, 적어도 70 nm, 적어도 80 nm, 적어도 90 nm, 적어도 100 nm, 적어도 130 nm, 적어도 150 nm, 적어도 200 nm, 적어도 250 nm, 적어도 300 nm, 적어도 400 nm, 적어도 500 nm, 적어도 600 nm, 적어도 700 nm, 적어도 800 nm, 적어도 900 nm, 적어도 1,000 nm, 적어도 1,500nm, 적어도 2,000 nm, 및 이와 유사한 직경을 가진다. 또 다른 실시 예들에서, 상기 나노 섬유들은 평균적으로 약 50 nm 및 약 300nm 사이, 50 nm 및 약 150 nm 사이, 약 100 nm 및 약 400 nm 사이, 약 100 nm 및 약 200 nm 사이, 약 500 nm 및 약 800 nm 사이, 약 60 nm 및 약 900 nm 사이, 및 이와 유사한 직경을 가진다. 특정 실시 예들에서, 나노 섬유들(예를 들어, 여기에서 기술된 금속, 금속 산화물, 세라믹, 및/또는 복합 나노 섬유들)은 1,500 nm 이하의 직경(예를 들어, 평균)을 가진다. 더 특정한 실시 예들에서, 여기에서 기술된 나노 섬유들(예를 들어, 금속, 금속 산화물, 세라믹, 및/또는 복합 나노 섬유들)은 100 nm 내지 1,000 nm 의 직경(예를 들어, 평균)을 가진다. 어떤 실시 예들에서, 여기에서 기술된 나노 섬유들(예를 들어, 금속/금속 산화물/세라믹을 포함하는 것들)은 500 nm 이하의 직경(예를 들어, 평균)을 가진다. 어떤 실시 예들에서, 여기에서 기술된 나노 섬유들(예를 들어, 금속/금속 산화물/세라믹을 포함하는 것들)은 500 nm 이하의 의 직경(예를 들어, 평균)을 가진다. 어떤 실시 예들에서, 여기에서 기술된 나노 섬유들(예를 들어, 금속/금속 산화물/세라믹을 포함하는 것들)은 400 nm 이하의 의 직경(예를 들어, 평균)을 가진다. 어떤 실시 예들에서, 여기에서 기술된 나노 섬유들(예를 들어, 금속/금속 산화물/세라믹을 포함하는 것들)은 200 nm 내지 500 nm의 직경(예를 들어, 평균)을 가진다. 다른 특정 실시 예들에서, 여기에서 기술된 전구체 나노 섬유들은 2,000 nm 이하의 직경(예를 들어, 평균)을 가진다. 더 특정한 실시 예들에서, 여기에서 기술된 전구체 나노 섬유들은 300 nm 내지 1,500 nm의 직경(예를 들어, 평균)을 가진다.
어떤 실시 예들에서, 상기 나노 섬유들은 길다. 어떤 예들에서, 본 개시의 방법들은 긴 나노 섬유들을 생성한다(왜냐하면 전구체의 많은 로딩과 균일한 분포는 매우 "연속적인(continuous)" 또는 "코히어런트(coherent)"한 나노 섬유들을 생성하기 때문인데, 이는 그들이 결함들을 거의 가지지 않음을 의미한다). 어떤 실시 예들에서, 니노 섬유의 단부를 규정하기에 충분히 엄격한 어떤 특정한 길이를 따라 결함이 있을 확률이 감소되기 때문에 그러한 고품질 나노 섬유들은 통계적으로 더 길 것이다. 나노 섬유의 길이를 측정하는 방법들은 현미경 사진, 선택적으로 투과 전자 현미경 사진(transmission electron microscopy("TEM")) 또는 주사 전자 현미경 사진(scanning electron microscopy("SEM"))을 포함하지만, 여기에 제한되지 않는다.
나노 섬유들을 어떤 적당한 길이를 가진다. 어떤 예들에서, 주어진 나노 섬유들의 집합체는 다양한 길이들의 섬유들의 분포를 가지는 나노 섬유들을 포함한다. 어떤 실시 예들에서, 어떤 모집단의 섬유들은 평균 길이를 초과하거나 그에 미치지 못한다. 어떤 실시 예들에서, 상기 나노 섬유는 약 20 ㎛, 약 50 ㎛, 약 100 ㎛, 약 500 ㎛, 약 1,000 ㎛, 약 5,000 ㎛, 약 10,000 ㎛, 약 50,000 ㎛, 약 100,000 ㎛, 약 500,000 ㎛, 및 이와 유사한 평균 길이를 가진다. 어떤 실시 예들에서, 상기 나노 섬유는 적어도 약 20 ㎛, 적어도 약 50 ㎛, 적어도 약 100 ㎛, 적어도 약 500 ㎛, 적어도 약 1,000 ㎛, 적어도 약 5,000 ㎛, 적어도 약 10,000 ㎛, 약 적어도 50,000 ㎛, 적어도 약 100,000 ㎛, 적어도 약 500,000 ㎛, 및 이와 유사한 평균 길이를 가진다.
"애스펙트 비"는 나노 섬유의 길이를 그 직경으로 나눈 값이다. 어떤 예들에서, 애스펙트 비는 나노 섬유의 코히어런스(coherence)를 정량화하는 유용한 측정치인데, 더 높은 애스펙트 비들은 나노 섬유 또는 나노 섬유들의 집단이 공동들이나 결함들을 거의 가지고 있지 않음을 나타낸다. 어떤 실시 예들에서, 애스펙트 비는 단일 나노 섬유에 대해서 언급한다. 어떤 실시 예들에서, 애스펙트 비는 복수의 나노 섬유들에 대해서 언급하고, 단일 평균값으로서 보고된다(예를 들어, 애스펙트 비는 어떤 샘플의 나노 섬유들의 평균 길이를 그들의 평균 직경으로 나눈 것이다). 어떤 예들에서, 직경들 및/또는 길이들은 현미경 사진에 의해 측정된다. 나노 섬유들은 어떤 적당한 애스펙트 비를 가진다. 어떤 실시 예들에서, 상기 나노 섬유들은 약 5, 약 10, 약 102, 약 103, 약 104, 약 105, 약 106, 약 107, 약 108, 약 109, 약 1010, 약 1011, 약 1012, 및 이와 유사한 값을 가진다. 어떤 실시 예들에서, 상기 나노 섬유들은 적어도 5, 적어도 10, 적어도 102, 적어도 103, 적어도 104, 적어도 105, 적어도 106, 적어도 107, 적어도 108, 적어도 109, 적어도 1010, 적어도 1011, 적어도 1012, 및 이와 유사한 값을 가진다. 어떤 실시 예들에서, 상기 나노 섬유는 실질적으로 무한한 길이이고 실질적으로 무한대의 애스펙트 비를 가진다. 특정 실시 예들에서, 여기에서 제공된 나노 섬유들의 애스펙트 비(예를 들어 평균 애스펙트 비)는 적어도 100이다. 더 특정 실시 예들에서, 여기에서 제공된 나노 섬유들의 애스펙트 비(예를 들어 평균 애스펙트 비)는 적어도 1,000(예를 들어, 적어도 5,000)이다. 또 더 특정 실시 예들에서, 여기에서 제공된 나노 섬유들의 애스펙트 비(예를 들어 평균 애스펙트 비)는 적어도 10,000이다.
어떤 실시 예들에서, 상기 나노 섬유들은 높은 표면적을 가진다. 어떤 실시 예들에서, 상기 나노 섬유는 나노 섬유의 표면에서 반응들이 일어나는 경우에 촉매(catalyst)로서 이용된다. 이들 촉매 실시 예들에서, 높은 표면적은 공정 장비의 크기를 감소시키고 및/또는 촉매에서 요구되는 값 비싼 재료의 양을 감소시킨다.
상기 "비표면적(specific surface area)"은 섬유 하나의(또는 복수의 섬유들의 평균) 질량 또는 볼륨당 표면적이다. 다양한 예들에서, 상기 비표면적은 단일 나노 섬유에 기초하여, 또는 나노 섬유들의 집합체에 기초하여 계산되고, 단일 평균 값으로서 보고된다. 질량을 측정하는 기법들은 이 기술분야에 숙달된 사람들에게 알려져 있다. 어떤 예들에서, 상기 표면적은 샘플에서 너노 섬유의 지경 및 길이를 측정하고 실린더의 표면적에 대한 식(즉, 2π × (나노 섬유의 직경의 1/2) × (나노 섬유의 길이 및 직경의 1/2의 합))을 적용함으로써 계산된다. 어떤 실시 예들에서, 상기 표면적은 물리적 또는 화학적 방법들, 예를 들어 불활성 가스의 물리흡착(physisorption) 및 탈착(desorption) 사이의 차를 이용하는 Brunauer-Emmett, 및 Teller(BET) 방법에 의해 측정된다. 어떤 실시 예들에서, 이전에 결정된 적정 곡선(titration curve)에 의해 상기 표면적에 관련된, 표면상의 그룹들(groups)의 수를 추정하기 위해 나노 섬유 상에 어떤 화학 그룹들을 적정함으로써(titrating) 표면적이 측정된다. 이 화학 기술 분야에 숙달된 사람들은 적정 방법들에 친숙할 것이다.
상기 나노 섬유는 어떤 적당한 비표면적을 가진다. 어떤 실시 예들에서, 상기 비표면적은 약 0.1 ㎡/g, 약 0.5 ㎡/g, 약 1.0 ㎡/g, 약 5 ㎡/g, 약 10 ㎡/g, 약 40 ㎡/g, 약 60 ㎡/g, 약 80 ㎡/g, 약 100 ㎡/g, 약 200 ㎡/g, 약 400 ㎡/g, 약 600 ㎡/g, 약 800 ㎡/g, 약 1,000 ㎡/g, 약 1,500 ㎡/g, 약 2,000 ㎡/g, 및 이와 유사한 값을 가진다. 어떤 실시 예들에서, 상기 비표면적은 적어도 0.1 ㎡/g, 적어도 0.5 ㎡/g, 적어도 1.0 ㎡/g, 적어도 5 ㎡/g, 적어도 10 ㎡/g, 적어도 40 ㎡/g, 적어도 60 ㎡/g, 적어도 80 ㎡/g, 적어도 100 ㎡/g, 적어도 200 ㎡/g, 적어도 400 ㎡/g, 적어도 600 ㎡/g, 적어도 800 ㎡/g, 적어도 1,000 ㎡/g, 적어도 1,500 ㎡/g, 적어도 2,000 ㎡/g, 및 이와 유사한 값을 가진다. 어떤 실시 예들에서, 상기 비표면적은 약 0.1 ㎡/g 및 1 ㎡/g 사이, 약 1 ㎡/g 및 1,000 ㎡/g 사이, 약 10 ㎡/g 및 100 ㎡/g 사이, 약 600 ㎡/g 및 2,000 ㎡/g 사이, 약 10 ㎡/g 및 1,000 ㎡/g 사이, 약 100 ㎡/g 및 600 ㎡/g 사이, 약 300 ㎡/g 및 500 ㎡/g 사이, 및 이와 유사한 값을 가진다.
어떤 예들에서, 여기에 개시된 방법들은(예를 들어, 균일하게 분포된 전구체의 높은 로딩을 이용하는 것을 포함하는) 구멍(pores)의 수와 크기를 감소시킨다. 다공도(porosity)는 또한 "공극률(void fraction)"이라고도 하며 재료에서 빈 공간들(void spaces)의 척도이다. 어떤 실시 예들에서, 다공도는 전체 볼륨에 대한 공동들의 볼륨의 비이고, 0% 및 100% 사이의 백분률로서 보고된다. 다양한 실시 예들에서, 상기 다공도는 유체 원료에서 전구체의 로딩 및 분포, 하소 조건들, 및 이와 유사한 것을 포함하는 많은 인자들에 의존한다.
다공도를 측정 또는 평가하는 방법들은 현미경 사진을 포함한다. 방법들은 또한 우선 어떤 직접적 또는 간접적인 방법에 의해 나노 섬유들의 샘플의 표면적을 측정한 다음, 상기 측정된 표면적을 샘플 내 나노 섬유들의 평균 길이 및 직경을 가지는 이상화된 실린더(idealized cylinder)의 표면적과 비교하는 것을 포함한다. 어떤 실시 예들에서, 상기 측정된 및 예상된 표면적 사이의 차는 어떤 볼륨으로 변환된 다음, 상기 구멍들이 평균 직경을 가지는 구들 또는 실린더들의 형태라고 가정함으로써 볼륨 비(volume fraction)로 변환된다. 어떤 실시 예들에서, 다공도는 상기 나노 섬유들을 상기 구멍들을 뚫고 들어가는 유체에 담금으로써 측정된다. 그러한 실시 예에서, 상기 다공도는 상기 나노 섬유 플러스(plus) 유체의 총 볼륨을, 상기 나노 섬유들의 직경과 길이를 가지는 이상화된 무-구멍(non-porous) 실린더들의 집합체를 담금으로써 얻어질 볼륨과 비교함으로써 평가된다. 상기 공동 볼륨(void volume)은 이 볼륨들 사이의 차이고, 이것은 상기 공동 볼륨을 상기 이상화된 실리더들의 볼륨으로 나눔으로써 다공도로 변환된다.
상기 나노 섬유들은 어떤 적당한 다공도를 가진다. 어떤 실시 예들에서, 상기 다공도는 약 1%, 약 2%, 약 4%, 약 6%, 약 8%, 약 10%, 약 15%, 약 20%, 약 25%, 약 30%, 약 40%, 약 50%, 약 60%, 약 70%, 및 이와 유사한 것이다. 어떤 실시 예들에서, 상기 다공도는 많아야 1%, 많아야 2%, 많아야 4%, 많아야 6%, 많아야 8%, 많아야 10%, 많아야 15%, 많아야 20%, 많아야 25%, 많아야 30%, 많아야 40%, 많아야 50%, 많아야 60%, 많아야 70%, 및 이와 유사한 것이다. 어떤 실시 예들에서, 상기 다공도는 적어도 1%, 적어도 2%, 적어도 4%, 적어도 6%, 적어도 8%, 적어도 10%, 적어도 15%, 적어도 20%, 적어도 25%, 적어도 30%, 적어도 40%, 적어도 50%, 적어도 60%, 적어도 70%, 및 이와 유사한 것이다. 어떤 실시 예들에서, 상기 다공도는 약 1% 및 10% 사이, 약 10% 및 50% 사이, 약 20% 및 30% 사이, 약 30% 및 70% 사이, 약 1% 및 50% 사이, 약 5% 및 20% 사이, 및 이와 유사한 것이다.
어떤 실시 예들에서, 여기에 제공된 나노 섬유들은 다른 나노 재료들에 대해 개선된 성능을 가진다. 어떤 예들에서, 여기에 기술된 나노 섬유들(및/또는 그들의 복합 재료들)의 영률(Young's modulus), 파괴 인성(fracture toughness), 극한 강도(ultimate strength), 전기 전도도, 열 전도도, 유연성(flexibility), 및/또는 다른 특성들이 동일 재료들의 다른 나노 구조들에 비해 및/또는 동일 재료들의 벌크/시트 형태(bulk/sheet form)에 비해 개선된다. 표1은 여기에 제공된 어떤 나노 섬유들의 물리적인 특성들 및 유사한 구조를 가지는 벌크 재료들의 물리적 특성들이다. 어떤 실시 예들에서, 적어도 표1에 제시된 세라믹의 레벨(또는 적어도 90% 레벨)의 평균 영률을 가지는 세라믹 또는 금속 산화물 나노 섬유들(또는 세라믹 및/또는 금속 산화물의 연속 매트릭스를 가지는 나노 섬유들)이 여기에 제공된다(특히 비정질 세라믹에 대해서 1 또는 2 행, 결정질 세라믹에 대해서 3 행, 또는 금속 산화물들에 대해서 4 또는 5행). 어떤 실시 예들에서, 적어도 표1에 제시된 레벨(또는 적어도 90% 레벨)의 평균 파괴 인성을 가지는 세라믹 또는 금속 산화물 나노 섬유들(또는 세라믹 및/또는 금속 산화물의 연속 매트릭스를 가지는 나노 섬유들)이 여기에 제공된다(특히 비정질 세라믹에 대해서 1 또는 2 행, 결정질 세라믹에 대해서 3 행, 또는 금속 산화물들에 대해서 4 또는 5행). 어떤 실시 예들에서, 적어도 표1에 제시된 레벨(또는 적어도 90% 레벨)의 평균 극한 강도를 가지는 세라믹 또는 금속 산화물 나노 섬유들(또는 세라믹 및/또는 금속 산화물의 연속 매트릭스를 가지는 나노 섬유들)이 여기에 제공된다(특히 비정질 세라믹에 대해서 1 또는 2 행, 결정질 세라믹에 대해서 3 행, 또는 금속 산화물들에 대해서 4 또는 5행). 어떤 실시 예들에서, 적어도 표1에 제시된 세라믹의 레벨(또는 적어도 90% 레벨)의 평균 영률을 가지는 금속 나노 섬유들(또는 금속의 연속 매트릭스를 가지는 나노 섬유들)이 여기에 제공된다(특히 6, 7, 또는 8행). 어떤 실시 예들에서, 적어도 표1에 제시된 레벨(또는 적어도 90% 레벨)의 평균 파괴 인성을 가지는 금속 나노 섬유들(또는 금속의 연속 매트릭스를 가지는 나노 섬유들)이 여기에 제공된다(특히 6, 7 또는 8행). 어떤 실시 예들에서, 적어도 표1에 제시된 레벨(또는 적어도 90% 레벨)의 평균 극한 강도를 가지는 금속 나노 섬유들(또는 금속의 연속 매트릭스를 가지는 나노 섬유들)이 여기에 제공된다(특히 6, 7 또는 8행). 어떤 실시 예들에서, 적어도 표1에 제시된 레벨(또는 적어도 90% 레벨)의 평균 전기 전도도를 가지는 금속 나노 섬유들(또는 금속의 연속 매트릭스를 가지는 나노 섬유들)이 여기에 제공된다(특히 6, 7 또는 8행).
재료 영률
(GPa)		 파괴인성
(MPa·m½)		 극한강도
(MPa)		 전기전도도
(log(S/m))
나노섬유 벌크 나노섬유 벌크 나노섬유 벌크
SiO2
(비정질)		 79 80 0.71 41 33 -- --
Al2O3
(비정질)		 81 0.99 77 --
ZrO2
(결정질)		 818 210 2.15 2612 1900 -- --
ZnO 137 1.4 109 2.9
Fe2O3 118 1.32 144 3.3
Cu 608 117 4.12 191 70 6.6 7.4
Ni 407 2.81 123 5.1
Fe 299 1.47 218 4.6
ZrO2/Ni
나노크리스탈
(~5:1)		 718 1.88 1011 --
어떤 실시 예들에서, 여기에서 기술된 나노 섬유들은 다른 나노 구조 또는 벌크 형태들에서의 유사한 재료들에 비해 개선된 영률을 가진다. 어떤 예들에서, 적어도 0.1 GPa/nm의 평균 또는 중간 나노 섬유 영률 대 직경 비(a mean or median nanofiber Young's modulus-to-diameter ratio)를 가지는 나노 섬유들이 여기에 제공된다. 어떤 예들에서, 적어도 0.13 GPa/nm의 평균 또는 중간 나노 섬유 영률 대 직경 비를 가지는 나노 섬유들이 여기에 제공된다. 특정 예들에서, 적어도 0.15 GPa/nm의 평균 또는 중간 나노 섬유 영률 대 직경 비를 가지는 나노 섬유들이 여기에 제공된다. 더 특정 예들에서, 적어도 0.18 GPa/nm의 평균 또는 중간 나노 섬유 영률 대 직경 비를 가지는 나노 섬유들이 여기에 제공된다. 더욱더 특정 예들에서, 적어도 0.2 GPa/nm의 평균 또는 중간 나노 섬유 영률 대 직경 비를 가지는 나노 섬유들이 여기에 제공된다. 아직도 더 특정 예들에서, 적어도 0.25 GPa/nm의 평균 또는 중간 나노 섬유 영률 대 직경 비를 가지는 나노 섬유들이 여기에 제공된다. 특정 예들에서, 적어도 0.3 GPa/nm의 평균 또는 중간 나노 섬유 영률 대 직경 비를 가지는 나노 섬유들이 여기에 제공된다. 어떤 예들에서, 적어도 0.05 GPa/nm 또는 적어도 0.5 GPa/nm의 평균 또는 중간 나노 섬유 영률 대 직경 비를 가지는 나노 섬유들이 여기에 제공된다.
어떤 실시 예들에서, 적어도 0.15 GPa/nm의 평균 영률 대 직경 비(average Young's modulus-to-diameter ratio)를 포함하는 비정질 세라믹 나노 섬유들(예를 들어, 여기에 기술된 바와 같은 순수 비정질 세라믹 나노 섬유들, 또는 비정질 세라믹 연속 매트릭스를 포함하는 나노 섬유들)이 여기에 제공된다. 특정 실시 예들에서, 적어도 0.2 GPa/nm의 평균 영률 대 직경 비를 포함하는 비정질 세라믹 나노 섬유들이 여기에 제공된다. 더 특정 실시 예들에서, 적어도 0.3 GPa/nm의 평균 영률 대 직경 비를 포함하는 비정질 세라믹 나노 섬유들이 여기에 제공된다. 아직 더 특정 실시 예들에서, 적어도 0.35 GPa/nm의 평균 영률 대 직경 비를 포함하는 비정질 세라믹 나노 섬유들이 여기에 제공된다. 어떤 실시 예들에서, 적어도 0.05 MPa/nm의 평균 극한 강도 대 직경 비(average ultimate strength-to-diameter ratio)를 포함하는 비정질 세라믹 나노 섬유들이 여기에 제공된다. 특정 실시 예들에서, 적어도 0.075 MPa/nm의 평균 극한 강도 대 직경 비를 포함하는 비정질 세라믹 나노 섬유들이 여기에 제공된다. 더 특정 실시 예들에서, 적어도 0.1 MPa/nm의 평균 극한 강도 대 직경 비를 포함하는 비정질 세라믹 나노 섬유들이 여기에 제공된다. 아직 더 특정 실시 예들에서, 적어도 0.15 MPa/nm의 평균 극한 강도 대 직경 비를 포함하는 비정질 세라믹 나노 섬유들이 여기에 제공된다. 더욱더 특정 실시 예들에서, 적어도 0.2 MPa/nm의 평균 극한 강도 대 직경 비를 포함하는 비정질 세라믹 나노 섬유들이 여기에 제공된다. 어떤 실시 예들에서, 적어도 0.075 MPa/nm의 평균 극한 강도 대 직경 비 및 적어도 0.15 GPa/nm의 평균 영률 대 직경 비를 포함하는 비정질 세라믹 나노 섬유들이 여기에 제공된다. 더 특정 실시 예들에서, 적어도 0.15 MPa/nm의 평균 극한 강도 대 직경 비 및 적어도 0.3 GPa/nm의 평균 영률 대 직경 비를 포함하는 비정질 세라믹 나노 섬유들이 여기에 제공된다. 어떤 실시 예들에서, 적어도 0.5 MPa·m½의 파괴 인성을 가지는 비정질 세라믹 나노 섬유들이 여기에 제공된다. 특정 실시 예들에서, 적어도 0.6 MPa·m½의 파괴 인성을 가지는 비정질 세라믹 나노 섬유들이 여기에 제공된다. 더 특정 실시 예들에서, 적어도 0.7 MPa·m½의 파괴 인성을 가지는 비정질 세라믹 나노 섬유들이 여기에 제공된다.
어떤 실시 예들에서, 적어도 1 GPa/nm의 평균 영률 대 직경 비(average Young's modulus-to-diameter ratio)를 포함하는 결정질 세라믹 나노 섬유들(예를 들어, 여기에 기술된 바와 같은 순수 결정질 세라믹 나노 섬유들, 또는 결정질 세라믹 연속 매트릭스를 포함하는 나노 섬유들)이 여기에 제공된다. 특정 실시 예들에서, 적어도 1.5 GPa/nm의 평균 영률 대 직경 비를 포함하는 결정질 세라믹 나노 섬유들이 여기에 제공된다. 더 특정 실시 예들에서, 적어도 2 GPa/nm의 평균 영률 대 직경 비를 포함하는 결정질 세라믹 나노 섬유들이 여기에 제공된다. 아직 더 특정 실시 예들에서, 적어도 3 GPa/nm의 평균 영률 대 직경 비를 포함하는 결정질 세라믹 나노 섬유들이 여기에 제공된다. 더 특정 실시 예들에서, 적어도 4 GPa/nm의 평균 영률 대 직경 비를 포함하는 결정질 세라믹 나노 섬유들이 여기에 제공된다. 어떤 실시 예들에서, 적어도 3 MPa/nm의 평균 극한 강도 대 직경 비(average ultimate strength-to-diameter ratio)를 포함하는 결정질 세라믹 나노 섬유들이 여기에 제공된다. 특정 실시 예들에서, 적어도 5 MPa/nm의 평균 극한 강도 대 직경 비를 포함하는 결정질 세라믹 나노 섬유들이 여기에 제공된다. 더 특정 실시 예들에서, 적어도 7.5 MPa/nm의 평균 극한 강도 대 직경 비를 포함하는 결정질 세라믹 나노 섬유들이 여기에 제공된다. 아직 더 특정 실시 예들에서, 적어도 10 MPa/nm의 평균 극한 강도 대 직경 비를 포함하는 결정질 세라믹 나노 섬유들이 여기에 제공된다. 더욱더 특정 실시 예들에서, 적어도 12.5 MPa/nm의 평균 극한 강도 대 직경 비를 포함하는 결정질 세라믹 나노 섬유들이 여기에 제공된다. 어떤 실시 예들에서, 적어도 5 MPa/nm의 평균 극한 강도 대 직경 비 및 적어도 1.5 GPa/nm의 평균 영률 대 직경 비를 포함하는 결정질 세라믹 나노 섬유들이 여기에 제공된다. 더 특정 실시 예들에서, 적어도 12.5 MPa/nm의 평균 극한 강도 대 직경 비 및 적어도 4 GPa/nm의 평균 영률 대 직경 비를 포함하는 결정질 세라믹 나노 섬유들이 여기에 제공된다. 어떤 실시 예들에서, 적어도 1.5 MPa·m½의 평균 파괴 인성을 가지는 결정질 세라믹 나노 섬유들이 여기에 제공된다. 특정 실시 예들에서, 적어도 1.8 MPa·m½의 평균 파괴 인성을 가지는 결정질 세라믹 나노 섬유들이 여기에 제공된다. 더 특정 실시 예들에서, 적어도 2.1 MPa·m½의 평균 파괴 인성을 가지는 결정질 세라믹 나노 섬유들이 여기에 제공된다.
어떤 실시 예들에서, 적어도 0.8 GPa/nm의 평균 영률 대 직경 비(average Young's modulus-to-diameter ratio)를 포함하는 금속 나노 섬유들(예를 들어, 여기에 기술된 바와 같은 순수 금속 나노 섬유들, 또는 금속 연속 매트릭스를 포함하는 나노 섬유들)이 여기에 제공된다. 특정 실시 예들에서, 적어도 1.1 GPa/nm의 평균 영률 대 직경 비를 포함하는 금속 나노 섬유들이 여기에 제공된다. 더 특정 실시 예들에서, 적어도 1.5 GPa/nm의 평균 영률 대 직경 비를 포함하는 금속 나노 섬유들이 여기에 제공된다. 아직 더 특정 실시 예들에서, 적어도 2 GPa/nm의 평균 영률 대 직경 비를 포함하는 금속 나노 섬유들이 여기에 제공된다. 더 특정 실시 예들에서, 적어도 2.9 GPa/nm의 평균 영률 대 직경 비를 포함하는 금속 나노 섬유들이 여기에 제공된다. 어떤 실시 예들에서, 적어도 0.2 MPa/nm의 평균 극한 강도 대 직경 비(average ultimate strength-to-diameter ratio)를 포함하는 금속 나노 섬유들이 여기에 제공된다. 특정 실시 예들에서, 적어도 0.35 MPa/nm의 평균 극한 강도 대 직경 비를 포함하는 금속 나노 섬유들이 여기에 제공된다. 더 특정 실시 예들에서, 적어도 0.5 MPa/nm의 평균 극한 강도 대 직경 비를 포함하는 금속 나노 섬유들이 여기에 제공된다. 아직 더 특정 실시 예들에서, 적어도 0.7 MPa/nm의 평균 극한 강도 대 직경 비를 포함하는 금속 나노 섬유들이 여기에 제공된다. 더욱더 특정 실시 예들에서, 적어도 0.9 MPa/nm의 평균 극한 강도 대 직경 비를 포함하는 금속 나노 섬유들이 여기에 제공된다. 어떤 실시 예들에서, 적어도 0.35 MPa/nm의 평균 극한 강도 대 직경 비 및 적어도 1.1 GPa/nm의 평균 영률 대 직경 비를 포함하는 금속 나노 섬유들이 여기에 제공된다. 더 특정 실시 예들에서, 적어도 0.9 MPa/nm의 평균 극한 강도 대 직경 비 및 적어도 2.9 GPa/nm의 평균 영률 대 직경 비를 포함하는 금속 나노 섬유들이 여기에 제공된다. 어떤 실시 예들에서, 적어도 3 MPa·m½의 평균 파괴 인성을 가지는 금속 나노 섬유들이 여기에 제공된다. 특정 실시 예들에서, 적어도 3.5 MPa·m½의 평균 파괴 인성을 가지는 금속믹 나노 섬유들이 여기에 제공된다. 더 특정 실시 예들에서, 적어도 4.1 MPa·m½의 평균 파괴 인성을 가지는 금속 나노 섬유들이 여기에 제공된다. 어떤 실시 예들에서, 여기에 제공된 금속 나노 섬유의 평균 전기 전도도는 동일한 벌크 재료와 적어도 0.75의 log(S/m) 대 log(S/m) 비(log(S/m) to log(S/m) ratio)를 가진다(즉, 상기 금속 나노 섬유의 길이를 따른 전기 전도도의 log를 벌크 상태 동일한 재료의 전기 전도도의 log로 나눈 것). 특정 실시 예들에서, 여기에 제공된 금속 나노 섬유의 평균 전기 전도도는 동일한 벌크 재료와 적어도 0.85의 log(S/m) 대 log(S/m) 비를 가진다. 더 특정 실시 예들에서, 여기에 제공된 금속 나노 섬유의 평균 전기 전도도는 동일한 벌크 재료와 적어도 0.9의 log(S/m) 대 log(S/m) 비를 가진다. 아직 더 특정 실시 예들에서, 여기에 제공된 금속 나노 섬유의 평균 전기 전도도는 동일한 벌크 재료와 적어도 0.95의 log(S/m) 대 log(S/m) 비를 가진다.
어떤 실시 예들에서, 여기에 기술된 나노 섬유들의 응용들은 높은 전도도를 가지는 나노 섬유들로부터 이득을 본다. 어떤 예들에서, 높은 전기 전도도는 전자를 나노 섬유를 통해 이동시키는 것을 포함하는 에너지 발생 응용들(예들 들어, 배터리의 전극으로서)에서 바람직하다. 어떤 실시 예들에서, 감소된 수와 크기의 결함들을 가진 길고 연속적인 나노 섬유들은 더 높은 전도도를 가진다.
다양한 실시 예들에서, 전도도는 "열적 전도도", "전기적 전도도", 또는 문맥상 다른 방법으로 명백하게 지시하지 않는다면 열적 및 전기적 전도도 모두를 의미한다. 전기 전도도는 전류를 행하는 재료의 능력의 척도이다. 전기 전도도는 길이당 지멘스(Siemens per length)의 단위(예를 들어, S/cm)로 측정된다. 전도도의 역(reciprocal)은 저항율(resistivity)이다. 전기 저항율은 재료가 전류의 흐름에 얼마나 강하게 반대하는가의 척도이고 옴 미터(Ωm)의 단위로 보고된다. 어떤 예들에서, 열 전도도는 미터 켈빈 당 와트(watts per meter Kelvin)(W/mK)의 단위로 보고된다. 열 저항율은 그 역이다. 단위들을 검사하면 그 값이 전기 또는 열 전도도인지를 나타낸다.
한 양상에서, 나노 섬유는 그 나노 섬유가 만들어진 재료의 얇은 시트(thin sheet)에 비교되는 전도도(예를 들어, 전기, 또는 열 전도도)를 가진다. 예를 들어, 구리 나노 섬유는 구리의 얇은 시트와 비교된다. 나노 섬유들은 시트로 형성된 재료의 전도도의 백분율로서 어떤 적당한 전도도를 가진다. 어떤 실시 예들에서, 상기 전도도는 나노 섬유들의 집합체의 서로 다른 부분들에서, 또는 서로 다른 방향들을 따라 가변적이다. 다양한 실시 예들에서, 전도도는 평균값, 또는 어떤 측정 조건이나 방향에 특정된 값(즉, 비 등방성 재료들에 대해)으로서 보고된다.
어떤 실시 예들에서, 상기 나노 섬유는 시트로 형성된 재료의 전도도와 비교하였을 때 약 5%, 약 10%, 약 20%, 약 30%, 약 40%, 약 50%, 약 60%, 약 70%, 약 80%, 약 90%, 약 95%, 또는 약 100%의 전도도를 가진다. 어떤 실시 예들에서, 상기 나노 섬유는 시트로 형성된 재료의 전도도와 비교하였을 때 적어도 약 5%, 적어도 약 10%, 적어도 약 20%, 적어도 약 30%, 적어도 약 40%, 적어도 약 50%, 적어도 약 60%, 적어도 약 70%, 적어도 약 80%, 적어도 약 90%, 적어도 약 95%, 또는 적어도 약 100%의 전도도를 가진다. 어떤 실시 예들에서, 상기 나노 섬유는 시트로 형성된 재료의 전도도와 비교하였을 때 많아야 약 5%, 많아야 약 10%, 많아야 약 20%, 많아야 약 30%, 많아야 약 40%, 많아야 약 50%, 많아야 약 60%, 많아야 약 70%, 많아야 약 80%, 많아야 약 90%, 많아야 약 95%, 또는 많아야 약 100%의 전도도를 가진다. 어떤 실시 예들에서, 상기 나노 섬유는 시트로 형성된 재료의 전도도와 비교하였을 때 약 5% 및 10% 사이, 약 10% 및 20% 사이, 약 20% 및 30% 사이, 약 30% 및 40% 사이, 약 40% 및 50% 사이, 약 50% 및 60% 사이, 약 60% 및 70% 사이, 약 70% 및 80% 사이, 약 80% 및 90% 사이, 약 90% 및 95% 사이, 약 95% 및 100% 사이의 전도도를 가진다.
어떤 예들에서, 전도도는 시트로 형성되었을 때 재료의 전도도에 관련 없이 보고된다. 예를 들어, 어떤 실시 예들에서, 전기 전도도는 상대적인 것에 기초하기 보다는 오히려 절대적인 거에 기초하여 보고된다. 전기 전도도는 이 기술 분야에 숙달된 사람들에게 알려진 어떤 적당한 방법을 이용하여 측정된다. 예를 들어 어떤 실시 예들에서, 전도도는 우선 저항(resistance)을 측정하고 그 역을 계산함으로써 측정된다. 한 예에서, 테스트될 나노 섬유들의 샘플을 전압 전원에 연결하고 그 샘플을 통과하는 전류와 샘플을 가로지르는 전압을 측정한다. 어떤 예들에서, 상기 저항은 옴의 법칙(Ohm's law)(즉, R=E/I, 여기에서 R은 옴 단위의 저항, E는 볼트 단위의 전압, I는 암페어 단위의 전류이다)으로부터 계산된다. 일단 여기에서 저항을 얻게 되면, 저항율(resistivity)을 계산할 수 있다. 저항율은 샘플의 길이를 곱하고 샘플의 단면적으로 나누면 저항을 산출하는 어떤 인자이다. 전도도는 상기 저항율의 역이다.
상기 나노 섬유들은 어떤 적당한 전기 전도도를 가진다. 다양한 실시 예들에서, 전기 전도도는 상기 나노 샘플의 어떤 특정한 조건에서, 또는 어떤 특정한 방향을 따른 평균값으로서 측정된다. 어떤 실시 예들에서, 상기 전도도는 약 1 S/m, 약 10 S/m, 약 100 S/m, 약 103 S/m, 약 104 S/m, 약 105 S/m, 약 106 S/m, 약 107 S/m, 약 108 S/m, 및 이와 유사한 값이다. 어떤 실시 예들에서, 상기 전도도는 적어도 1 S/m, 적어도 10 S/m, 적어도 100 S/m, 적어도 103 S/m, 적어도 104 S/m, 적어도 105 S/m, 적어도 106 S/m, 적어도 107 S/m, 적어도 108 S/m, 및 이와 유사한 값이다. 어떤 실시 예들에서, 상기 전도도는 많아야 1 S/m, 많아야 10 S/m, 많아야 100 S/m, 많아야 103 S/m, 많아야 104 S/m, 많아야 105 S/m, 많아야 106 S/m, 많아야 107 S/m, 많아야 108 S/m, 및 이와 유사한 값이다. 어떤 실시 예들에서, 상기 전도도는 약 1 S/m 및 10 S/m 사이, 약 10 S/m 및 100 S/m 사이, 약 100 S/m 및 1,000 S/m 사이, 약 1000 S/m 및 104 S/m 사이, 약 104 S/m 및 105 S/m 사이, 약 105 S/m 및 106 S/m사이, 약 106 S/m 및 107 S/m 사이, 약 107 S/m 및 108 S/m 사이, 약 105 S/m 및 108 S/m 사이, 및 이와 유사한 값이다.
어떤 실시 예들에서, 본 개시의 나노 섬유들 또는 나노 섬유들의 집합체들은 유연하다(flexible). 어떤 예들에서, 유연한 나노 섬유들은 유연한 태양 페널들(solar panels)의 제조에 있어서와 같은 응용들에서 유리하다. 어떤 예들에서, 유연성(flexibility)은 응력-변형 곡선(stress-strain curve)의 처음 선형 부분의 기울기인 영률에 의해 정량화된다. 상기 영률은 메가 파스칼(mega Pascals(MPa))와 같은 압력의 단위이다. 어떤 실시 예들에서, 유연성은 재료의 서로 다른 방형들을 따라 서로 달라서, 어떤 방향에 관련하여 보고되거나, 또는 평균값으로서 보고된다.
한 양상에서, 유연성은 적어도 부분적으로 상기 하소 온도에 의하여 결정된다. 한 예에서, 상기 하소 온도가 약 200℃일 때 상기 영률은 적어도 100MPa이다. 어떤 예들에서, 더 낮은 하소 온도는 상기 나노 섬유에서 상당히 더 높은 분율의 비정질 금속 또는 세라믹을 가져오고, 이것은 결과적으로 더 높은 유연성을 가져온다.
상기 나노 섬유들은 어떤 적당한 유연성을 가진다. 어떤 실시 예들에서, 상기 나노 섬유는 약 10 MPa, 약 20 MPa, 약 40 MPa, 약 60 MPa, 약 80 MPa, 약 100 MPa, 약 150 MPa, 약 200 MPa, 약 250 MPa, 약 300 MPa, 약 400 MPa, 약 1000 MPa, 및 이와 유사한 값의 영률을 가진다. 어떤 실시 예들에서, 상기 나노 섬유는 적어도 약 10 MPa, 적어도 약 20 MPa, 적어도 약 40 MPa, 적어도 약 60 MPa, 적어도 약 80 MPa, 적어도 약 100 MPa, 적어도 약 150 MPa, 적어도 약 200 MPa, 적어도 약 250 MPa, 적어도 약 300 MPa, 적어도 약 400 MPa, 적어도 약 1000 MPa, 및 이와 유사한 값의 영률을 가진다.
나노 섬유 매트들( Nanofiber mats )
어떤 실시 예들에서, 여기에서 기술된 상기 나노 섬유들은 어떤 적당한 구조(예를 들어, 원하는 응용들에 적당한)로 수집되거나 또는 형성된다. 구조들은 구들(spheres), 원추들(cones), 실린더들(cylinders), 슬래브들(slabs), 나선들(helixes), 디각형들(polygons), 및 이와 유사한 것을 포함하지만 이들에 제한되지 않는다. 용어의 단순성을 위해, 나노 섬유들의 모든 가능한 형태들 또는 집합체는 여기에서 "매트(mat)"라고 한다. 다양한 실시 예들에서, 나노 섬유 매트들은 단일 유형의 나노 섬유들, 또는 적어도 둘 유형의 나노 섬유들을 포함한다.
어떤 실시 예들에서, 코히어런트 나노 섬유들(coherent nanofibers)은 바람직한 특성들을 가지는 매트(예들 들어, 덜 잘 부러지는 나노 섬유 매트(a less brittle nanofiber mat))를 가져온다. 어떤 예들에서, 이들 바람직한 특성들은 구성 요소 나노 섬유들의 특성들로부터 나타나고 및 또는 상기 나노 섬유들이 매트로 형성되는 방법에 의존한다. 어떤 실시 예들에서, 본 개시는 나노 섬유 매트들을 포함한다. 한 양상에서, 본 개시의 나노 섬유들에 의해 형성된 나노 섬유 매트들이 여기에 기술된다. 또한 본 개시의 방법들에 의해 제조되는 또는 상기 방법들 중 어떤 것에 의해 제조될 수 있는 나노 섬유 매트들이 여기에 기술된다. 한 양상에서, 나노 섬유 매트들을 제조하기 위한 방법들, 선택적으로 전자 방사 공정을 이용하는 방법들이 여기에 기술된다.
어떤 실시 예들에서, 나노 섬유들은 그들이 생성될 때 어떤 주어진 기하학적 형태로 수집된다(예들 들어, 방사돌기에 대해 수집 플레이트(collection plate)를 움직임으로써, 즉 3-D 프린팅). 다양한 실시 예들에서, 나노 섬유들은 수집 후(선택적으로 하소 전에)에 어떤 주어진 기하학적 형태로 형성되거나, 또는 하소 후에 어떤 주어진 기하학적 형태로 형성된다. 어떤 예들에서, 상기 나노 섬유 매트는 제어된 방식으로 배열된 나노 섬유들을 포함한다(예들 들어, 수직 격자를 가진 그물(mesh) 위에). 어떤 실시 예들에서, 상기 나노 섬유들은 랜덤하게(randomly) 배열된다. 다양한 실시 예들에서, 상기 매트들은 사로 다른 유형들의 서로 다른 섬유들을 포함하는 어떤 상세 레벨(any level of detail)에서, 서로 다른 방향들에 두어져, 다양한 다른 나노 섬유들과 접촉하여 또는 다양한 다른 나노 섬유들과 격리되어, 및 이와 유사한 방식으로 패터닝된다(patterned). 어떤 실시 예들에서, 상기 나노 섬유들은 가교결합되거나(cross-linked) 및/또는 표면 변형된다(surface-modified).
어떤 나노 섬유 매트들에서, 상기 나노 섬유 표면은 화학적 산물의 물질 전달(mass transfer)을 위한 높은 표면적임을 입증한다. 이들 나노 섬유들은 예를 들어 촉매들로서 특히 응용 가능하다. 어떤 실시 예들에서, 상기 나노 섬유 표면은 상기 나노 섬유 매트에서 양성자 또는 전자들의 물질 전달을 위한 높은 표면적임을 입증한다. 이들 나노 섬유들은 예를 들어 전극들로서 특히 응용 가능하다.
어떤 예들에서, 여기에서 제공된 나노 섬유들이 나노 섬유 매트로 집합된다(assembled). 어떤 예들에서, 나노 섬유 매트들의 이용은 어떤 나노 섬유 성능 특징들의 개선을 제공한다. 예를 들어, 도39는 Ni 나노 섬유 매트의 축 방향 및 수직 방향에서 전기 전도도에 미치는 섬유 정렬 조건들의 영향을 비교하는 그래프를 보여준다.
나노 섬유 매트들의 특성들( Properties of nanofiber mats )
어떤 예들에서 상기 나노 섬유 매트는 그것을 구성하는 나노 섬유들과 실질적으로 같은 특성들을 가진다. 예들 들어, 유사한 다공도, 유사한 비표면적, 유사한 비전도도(specific conductivity), 및 이와 유사한 것. 다양한 실시 예들에서, 매트의 특성은 개별 나노 섬유의 특성보다 크거나 작다.
어떤 실시 예들에서, 나노 섬유 매트는 "등방성(isotropic)"이거나 또는 등방성 특성들(예를 들어, 상기 나노 섬유 매트가 그 재료의 모든 방향들에서 및 모든 방향들을 따라서 동일하거나 실질적으로 유사한 특성들을 가지는 것을 의미한다)을 가진다. 어떤 실시 예들에서, 상기 매트는 "비등방성(anisotropic)"이다(예를 들어, 그것이 상기 재료의 다양한 방향들에서 또는 서로 다른 방향들을 따라 서로 다른 특성들을 가지는 것을 의미한다). 어떤 실시 예들에서, 비등방성 특성들은 매트에서 상기 나노 섬유들의 방향을 제어함으로써 만들어진다. 예를 들어, 나노 섬유 방향이 균일하게 제어된 한 실시 예에서, 구리 나노 섬유들의 전기 전도도에 있어서 축 방향(나노 섬유의 방향)과 수직 방향 사이에 근사적으로 100배의 차이가 있었다.
매트가 비등방성인 실시 예들에서, 어떤 주어진 특성은 제1 방위 또는 방향(orientation or direction)에 비해 제2 방위 또는 방향에서 약 5%, 약 10%, 약 15%, 약 20%, 약 30%, 약 40%, 약 50%, 약 60%, 약 80%, 약 100%, 약 150%, 약 200%, 약 300%, 약 400%, 약 500%, 및 이와 유사한 것만큼 차이가 있었다. 어떤 실시 예들에서, 어떤 주어진 특성은 제1 방향에서보다 제2 방향에서 약 10배, 약 20배, 약 50배, 약 100배, 약 200배, 약 500배, 약 1,000배, 약 10,000배, 이와 유사한 배만큼 더 높다.
어떤 실시 예들에서, 어떤 주어진 특성은 제1 방위 또는 방향에 비해 제2 방위 또는 방향에서 적어도 약 5%, 적어도 약 10%, 적어도 약 15%, 적어도 약 20%, 적어도 약 30%, 적어도 약 40%, 적어도 약 50%, 적어도 약 60%, 적어도 약 80%, 적어도 약 100%, 적어도 약 150%, 적어도 약 200%, 적어도 약 300%, 적어도 약 400%, 적어도 약 500%, 및 이와 유사한 것만큼 차이가 난다. 어떤 실시 예들에서, 어떤 주어진 특성은 제1 방위 또는 방향에서보다 제2 방위 또는 방향에서 적어도 약 10배, 적어도 약 20배, 적어도 약 50배, 적어도 약 100배, 적어도 약 200배, 적어도 약 500배, 적어도 약 1,000배, 적어도 약 10,000배, 및 이와 유사한 배수 더 높다.
어떤 실시 예들에서, 어떤 주어진 특성은 제1 방위 또는 방향에 비해 제2 방위 또는 방향에서 많아야 약 5%, 많아야 약 10%, 많아야 약 15%, 많아야 약 20%, 많아야 약 30%, 많아야 약 40%, 많아야 약 50%, 많아야 약 60%, 많아야 약 80%, 많아야 약 100%, 많아야 약 150%, 많아야 약 200%, 많아야 약 300%, 많아야 약 400%, 많아야 약 500%, 및 이와 유사한 것만큼 차이가 난다. 어떤 실시 예들에서, 어떤 주어진 특성은 제1 방위 또는 방향에서보다 제2 방위 또는 방향에서 많아야 약 10배, 많아야 약 20배, 많아야 약 50배, 많아야 약 100배, 많아야 약 200배, 많아야 약 500배, 많아야 약 1,000배, 많아야 약 10,000배, 및 이와 유사한 배수 더 높다.
어떤 실시 예들에서, 상기 매트는 제1 방향에서 어떤 전도도를 가지고 제2 방향에서 어떤 전도도를 가지고, 여기에서 상기 제1 방향에서 전도도는 상기 제2 방향에서보다 적어도 100배 더 높다. 어떤 실시 예들에서, 상기 매트는 제1 방향 또는 제2 방향에서 적어도 1.0S/cm의 전도도를 가진다.
어떤 예들에서, 상기 나노 섬유 매트의 다공도는, 예를 들어 여과(filtration) 응용들에서 고려 요소이다. 예를 들어, 어떤 직경의 입자들을 제거하기 위해, 어떤 예들에서 제거되어야 할 가장 작은 입자의 직경보다 더 작은 구멍들을 가진 매트를 가지는 것이 바람직하다.
어떤 실시 예들에서, 상기 나노 섬유 매트의 다공도는 상기 매트를 구성하는 나노 섬유들의 다공도보다 더 크다. 어떤 실시 예들에서, 상기 매트의 다공도는 상기 나노 섬유 가닥들(strands)과 상기 나노 섬유 자신들 내 구멍들 사이의 공간들 조합이다. 어떤 예들에서, 다공도를 추정하기 위해 현미경 사진이 이용된다. 어떤 예들에서, 그 외부 표면에 의해 규정된 제1 볼륨을 가지는 나노 섬유 매트의 다공도는 그 나노 섬유 매트를 제2 볼륨을 가진 유체에 담금으로써 측정된다. 상기 유체 플러스(plus) 담가진 나노 섬유 매트의 볼륨은 제3 볼륨을 규정한다. 제4 볼륨이 상기 제3 볼륨으로부터 상기 제2 볼륨을 뺌으로써 얻어진다. 상기 다공도는 1 마이너스(minus) 제1 볼륨에 대한 제4 볼륨의 비이다. 어떤 실시 예들에서, 다공도는 백분률로서 표현된다.
상기 나노 섬유 매트는 어떤 적당한 다공도를 가진다. 어떤 실시 예들에서, 상기 다공도는 약 1%, 약 2%, 약 4%, 약 6%, 약 8%, 약 10%, 약 15%, 약 20%, 약 25%, 약 30%, 약 40%, 약 50%, 약 60%, 약 70% 및 이와 유사한 것이다. 어떤 실시 예들에서, 상기 다공도는 많아야 1%, 많아야 2%, 많아야 4%, 많아야 6%, 많아야 8%, 많아야 10%, 많아야 15%, 많아야 20%, 많아야 25%, 많아야 30%, 많아야 40%, 많아야 50%, 많아야 60%, 많아야 70% 및 이와 유사한 것이다. 어떤 실시 예들에서, 상기 다공도는 적어도 1%, 적어도 2%, 적어도 4%, 적어도 6%, 적어도 8%, 적어도 10%, 적어도 15%, 적어도 20%, 적어도 25%, 적어도 30%, 적어도 40%, 적어도 50%, 적어도 60%, 적어도 70% 및 이와 유사한 것이다. 어떤 실시 예들에서, 상기 다공도는 약 1% 및 10% 사이, 약 10% 및 50% 사이, 약 20% 및 30% 사이, 약 30% 및 70% 사이, 약 1% 및 50% 사이, 약 5% 및 20% 사이, 및 이와 유사한 것이다.
어떤 예들에서, 다공도는 길이의 단위들을 가진다. 상기 다공 길이(porous length)는 나노 섬유 가닥 상의 어떤 점과 다른 나노 섬유 가닥 상의 가장 가까운 점 사이의 거리이다. 어떤 예들에서, 이 다공 길이보다 더 긴 치수를 가지는 물체들은 일반적으로 이 매트를 통과할 수 없을 것이다. 어떤 예들에서, 상기 다공 길이는 상기 나노 섬유 매트에 복수의 직경들을 가진 입자들을, 어떤 크기의 입자들이 상기 나노 섬유 매트를 통과할 때까지 퍼부음으로써 측정되는데, 이때 상기 나노 섬유 매트는 상기 입자들의 직경과 근사적으로 같은 다공 길이를 가지는 것을 나타낸다.
상기 나노 섬유 매트의 구멍들은 어떤 적당한 크기를 가진다. 어떤 실시 예들에서, 상기 구멍들은 그들의 가장 긴 치수로 약 0.1 미크론(micron), 약 0.2 미크론, 약 0.5 미크론, 약 0.7 미크론, 약 1 미크론, 약 2 미크론, 약 4 미크론, 약 6 미크론, 약 8 미크론, 약 10 미크론, 약 15 미크론, 약 20 미크론, 약 30 미크론, 약 40 미크론, 약 50 미크론, 약 70 미크론, 약 100 미크론, 약 200 미크론, 및 이와 유사한 것이다. 어떤 실시 예들에서, 상기 구멍들은 그들의 가장 긴 치수로 많아야 약 0.1 미크론(micron), 많아야 약 0.2 미크론, 많아야 약 0.5 미크론, 많아야 약 0.7 미크론, 많아야 약 1 미크론, 많아야 약 2 미크론, 많아야 약 4 미크론, 많아야 약 6 미크론, 많아야 약 8 미크론, 많아야 약 10 미크론, 많아야 약 15 미크론, 많아야 약 20 미크론, 많아야 약 30 미크론, 많아야 약 40 미크론, 많아야 약 50 미크론, 많아야 약 70 미크론, 많아야 약 100 미크론, 많아야 약 200 미크론, 및 이와 유사한 것이다. 어떤 실시 예들에서, 상기 구멍들은 그들의 가장 긴 치수로 적어도 약 0.1 미크론(micron), 적어도 약 0.2 미크론, 적어도 약 0.5 미크론, 적어도 약 0.7 미크론, 적어도 약 1 미크론, 적어도 약 2 미크론, 적어도 약 4 미크론, 적어도 약 6 미크론, 적어도 약 8 미크론, 적어도 약 10 미크론, 적어도 약 15 미크론, 적어도 약 20 미크론, 적어도 약 30 미크론, 적어도 약 40 미크론, 적어도 약 50 미크론, 적어도 약 70 미크론, 적어도 약 100 미크론, 적어도 약 200 미크론, 및 이와 유사한 것이다. 어떤 실시 예들에서, 상기 구멍들은 그들의 가장 긴 치수로 약 0.5 미크론 및 50 미크론 사이, 약 1 미크론 및 10 미크론 사이, 약 10 미크론 및 50 미크론 사이, 약 0.1 미크론 및 5 미크론 사이, 약 2 미크론 및 10 미크론 사이, 약 40 미크론 및 100 미크론 사이, 및 이와 유사한 것이다.
어떤 예들에서, 나노 섬유의 밀도(density)는 어떤 응용들에서 고려할 또 다른 특징이다. 어떤 예들에서, 상기 유체 원료에서 폴리머의 농도는 상기 매트의 밀도에 영향을 준다(예를 들어, 어쩌면 감소된 양의 폴리머는 더 조밀한 매트를 가져오는데, 예를 들어 상기 폴리머가 하소에서 제거될 때 거의 공동들(voids)이 남겨지지 않기 때문이다). 한 예에서, 폴리머가 상기 유체 원료에서 약 30% 이하인 경우 상기 매트의 밀도는 적어도 약 1g/㎥였다.
상기 나노 섬유 매트는 어떤 적당한 밀도를 가진다. 어떤 실시 예들에서, 상기 매트는 약 0.01g/㎤, 약 0.05g/㎤, 약 0.1g/㎤, 약 0.2g/㎤, 약 0.4g/㎤, 약 0.8g/㎤, 약 1g/㎤, 약 5g/㎤, 약 10g/㎤, 및 이와 유사한 값의 밀도를 가진다. 어떤 실시 예들에서, 상기 매트는 적어도 약 0.01g/㎤, 적어도 약 0.05g/㎤, 적어도 약 0.1g/㎤, 적어도 약 0.2g/㎤, 적어도 약 0.4g/㎤, 적어도 약 0.8g/㎤, 적어도 약 1g/㎤, 적어도 약 5g/㎤, 적어도 약 10g/㎤, 및 이와 유사한 값의 밀도를 가진다. 어떤 실시 예들에서, 상기 매트는 많아야 약 0.01g/㎤, 많아야 약 0.05g/㎤, 많아야 약 0.1g/㎤, 많아야 약 0.2g/㎤, 많아야 약 0.4g/㎤, 많아야 약 0.8g/㎤, 많아야 약 1g/㎤, 많아야 약 5g/㎤, 많아야 약 10g/㎤, 및 이와 유사한 값의 밀도를 가진다. 어떤 실시 예들에서, 상기 매트는 약 0.01 1g/㎤ 및 0.05g/㎤ 사이, 약 0.05g/㎤ 및 0.3g/㎤ 사이, 약 0.1g/㎤ 및 1g/㎤ 사이, 약 1g/㎤ 및 5g/㎤ 사이, 및 이와 유사한 값의 밀도를 가진다.
상기 매트는 면적 또는 볼륨당 어떤 적당한 수의 가닥들을 가진다. 어떤 예들에서, 상기 면적 또는 볼륨당 가닥들의 수를 결정하기 위하여 현미경 사진이 이용된다. 어떤 실시 예들에서, 상기 매트는 제곱 밀리미터 당 또는 세제곱 밀리미터 당 약 5 가닥, 약 10 가닥, 약 50 가닥, 약 100 가닥, 약 150 가닥, 약 250 가닥, 약 500 가닥, 약 1,000 가닥, 약 5,000 가닥, 약 50,000 가닥, 및 이와 유사한 수의 가닥을 포함한다. 어떤 실시 예들에서, 상기 매트는 제곱 밀리미터 당 또는 세제곱 밀리미터 당 적어도 약 5 가닥, 적어도 약 10 가닥, 적어도 약 50 가닥, 적어도 약 100 가닥, 적어도 약 150 가닥, 적어도 약 250 가닥, 적어도 약 500 가닥, 적어도 약 1,000 가닥, 적어도 약 5,000 가닥, 적어도 약 50,000 가닥, 및 이와 유사한 수의 가닥을 포함한다. 어떤 실시 예들에서, 상기 매트는 제곱 밀리미터 당 또는 세제곱 밀리미터 당 약 5 가닥 내지 50 가닥 사이, 약 50 가닥 내지 500 가닥 사이, 약 500 가닥 내지 5,000 가닥 사이, 약 5,000 가닥 내지 50,000 가닥 사이, 및 이와 유사한 수의 가닥을 포함한다.
어떤 예들에서, 상기 나노 섬유에서 결정 도메인들(crystal domains)의 크기들은 나노 섬유 또는 나노 섬유 매트의 특성들에 영향을 가진다(예를 들어, 자기 세기 및 전기 전도도를 포함하여). 어떤 예들에서, 하소 조건들은 결정화 도메인들(crystallization domains)에 영향을 가진다. 어떤 실시 예들에서, 상기 하소 조건들을 제어함으로써 나노 섬유 또는 나노 섬유 매트의 특성들을 제어할 수 있다. 한 예에서, 도38은 Ni 나노 섬유들에 대해 하소 조건들을 조정함(tuning)으로써, 자기 세기에 있어서 5 배의 차이가 얻어지고, 전기 전도도에 있어서 10,000 배의 차이가 얻어졌다. 여기에 어떤 크기의 결정 도메인들을 가지는 나노 섬유들 또는 나노 섬유 매트들이 기술된다. 본 개시는 또한 조정 가능한 특성들을 가지는 나노 섬유들 또는 나노 섬유 매트들 및 나노 섬유들 또는 나노 섬유 매트들의 특성들(예들 들어, 자기 또는 전도도 특성들을 포함한다)을 조정하는 방법들을 포함한다.
어떤 실시 예들에서, 상기 나노 섬유들에는 복수의 결정 도메인들이 있다. 어떤 실시 예들에서, 상기 도메인들은 금속 산화물 도메인들이다. 다양한 실시 예들에서, 이들 도메인들은 다양한 크기들, 예들 들어 약 1nm, 약 5nm, 약 10nm, 약 15nm, 약 20nm, 약 25nm, 약 30nm, 약 40nm, 약 50nm, 약 70nm, 약 90nm, 및 이와 유사한 크기들을 가진다. 어떤 실시 예들에서, 이들 도메인들은 적어도 약 1nm, 적어도 약 5nm, 적어도 약 10nm, 적어도 약 15nm, 적어도 약 20nm, 적어도 약 25nm, 적어도 약 30nm, 적어도 약 40nm, 적어도 약 50nm, 적어도 약 70nm, 적어도 약 90nm, 및 이와 유사한 크기들을 가진다. 어떤 실시 예들에서, 이들 도메인들은 많아야 약 1nm, 많아야 약 5nm, 많아야 약 10nm, 많아야 약 15nm, 많아야 약 20nm, 많아야 약 25nm, 많아야 약 30nm, 많아야 약 40nm, 많아야 약 50nm, 많아야 약 70nm, 많아야 약 90nm, 및 이와 유사한 크기들을 가진다. 어떤 실시 예들에서, 이들 도메인들은 약 1nm 및 100nm 사이, 약 20nm 및 30nm 사이, 약 1nm 및 20nm 사이, 약 30nm 및 90nm 사이, 약 40nm 및 70nm 사이, 약 15nm 및 40nm 사이, 및 이와 유사한 크기들을 가진다.
한 양상에서, 상기 나노 섬유 및/또는 나노 섬유 매트는 자성이다. 강자성 재료(ferromagnetic material)의 보자력(coercivity)(또한 coercive field 또는 coercive force라고도 한다)은 그 샘플의 자화가 포화로 된 후 그 재료의 자화를 제로(zero)까지 감소시키는데 필요한 인가된 자기장의 세기(the intensity of the applied magnetic field)이다. 보자력은 보통 Oe(oersted) 또는 암페어/미터(A/m) 단위로 측정된다.
어떤 실시 예들에서, 상기 나노 섬유 매트는 어떤 적당한 보자력을 가진다. 어떤 실시 예들에서, 상기 나노 섬유 매트는 약 10Oe, 약 20Oe, 약 40Oe, 약 60Oe, 약 80Oe, 약 100Oe, 약 125Oe, 약 150Oe, 약 175Oe, 약 200Oe, 약 250Oe, 약 300Oe, 약 350Oe, 약 400Oe, 약 500Oe, 약 1,000Oe, 및 이와 유사한 값의 보자력을 가진다. 어떤 실시 예들에서, 상기 나노 섬유 매트는 적어도 약 10Oe, 적어도 약 20Oe, 적어도 약 40Oe, 적어도 약 60Oe, 적어도 약 80Oe, 적어도 약 100Oe, 적어도 약 125Oe, 적어도 약 150Oe, 적어도 약 175Oe, 적어도 약 200Oe, 적어도 약 250Oe, 적어도 약 300Oe, 적어도 약 350Oe, 적어도 약 400Oe, 적어도 약 500Oe, 적어도 약 1,000Oe, 및 이와 유사한 값의 보자력을 가진다. 어떤 실시 예들에서, 상기 나노 섬유 매트는 많아야 약 10Oe, 많아야 약 20Oe, 많아야 약 40Oe, 많아야 약 60Oe, 많아야 약 80Oe, 많아야 약 100Oe, 많아야 약 125Oe, 많아야 약 150Oe, 많아야 약 175Oe, 많아야 약 200Oe, 많아야 약 250Oe, 많아야 약 300Oe, 많아야 약 350Oe, 많아야 약 400Oe, 많아야 약 500Oe, 많아야 약 1,000Oe, 및 이와 유사한 값의 보자력을 가진다. 어떤 실시 예들에서, 상기 나노 섬유 매트는 약 50Oe 및 200Oe 사이, 약 100Oe 및 300Oe 사이, 약 200Oe 및 500Oe 사이, 약 300Oe 및 1,000Oe 사이, 약 10Oe 및 100Oe 사이, 약 175Oe 및 300Oe 사이, 약 200Oe 및 250Oe 사이, 및 이와 유사한 값의 보자력을 가진다.
한 양상에서, 상기 나노 섬유 및/또는 나노 섬유 매트는 상자성(paramagnetic) 또는 초상자성(superparamagnetic)이다. 상자성(paramagnetism)은 외부적으로 인가된 자기장의 존재에서 일어나는 자성의 한 형태이다. 초상자성(superparamagnetism)은 작은 강자성(small ferromagnetic) 또는 페리자성(ferromagnetic) 나노 입자들 또는 나노 섬유들에서 나타나는 자력의 형태이다. 어떤 예들(예들 들어, 충분히 작은 나노 입자들 또는 나노 섬유들에 대해)에서, 자화(magnetization)는 온도의 영향 하에서 방향을 랜덤하게(randomly) 플립한다(flip). 두 플립 사이의 시간을 니일 이완 시간(Neel relaxation time)이라 한다. 외부 자기장이 없이, 상기 나노 입자들의 자화를 측정하기 위해 이용된 시간이 상기 니일 이완 시간보다 훨씬 길 때, 그들의 자화는 평균 제로(zero)로 나타난다. 즉, 그들이 초상자성 상태에 있다고 말한다. 이 상태에서, 외부 자기장은 상기 나노 입자들 또는 나노 섬유들을 상자성체(paramagnet)에 유사하게 자화시킬 수 있다.
시스템( System )
어떤 실시 예들에서, 어떤 시스템의 다수의 구성요소들이 상호작용하여 나노 섬유들을 생성한다. 제한 없이, 이것은 전자 방사 장치 및 전자 방사된 유체 원료 또는 나노 섬유를 수집하기 위한 모듈(module)을 포함한다. 이들 두 구성요소들은, 상기 전자 방사기로부터 나오는 유체 원료의 얇은 사출물이 당겨져 수집 모듈에 침전(deposit)하도록 하는 전압 차에 의해 관련된다. 어떤 실시 예들에서, 상기 시스템의 전자 방사 구성요소는 가수-조력 전자방사기이다. 유체 원료의 사출을 가속시키기 위해 이용된 가스는 선택적으로 공기(air)이다.
어떤 실시 예들에서, 상기 시스템은 또한 유체 원료를 포함한다. 다른 것들 중에서, 상기 유체 원료는 상기 전자방사기와 상호 작용하여 나노 섬유를 생성한다. 어떤 실시 예들에서, 상기 유체 원료는 하전된 방울(charged droplet)로부터 유체 원료의 사출이 분출하도록 허용하는 신장 점도(elongational viscosity)를 가진다. 어떤 실시 예들에서, 상기 유체 원료는 폴리머와 전구체의 시스템으로서, 이들이 서로 상호 작용하여 적어도 부분적으로 상기 유체 원료의 가방성(spinnability)와 상기 나노 섬유의 특성들을 결정한다.
어떤 실시 예들에서, 상기 시스템은 또한 상기 나노 섬유를 하소하는 장치(예들 들어, 히터 또는 가스 챔버(gas chamber)를 포함한다. 어떤 예들에서, 상기 가스는 시스템의 일부이고, 여기에서 가스는 선택적으로 공기, 수소, 질소, 불활성 가스, 및 이와 유사한 것이다.
전기화학 디바이스들( Electrochemical devices )
전기화학 디바이스들은 다른 것들 중에서도 특히, 연료 전지들, 배터리들, 커패시터들 및 울트라-커패스터들을 포함한다. 어떤 예들에서, 태양 전지들은 전기화학 디바이스들이다. 어떤 실시 예들에서, 다른 전기화학 디바이스들은 여기에서 열거된 범주들 내에 들어 맞지 않는다. 다양한 실시 예들에서, 전기화학 디바이스들은, 라곤 차트(Ragone chart) 상에(도40) 그래프로 요약된넓은 범위의 에너지 밀도들(energy densities) 및 전력 밀도들(power densities)을 가진다. 에너지 밀도는 와트-시간/킬로그램(W·h/kg)의 단위들 또는 이와 유사한 단위들로 보고되고, 주어진 크기(질량 또는 볼륨으로)의 디바이스에 저장된 유용한 에너지의 척도이다. 전력 밀도는 와트/킬로그램(W/kg)의 단위들 또는 이와 유사한 단위들로 보고되고, 에너지가 얼마나 빨리 이용될 수 있는가의 척도이다. 어떤 예들에서, 연료 전지들은 높은 에너지 밀도를 가진다. 어떤 예들에서, 커패시터들은 높은 전력 밀도를 가지지만 낮은 에너지 밀도를 가진다. 어떤 예들에서, 배터리들과 울트라 커패시터들은 커패시터들과 연료전지들 사이의 에너지 밀도들과 전력 밀도들을 가진다.
한 양상에서, 전기화학 디바이스들에서 나노 섬유들의 이용들이 여기에 기술된다. 예를 들어, 그들은 연료전지들 또는 배터리들에서 전극들로서 이용된다(예를 들어, 그들이 높은 전도성 및 표면적과 같은 유익한 특성들을 가질 수 있는 곳에). 어떤 실시 예들에서, 그들은 울트라 커패시터에서 유전체 층(dielectric layer)으로서 이용된다. 다양한 양상들에서, 본 개시는 여기에 기술된 나노 섬유들을 포함하는 전기화학 디바이스를 포함하고, 여기에 기술된 방법들에 의해 생성된 나노 섬유를 포함하는 전기화학 디바이스를 포함하고, 여기에 기술된 시스템에 의해 생성된 나노 섬유를 포함하는 전기화학 디바이스를 포함한다. 어떤 양상들에서, 본 개시는 또한 나노 섬유들을 포함하는 전기화학 디바이스들을 만드는 방법들 및 이용하는 방법들을 포함한다.
어떤 실시 예들에서, 여기에 기술된 나노 섬유들을 포함하는 디바이스들이 구축된다. 어떤 실시 예들에서, 그러한 디바이스는, 그 디바이스의 어떤 구성요소를 나노 섬유들로 대체하지만(예를 들어, 그렇게 하여 디바이스의 기능을 개선한다), 그 디바이스의 전체적인 구조 및 설계를 실질적으로 유지함으로써 만들어진다. 어떤 실시 예들에서, 나노 섬유들을 포함하는 디바이스의 구조 및 전체적인 설계는 연료 전지, 배터리, 울트라커패시터 및 이와 유사한 것과 현저하게 다르다.
어떤 예들에서, 예를 들어, 긴 운전 범위(즉, 에너지 밀도)를 가지고 빨리 충전되고 가속할 수 있는(즉 높은 전력 밀도) 전기 자동차에 에너지를 공급하기 위해, 높은 에너지 밀도와 높은 전력밀도 모두를 가진 전기화학 디바이스를 가지거나 만드는 것이 바람직하다. 상기 전기화학 디바이스는 어떤 적당한 에너지 밀도와 전력 밀도를 가진다. 전력 밀도가 적어도 약 100 W/kg인 어떤 실시 예들에서, 상기 에너지 밀도는 적어도 약 10 W·h/kg, 적어도 약 50 W·h/kg, 적어도 약 100 W·h/kg, 적어도 약 500 W·h/kg, 적어도 약 1,000 W·h/kg, 적어도 약 5,000 W·h/kg, 및 이와 유사한 값이다. 전력 밀도가 적어도 약 1,000 W/kg인 어떤 실시 예들에서, 상기 에너지 밀도는 적어도 약 10 W·h/kg, 적어도 약 50 W·h/kg, 적어도 약 100 W·h/kg, 적어도 약 500 W·h/kg, 적어도 약 1,000 W·h/kg, 적어도 약 5,000 W·h/kg, 및 이와 유사한 값이다. 전력 밀도가 적어도 약 5,000 W/kg인 어떤 실시 예들에서, 상기 에너지 밀도는 적어도 약 10 W·h/kg, 적어도 약 50 W·h/kg, 적어도 약 100 W·h/kg, 적어도 약 500 W·h/kg, 적어도 약 1,000 W·h/kg, 적어도 약 5,000 W·h/kg, 및 이와 유사한 값이다. 전력 밀도가 적어도 약 10,000 W/kg인 어떤 실시 예들에서, 상기 에너지 밀도는 적어도 약 10 W·h/kg, 적어도 약 50 W·h/kg, 적어도 약 100 W·h/kg, 적어도 약 500 W·h/kg, 적어도 약 1,000 W·h/kg, 적어도 약 5,000 W·h/kg, 및 이와 유사한 값이다.
연료 전지들( Fuel cells )
연료전지는 화학적 에너지를 전기적 에너지로 변환하는 전기화학 전지이다. 어떤 예들에서, 전기는 연료 공급과 산화제(oxidizing agent) 사이의 반응으로부터 발생된다. 어떤 실시 예들에서, 반응 물질들(reactants)이 전지로 흐르고, 반응 산물들(reactant products)은 그 밖으로 흐르는 반면, 전해질(electrolyte)은 그 안에 남아 있는다. 어떤 실시 예들에서, 연료 전지들은 그들이 외부 소스(external source)(즉, 이것은 보충된다)로부터의 반응 물질을 소비한다는 점에서 전기화학 전지 배터리들과 다르다.
어떤 실시 예들에서, 연료 전지들은 서로 샌드위치된(sandwiched) 세 개의 세그먼트들(segments)로 이루어진다: 애노드(anode), 전해질, 캐소드(cathode). 어떤 실시 예들에서, 이들 세 개의 서로 다른 세그먼트들의 인터페이스들(interfaces)에서 두 개의 화학 반응들이 일어난다. 어떤 실시 예들에서, 이 두 화학 반응들의 순 결과(net result)는 연료가 소비되고, 물 또는 이산화 탄소가 생성되고, 및 전류가 생성된다는 것이다(예를 들어, 이것은 보통은 부하라고 불리는 전기 디바이스들에 전력을 공급하는데 이용될 수 있다). 연료들과 산화제(oxidants)들의 많은 조합들이 가능하다. 어떤 실시 예들에서, 수소 연료 전지는 그 연료로서 수소와 그 산화제로서 산소(예를 들어, 공기로부터)를 이용한다. 다른 가능한 연료들은 하이드로카본들(dydrocarbons) 및 알코올들을 포함한다. 다른 가능한 산화제들은 염소(chlorine) 및 이산화 연소(chlorine dioxide)를 포함한다.
어떤 실시 예들에서, 애노드에서 촉매가 연료를(예를 들어, 수소) 산화시키고, 상기 연료를 양으로 하전된 이온과 음으로 하전된 전자로 변환한다. 어떤 실시 예들에서, 상기 전해질은 이온들이 그를 통하여 통과할 수 있지만 전자들은 그러하지 않도록 특별히 설계된 물질이다. 어떤 예들에서, 자유로워진 전자들(freed electrons)이 와이어(wire)를 통하여 이동하면서 전류를 만든다. 어떤 예들에서, 이온들이 전해질을 통하여 캐소드로 이동한다. 어떤 실시 예들에서, 일단 캐소드에 이르면, 상기 이온들은 전자들과 재결합되고 그 둘은 제3 화학물질(예를 들어, 산소)과 반응하여 물 또는 이산화탄소를 생성한다.
어떤 실시 예들에서, 연료 전지는 다른 전력 소소들(power sources)보다 더 높은 에너지 변환 효율을 가진다(예를 들어, 그것이 화학적 에너지를 직접 전기로 변환하므로). 어떤 실시 예들에서, 연료 전지들은 연소(combustion)보다 오염을 생산하지 않거나(예들 들어, 수소가 연료로서 이용될 때) 덜 오염을 생산한다(예들 들어, 수소가 연료로서 이용될 때). 어떤 실시 예들에서, 연료 전지들은 조용히 작동하고, 소음 오염을 감소시킨다. 어떤 실시 예들에서, 연료 전지는 연속적으로 동작하고 연료가 공급되는 한 전기를 발생시킨다. 어떤 예들에서, 연료 전지들은 휴대용 전자 디바이스들, 자동차들, 고정식 전력발생 장치(stationary power generation)을 포함하는 응용들에서 이용된다.
어떤 양자 교환 막 연료전지들(proton exchange membrane fuel cells)에서, 애노드에서 수소 산화를 위한 촉매는 탄소 지지된 백금(carbon supported platinum)이다, 그 인기 있는 이용에도 불구하고, 상기 Pt/C 애노드 시스템은 어떤 얘들에서 어떤 단점들을 나타낸다. 첫째, 탄소의 이용은 일반적으로 어떤 실시 예들에서 전극의 부식을 가져온다. 둘째, 상기 백금은 값 비싼 촉매이다. 어떤 예들에서, 여기에서 기술된 상기 연료전지들은 나노 섬유들에 기초한 전극들을 포함한다(예들 들어, 탄소에 의한 부식을 피하고, 값 비싼 Pt 로딩을 감소시킨다). 한 실시 예들에서 상기 나노 섬유들은 2 종 이상의 금속으로 이루어진(intermetallic) Fe-Pt를 포함한다.
한 양상에서, 연료 전지들에서의 나노 섬유들의 이용이 여기에 기술된다. 예를 들어, 그들은 전극들, 선택적으로 애노드들 또는 캐소드들로서 이용된다. 다양한 양상들에서, 여기에 기술된 나노 섬유를 포함하는 연료전지, 여기에 기술된 방법들에 의해 생성된 나노 섬유를 포함하는 연료전지, 및 여기에 기술된 시스템에 의해 생성된 나노 섬유를 포함하는 연료전지가 여기에 기술된다. 한 양상에서, 나노 섬유들을 포함하는 연료 전지들을 만드는 방법들 및 이용하는 방법들이 여기에 기술된다.
다양한 실시 예들에서, 상기 나노 섬유는 철(Fe), 백금(Pt), 또는 이들의 어떤 혼합물을 포함하지만 이들에 제한되지 않는 어떤 적당한 재료를 포함한다. 어떤 실시 예들에서, 원자들(atoms)은 어떤 적당한 배열(예를 들어, 면심 정방형 구조(a face-centered tetragonal structure))을 포함한다. 다양한 실시 예들에서, 상기 연료 전지의 나노 섬유에서 Fe 대 Pt 원자들의 비는 예를 들어 약 1 Fe 대 5 Pt, 또는 약 4 Fe 대 5 Pt이다. 어떤 실시 예들에서, 상기 Fe와 Pt 원자들은 서로 중에서 실질적으로 고르게 분포된다(즉, 상기 나노 섬유는 Pt 또는 Fe의 덩어리들을 포함하지 않는다). 어떤 실시 예들에서, 상기 Fe-Pt의 면심 정방형 구조의 생성은 최소화된 Pt 로딩 하에서 산소 환원(oxygen reduction) 과 내구성(durability)을 향상시키기 위해 추구된다. 어떤 예들에서, 상기 선택적인 면심 정방형 구조는 또한 상기 Pt의 연결성(connectivity)를 제공한다.
어떤 예들에서, Pt/C 연료전지는 Pt 입자들을 C와 혼합하고 이 혼합물의 증기 증착(vapor deposition)에 의해 전극을 형성한다. 어떤 실시 예들에서, 여기에서 기술된 나노 섬유들 및 전극들은 연료 전지의 비용을 상당히 감소시킨다(예를 들어, 더 적은 백금을 이용함으로써). 어떤 실시 예들에서, 가스-조력 전자방사 절차는 증기 증착보다 더 싸고 빠른 공정이다.
어떤 실시 예들에서, 상기 연료 전지는 애노드를 포함하고, 이 애노드는 나노 섬유들을 포함한다. 어떤 실시 예들에서, 감소된 양의 백금이 선호된다(예를 들어, 비용 때문에). 상기 애노드는 어떤 적당한 양의 백금을 가진다(백금을 가지지 않는 것을 포함하여). 어떤 실시 예들에서, 상기 애노드는 질량 백분율로 약 5% Pt, 약 10% Pt, 약 15% Pt, 약 20% Pt, 약 25% Pt, 약 30% Pt, 약 40% Pt, 약 50% Pt, 약 70% Pt, 및 이와 유사한 것을 가진다. 어떤 실시 예들에서, 상기 애노드는 질량 백분율로 많아야 약 5% Pt, 많아야 약 10% Pt, 많아야 약 15% Pt, 많아야 약 20% Pt, 많아야 약 25% Pt, 많아야 약 30% Pt, 많아야 약 40% Pt, 많아야 약 50% Pt, 많아야 약 70% Pt, 및 이와 유사한 것을 가진다. 어떤 실시 예들에서, 상기 연료 전지는 종래의 Pt/C 연료전지보다 적어도 10배 적거나 또는 30배 적은 Pt를 가진다. 어떤 실시 예들에서, 상기 전극의 부식의 양은 종래의 Pt/C 연료전지에 비하여 감소된다. 어떤 실시 예들에서, 여기에서 기술된 상기 나노 섬유들은 연료 전지에서의 부식을 감소시키거나 또는 실질적으로 제거한다. 어떤 실시 예들에서, 감소된 부식은(예들 들어, 시동 또는 종료 시) 연료전지의 성능을 개선한다. 한 양상에서, 여기에서 기술된 상기 연료전지들은 실질적으로 탄소 없이 이루어진다. 한 양상에서, 여기에서 기술된 상기 연료전지들은 애노드에 실질적으로 탄소 없이 이루어진다.
어떤 실시 예들에서, 여기에서 기술된 상기 연료전지들은 높은 전류 밀도를 가진다. 상기 전류 밀도는 어떤 적당한 값이다. 어떤 실시 예들에서, 상기 전류 밀도는 약 -0.01 mA/㎠, 약 -0.02 mA/㎠, 약 -0.04 mA/㎠, 약 -0.06 mA/㎠, 약 -0.08 mA/㎠, 약 -0.1 mA/㎠, 약 -0.3 mA/㎠, 및 이와 유사한 값이다. 어떤 실시 예들에서, 상기 전류 밀도는 적어도 약 -0.01 mA/㎠, 적어도 약 -0.02 mA/㎠, 적어도 약 -0.04 mA/㎠, 적어도 약 -0.06 mA/㎠, 적어도 약 -0.08 mA/㎠, 적어도 약 -0.1 mA/㎠, 적어도 약 -0.3 mA/㎠, 및 이와 유사한 값이다. 어떤 실시 예들에서, 상기 전류 밀도는 종래의 Pt/C 연료전지보다 4배 더 높다.
어떤 실시 예들에서, 상기 연료 전지는 증가된 반응 안전성(reaction stability)를 가진다. 어떤 예들에서, 반응 안전성은 CV 사이클들의 수(number of CV cycles)로서 보고된다. 사이클릭 볼타메트리(cyclic voltammetry) 또는 CV는 퍼텐시오다이내믹(potentiodynamic) 전기화학적 측정의 한 유형이다. 어떤 사이클릭 볼타메트리 실험들에서, 동작 전극 전위(working electrode potential)는 시간에 대해 선형적으로 램프된다(ramped)(예를 들어, 선형 스위프 볼타메트리(linear sweep voltammetry)같이). 어떤 예들에서, 사이클릭 볼타메트리는 선형 스위프 볼타메트리(이것은 그것이 설정된 전위에 이를 때 종료한다)보다 상기 실험을 한 단계 더 취한다. 사이클릭 볼타메트리가 설정된 전위에 이를 때, 상기 동작 전극의 전위 램프(potential ramp)는 반전된다(inverted). 이 반전(inversion)은 단일 실험 동안 다수 회 일어난다. 어떤 실시 예들에서, 상기 동작 전극에서의 전류가 인가된 전압에 대하여 그래프로 그려져(plotted) 사이클릭 볼타모그램 궤적(cyclic voltammogram trace)을 준다. 어떤 예들에서, 사이클릭 볼타메트리는 용액에서 애널라이트(analyte)의 전기화학적 특성들을 연구하는데 이용된다. 어떤 실시 예들에서, 여기에서 기술된 연료전지들은 종래의 Pt/C 연료전지보다 약 1.5X 이상, 약 2X 이상, 약 3X 이상, 약 4X 이상, 약 5X이상, 약 10X 이상, 및 이와 유사한 CV 사이클들을 가진다.
한 양상에서, 상기 연료 전지는 종래의 Pt/C 연료전지보다 상당히 더 얇다. 어떤 예들에서, 감소된 두께는 주어진 볼륨에 더 많은 연료전지의 패킹(packing)을 허용하여, 전체적인 성능을 증가시키고 및/또는 비용을 감소시킨다. 상기 연료 전지들은 어떤 적당한 두께를 가진다. 어떤 실시 예들에서, 상기 연료 전지들은, 그것의 가장 짧은 치수를 따라 측정되었을 때, 약 0.2mm, 약 0.5mm, 약 0.7mm, 약 1mm, 약 1.5mm, 약 2mm, 약 5mm, 및 이와 유사한 두께를 가진다. 어떤 실시 예들에서, 상기 연료 전지들은, 그것의 가장 짧은 치수를 따라 측정되었을 때, 많아야 약 0.2mm, 많아야 약 0.5mm, 많아야 약 0.7mm, 많아야 약 1mm, 많아야 약 1.5mm, 많아야 약 2mm, 많아야 약 5mm, 및 이와 유사한 두께를 가진다.
배터리들( Batteries )
어떤 예들에서, 배터리는 요구된 전압과 용량을 제공하기 위하여 직렬 및/또는 병렬로 접속된 전기화학 전지들로 구성된다. 어떤 예들에서, 각 전지(cell)는 두 전극 사이에 이온 전달을 가능하게 하는 전해질 용액에 의해 분리된 양 및 음의 전극(모두 화학적 반응들의 소스들)으로 구성된다. 일단 이들 전극이 외부적으로 접속되면, 화학 반응들이 두 전극들에서 동시에 진행한다(즉, 이에 의해 전자들을 자유롭게 하고 전류를 이용가능하게 한다). 어떤 예들에서, 배터리가 전달할 수 있는 전기 에너지(전형적으로 단위 무게 당으로 표현된다. 즉, W·h/kg 또는 mW·h/g)의 양은 시스템의 화학 물질에 직접 연결되는 전지 전위(V) 및 용량(A·h/kg)의 함수이다.
한 양상에서, 나노 섬유들을 포함하는 배터리들이 여기에 기술된다. 예를 들어, 나노 섬유들이 전극들에서 이용되고, 선택적으로 애노드들 또는 캐소드들에서 이용된다. 한 양상에서, 여기에 기술된 나노 섬유를 포함하는 배터리, 여기에 기술된 방법들에 의해 생성된 나노 섬유를 포함하는 배터리, 여기에 기술된 시스템에 의해 생성된 나노 섬유를 포함하는 배터리가 여기에 기술된다. 어떤 양상들에서, 나노 섬유들을 포함하는 배터리들을 만드는 방법들 및 이용하는 방법들이 여기에 기술된다.
본 개시는 모든 유형들의 배터리들을 포함한다. 어떤 실시 예들에서, 배터리는 재충전 가능한 리튬 배터리이다. 다양한 실시 예들에서, 상기 나노 섬유, 애노도, 및 캐소드는 어떤 적당한 재료이다. 예를 들어 재충전 가능한 리튬 배터리들의 실시 예들에서, 실리콘 또는 게르마늄이 애노드 재료로서 이용된다(예를 들어, 이들 재료들은 흑연 탄소(graphite carbon)(373 mA·h/g)에 비해 낮은 방전 전위와 높은 이론적 충전 용량(각각 차례로 약 4,200 mA·h/g, 및 1,600 mA·h/g)을 가지기 때문이다). 한 실시 예에서, 상기 나노 섬유는 실리콘 또는 게르마늄 나노 섬유이다. 어떤 실시 예들에서, 상기 애노드는 Si 또는 Ge 나노 섬유들을 포함한다.
어떤 예들에서, 실리콘 애노드들은, 실리콘의 볼륨이 리튬의 삽입(insertion) 및 추출(extraction) 시에 변하고 이것이 분쇄(pulverization) 및 용량 페이딩(capacity fading)을 결과로서 가져오기 때문에, 제한된 응용들을 가진다. 어떤 예들에서, 중공 나노 섬유들이 분쇄 없이 볼륨 변화들을 수용할 수 있다. 어떤 실시 예들에서, 여기에 기술된 상기 나노 섬유들은 중공이다(hollow). 어떤 실시 예들에서, 여기에 기술된 배터리들은 중공 Si 또는 Ge (또는 Si/Ge 조합) 나노 섬유를 포함한다.
어떤 실시 예들에서, 중공 Si 또는 Ge 나노 섬유들은 물에 기반한(water-based), 다축(multi-axial) 전자 방사를 통해 생성된다. 다양한 실시 예들에서, 나노 섬유들은 순수 SiO2, 및 V2O5, ZrO2, TiO2, Fe, Ni, 및 Fe3O4와 탄소와의 그들의 하이브리드들을 포함한다. 어떤 실시 예들에서, SiO2, Al2O3, 및 ZrO2 등과 같은 순수 세라믹 나노 섬유들은 그들의 전구체들을 포함하는 물을 함유하는 폴리머 용액의 전자 방사, 뒤이어 열처리를 통하여 생성된다.
중공 Si 또는 Ge 나노 섬유들(예? 들어, 리튬-이온 배터리 애노드들)은 어떤 적당한 방법에 의해 생성된다. 한 실시 예에서, 미네랄 오일(mineral oil) 및 Si 또는 Ge 전구체들을 가진 물을 함유한 폴리머 용액이 차례로 코어(core) 및 피복(sheath) 층으로서 동축으로 전자 방사되고, 이어서 중공 구조를 만들기 위해 미네랄 오일의 제거가 뒤따른다. 한 실시 예에서, 상기 방사 동안 중공 구조를 만들기 위해(예를 들어, 더 높은 수율을 위해 전구체 용액의 피복층 사출을 늘이기(stretch) 위해) 가스-조력 동축 전자 방사가 채용된다(예를 들어, 여기에서 공기 스트림이 코어로서 이용된다).
어떤 적당한 환원 방법이 채용된다(예를 들어, 중공 Si 또는 Ge 전구체 나노 섬유들의 전자 방사를 뒤따라). 어떤 실시 예들에서, 순수 중공 Si 또는 Ge 나노 섬유들을 얻기 위해 열처리 및/또는 화학적 환원이 적용된다. 어떤 예들에서, 리튬-이온 배터리 응용들에서 리튬의 삽입 및 추출 시 볼륨 팽창의 정도가 평가된다.
여기에 기술된 나노 섬유들은 어떤 적당한 양의 볼륨 팽창을 가진다. 어떤 실시 예들에서, 상기 볼륨 팽창은 약 100%, 약 200%, 약 300%, 약 400%, 약 600%, 약 800%, 및 이와 유사한 것이다. 어떤 실시 예들에서, 상기 볼륨 팽창은 많아야 약 100%, 많아야 약 200%, 많아야 약 300%, 많아야 약 400%, 많아야 약 600%, 많아야 약 800%, 및 이와 유사한 것이다.
여기에 기술된 배터리들은 어떤 적당한 재출전 효율(recharging efficiency)을 가진다. 어떤 실시 예들에서, 상기 재충전 효율은 약 500mAh/g, 약 800mAh/g, 약 1,200mAh/g, 약 1,600mAh/g, 약 2,000mAh/g, 약 3,000mAh/g, 약 5,000mAh/g, 약 10,000mAh/g, 및 이와 유사한 값이다. 어떤 실시 예들에서, 상기 재충전 효율은 적어도 적어도 약 500mAh/g, 적어도 약 800mAh/g, 적어도 약 1,200mAh/g, 적어도 약 1,600mAh/g, 적어도 약 2,000mAh/g, 적어도 약 3,000mAh/g, 적어도 약 5,000mAh/g, 적어도 약 10,000mAh/g, 및 이와 유사한 값이다.
울트라커패시터들( Ultracapacitors )
종래 커패시터에서, 에너지는 일반적으로 하나의 금속 플레이트로부터 전하 캐리어들, 전형적으로 전자들을 제거하여 다른 플레이트에 그들을 퇴적시킴으로써(depositing) 저장된다. 어떤 예들에서, 이 전하 분리는 외부 회로에 연결되는 두 플레이트 사이에 전위를 생성한다. 어떤 예들에서, 저장된 총 에너지는 플레이트들 사이에 저장된 전하의 양과 전위 모두와 함께 증가한다. 어떤 예들에서, 단위 전압당 저장된 전하의 양은 플레이트들의 크기, 거리, 및 재료 특성들, 및 플레이트들 사이의 재료(유전체)의 함수인 반면, 플레이트들 사이의 전위는 유전체의 브레이크다운(breakdown)에 의해 제한된다. 어떤 예들에서, 상기 유전체는 상기 커패시터의 전압을 제어한다. 어떤 예들에서, 유전체 재료를 변경하는 것은 주어진 크기의 코패시터에 대해 더 높은 에너지 밀도를 가져온다. 한 양상에서, 커패시터들에서 나노 섬유들의 이용이 여기에 기술된다. 다양한 양상들에서, 본 개시는 여기에 기술된 나노 섬유를 포함하는 커패시터, 여기에 기술된 방법들에 의해 생성된 나노 섬유를 포함하는 커패시터, 여기에 기술된 시스템에 의해 생성된 나노 섬유를 포함하는 커패시터를 포함한다. 어떤 양상들에서, 본 개시는 또한 나노 섬유들을 포함하는 커패시터들을 만드는 방법들 및 이용하는 방법들을 포함한다.
전기 이중-층 커패시터(electric double-layer capacitor(EDLC)), 수퍼커패시터(supercapacitor), 수퍼콘덴서(supercondenser), 유사커패시터(pseudocapacitor), 또는 전기화학 이중 층 커패시터로도 알려진, 울트라커패시터는 상대적으로 높은 에너지 밀도를 가지는 전기화학 커패시터이다. 어떤 예들에서, 상기 에너지 밀도는 종래 전해질 커패시터들에 비해 수백 배 차수(on the order of hundreds of times) 더 크다. 어떤 예들에서, 울트라-커패시터들은 배터리들 및 연료 전지들에 비하여 더 높은 전력 밀도를 가진다.
어떤 예들에서, 울트라-커패시터들은 종래의 유전체를 가지지 않는다. 어떤 예들에서, 울트라-커패시터들은, 사이에 개재하는 물질에 의해 분리된 두 개의 별개의 플레이트들 보다는 두 층들의 기판(two layers of a substrate)(선택적으로 동일한 기판)인 "플레이트들"을 이용한다. 어떤 예들에서, 이 "전기 이중층"은 두 층들의 얇은 물리적인 분리(예를 들어, 나노미터들의 차수)에도 불구하고 전하의 분리를 가져온다. 어떤 예들에서, 울트라-커패시터에서 부피가 큰 유전체 층의 결핍은 주어진 크기 내에 훨씬 더 큰 표면적을 가진 플레이트들의 패킹(packing)을 허용하여, 하나의 커패시터에 비해 높은 커패시턴스들(capacitances)을 가져온다.
다양한 실시 예들에서, 울트라커패시터의 구성요소들 중 어떤 것은 나노 섬유들을 포함한다(예를 들어, 다공 탄소/BaTiO3/세퍼레이터(separator)). 어떤 실시 예들에서, 상기 나노 섬유들은 물에 기초한, 가스-조력 전바 방사 공정으로부터 생성된다. 어떤 실시 예들에서, 유전체 이중 층(dielectric double layer)은 나노 섬유들을 포함한다. 한 양상에서, 나노 섬유들을 포함하는 울트라커패시들이 여기에 기술된다. 다양한 양상들에서, 본 개시는 여기에 기술된 나노 섬유를 포함하는 울트라커패시터, 여기에 기술된 방법들에 의해 생성된 나노 섬유를 포함하는 울트라커패시터, 여기에 기술된 시스템에 의해 생성된 나노 섬유를 포함하는 울트라커패시터를 포함한다. 어떤 실시 예들에서, 나노 섬유들을 포함하는 울트라커패시터들을 만드는 방법들 및 이용하는 방법들이 여기에 기술된다.
어떤 실시 예들에서, 상기 울트라커패시터는 유전체 층을 가진 다공 탄소 전극들을 포함한다. 어떤 실시 예들에서, 상기 다공 탄소 전극들은 나노 섬유들로 구성된다. 어떤 실시 예들에서, 나노 섬유들은 상기 탄소 전극들 위에 배치된다. 다양한 실시 예들에서, 상기 나노 섬유들은 적당한 유전 상수(dielectric constant)를 가진 어떤 재료를 포함한다. 제한되지 않는 예들은 StTiO3, BatiO3, SrBaTiO3, 이들의 혼합물, 및 이들의 조합들이다. 다양한 실시 예들에서, 나노 섬유들은 하이브리드 또는 중공 나노 섬유들을 포함하는 어떤 적당한 기하학적 구조이다.
어떤 실시 예들에서, 울트라커패시터에서 이용을 위해 적당한 나노 섬유들을 생성하는 공정들이 여기에 기술된다. 한 양상에서, 상기 공정은 유체 원료를 전자 방사하는 것을 포함하고, 여기에서 유체 원료는 폴리머에 의해 결합된 전구체 분자들을 포함한다. 어떤 실시 예들에서, 상기 전구체 분자는 Ba, St, Ti, 또는 이들의 혼합물을 포함한다. 어떤 실시 예들에서, 상기 공정은 상기 방사된 나노 섬유들을 열적으로 처리하는 단계를 포함한다.
어떤 실시 예들에서, 상기 울트라커패시터는 전해질과 전극들(예들 들어, 활성화된 탄소 전극) 사이의 인터페이스에서 얇은 층의 유전체 나노 섬유들을 포함한다. 어떤 예들에서, 이 나노 섬유 층은 증가된 커패시턴스를 가져온다. 커패시턴스 밀도(capacitance density)는 세제곱 센티미터당 패럿(F/㎤)의 단위 또는 이와 등가인 단위로서 보고된다. 어떤 실시 예들에서, 여기에서 기술된 상기 울트라-커패시터들은 약 10 F/㎤, 약 20 F/㎤, 약 50 F/㎤, 약 100 F/㎤, 약 200 F/㎤, 약 500 F/㎤, 약 1,000 F/㎤, 및 이와 유사한 값의 커패시턴스 밀도를 가진다. 어떤 실시 예들에서, 상기 울트라-커패시터들은 적어도 약 10 F/㎤, 적어도 약 20 F/㎤, 적어도 약 50 F/㎤, 적어도 약 100 F/㎤, 적어도 약 200 F/㎤, 적어도 약 500 F/㎤, 적어도 약 1,000 F/㎤, 및 이와 유사한 값의 커패시턴스 밀도를 가진다.
도45는 전해질(4501), 세퍼레이터(4502), 및 활성화 탄소 전극(4503)을 포함하는 전해질 이중 층 울트라커패시터의 단면 모습을 보여준다.
도46은 울트라커패시터(전해질(C)를 가진)의 활성화 탄소(A) 위에 두어진 바륨 티타네이트(barium titanate) 나노 섬유들(B)의 단면 모습을 보여준다.
태양전지들( Solar cells )
어떤 예들에서, 태양 전지(광기전 또는 광전 전지(photovoltaic or photoelectric cell)라고도 불린다)는 광기전 효과(photovoltaic effect)에 의해 광 에너지를 직접 전기로 변환하는 고체상태 전기 디바이스(solid state electrical device)이다. 어떤 예들에서, 전지들의 조립체들(assemblies)이, 태양광으로부터 에너지를 포획하기 위해 이용되는 모듈들(modules)(즉, 태양 패널들(solar panels)을 만들기 위해 이용된다.
광기전학(photovoltaics)은 광으로부터 전기를 생성하기 위한 광 기전 전지들의 이용에 관련된 기술 분야이다(그것은 종종 특히 태양광으로부터 전기 발전을 말한다). 어떤 예들에서, 광기전 디바이스들은 서로 다른 전도 메커니즘(conduction mechanism)의 두 재료들의 인터페이스에서 전하 분리(charge separation)의 개념에 기초한다. 어떤 예들에서, 광기전 디바이스들은 보통 실리콘으로 만들어진 고체-상태접합 디바이스들(solid-state junction devices)이지만(예를 들어, 반도체 산업으로부터 얻은 경험과 재료 이용가능성으로부터 이득을 얻는다), 다른 설계들이나 재료들이 이용될 수 있다.
다양한 실시 예들에서, 태양 전지(예를 들어, 박막 태양 전지)의 구성요소들 중 어떤 것은 나노 섬유들을 포함한다. 예시적인 구성 요소들은 애노드, n-층, 활성 층, p-층 및 캐소드이다. 어떤 실시 예들에서, 상기 나노 섬유들은 여기에서 기술된 물에 기초한 가스-조력 전자 방사 공정에 의해 생성된다. 어떤 실시 예들에서, 상기 n-층, 활성층, p-층은 나노 섬유들을 포함한다. 한 양상에서, 본 개시는 태양 전지들에서 나노 섬유들의 이용을 포함한다. 본 개시는 본 발명의 나노 섬유를 포함하는 태양 저지들, 본 발명의 방법들에 의해 생성된 나노 섬유를 포함하는 태양전지들, 본 발명의 시스템에 의해 생성된 나노 섬유를 포함하는 박막 태양 전지들을 포함한다. 본 개시는 또한 나노 섬유들을 포함하는 태양 전지들을 만드는 방법들 및 이용하는 방법들을 포함한다.
한 실시 예에서, 상기 캐소드는 나노 섬유들을 포함한다(예를 들어, 알루미늄). 다양한 실시 예들에서, 어떤 적당한 재료가 금(Au), 은(Ag), 니켈(Ni), 구리(Cu), 및/또는 칼슘(Ca)과 같은 순수 금속 나노 섬유들을 포함하는 캐소드로서 이용된다.
어떤 예들에서, 상기 n-층은 전자들의 전달을 위해 제공된다. 어떤 실시 예들에서, 상기 n-층은 ZnO 나노 섬유들을 포함한다. 어떤 적당한 밴드갭(bandgap) 재료가 TiO2와 같은 어떤 적당한 순수 금속 산화물의 나노 섬유들을 포함하는 상기 n-층으로서 이용된다.
한 실시 예에서, 상기 광 활성 층(photoactive layer)은 PbSe 나노 섬유들을 포함한다(예를 들어, 이 PbSe 결정들은 크기에 있어서 나노스케일이다). 어떤 적당한 밴드갭(bandgap) 재료가 CdTe, CdS, PbS, 및/또는 PbTe와 같은 어떤 적당한 하이브리드 재료들의 나노 섬유들을 포함하는 광 활성층으로서 이용된다.
어떤 예들에서, 상기 p-층은 홀들(holes)의 이동을 제공한다. 어떤 실시 예들에서, 상기 p-층은 NiO 나노 섬유들을 포함한다. 어떤 적당한 밴드갭(bandgap) 재료가 CuInGaSe2와 같은 어떤 적당한 순수 금속 산화물의 나노 섬유들을 포함하는 상기 p-층으로서 이용된다.
어떤 예들에서, 인듐 주석 산화물(Indium Tin Oxide("ITO"))은 가장 광범위하게 이용되는 투명 전도 산화물들 중 하나이다(예를 들어, 태양 전지 기판으로서). 어떤 예들에서, ITO는 탁월한 전기 전도성과 광 투과성을 가진다. 어떤 예들에서, ITO는 박박으로서 퇴적시키기가 쉽다. 한 실시 예에서, 상기 애노드는 ITO 나노 섬유들을 포함한다. 어떤 예들에서, 어떤 적당한 전도성 투명 재료가 탄소와 같은 어떤 적당한 순수 무기 재료들의 나노 섬유들을 포함하는 애노드로서 이용된다.
어떤 실시 예들에서, 상기 캐소드는 Al을 포함하고, 상기 n-층은 ZnO를 포함하고, 상기 광 활성 층은 PbSe를 포함하고, 상기 p-층은 NiO를 포함하고, 및 상기 애노드는 ITO를 포함한다. 어떤 실시 예들에서, 어떤 하나 이상의 구성요소들은 나노 섬유들을 포함한다. 어떤 예들에서, 상기 나노 섬유들에 기초한 태양 전지들은 최소한의 재결합 손실들(recombination losses)을 가진 각 층에서의 나노 결정들(nanocrystals) 중에서 양호한 연결성(connectivity)를 가진다. 어떤 예들에서, 상기 나노 섬유들에 기초한 태양 전지들은 각 구성요들에 대한 공정들 중에서의 비양립성(incompatibility)과 연관된 복잡한 문제들(complications)을 제거한다.
도37은 여기에서 제공된 나노 섬유들을 이용하는 태양 전지 디바이스의 실시 예를 도식적으로 도시한다.
유연한 태양 전지들( Flexible solar cells )
어떤 예들에서, 무기 고체-상태 접합 디바이스들이 나노결정 전도 막들(nanocrystalline and conducting films)(즉, 박막들(thin films))에 기초한 전지들에 의해 대체되고 있다. 어떤 예들에서, 박막 구조들은 광 기전 디바이스들의 비용을 감소시킨다(예를 들어, 비싼 실리콘 웨이퍼들의 이용을 제거함으로써). 어떤 예들에서, 반도체에 접촉하는 단계를 전해질, 액체, 겔(gel) 또는 고체(solid)에 의해 대체하여, 광-전기화학 전지를 형성함으로써 고체-상태 접합 디바이스들로부터 완전히 떠나는 것이 현재 가능하다. 어떤 예들에서, 이 디바이스 패밀리들(family of devices)들의 원형(prototype)은 염료 감응 태양 전지(dye-sensitized solar cell)이다(도41을 보라). 어떤 예들에서, 상기 염료 감응 태양 전지는, 광-흡수 재료로서 나노결정 형태의 넓은 밴드 갭 반도체(a wide band gap semiconductor of nanocrystalline morphology)를 가진 감응제(sensitizer)의 회합(association)에 의해 광 흡수(optical absorption) 및 전하 분리 과정들(charge separation processes)을 수행한다.
한 양상에서, 나노 섬유들을 포함하는 박막 태양 전지들 및 광-전기화학 전지들이 여기에 기술된다. 다양한 양상들에서, 본 개시는 여기에서 기술된 나노 섬유를 포함하는 박막 태양 전지들 및 광-전기화학 전지들, 여기에서 기술된 방법들에 의해 생성된 나노 섬유를 포함하는 박막 태양 전지들 및 광-전기화학 전지들, 여기에서 기술된 시스템에 의해 생성된 나노 섬유를 포함하는 박막 태양 전지들 및 광-전기화학 전지들을 포함한다. 다양한 양상들에서, 나노 섬유들을 포함하는 박막 태양 전지들 및 광-전기화학 전지들을 만드는 방법들 및 이용하는 방법들이 여기에 기술된다.
어떤 예들에서, 상기 박막 태양 전지들 및 광-전기화학 전지들은 유연하다(flexible). 어떤 예들에서, ITO(인듐 주석 산화물)는 유연하지 않다. 어떤 예들에서, 투명 폴리머들에 기초한 다양한 유연한 기판들이 개발되었지만, 그들은 전극 재료들의 열처리(> 450℃)를 위한 충분한 열적 안정성 및 기판과 전극들 사이의 영호한 접착성(adhesion)을 제공하지 않는다. 어떤 실시 예들에서, 알루미나(코어) 및 ITO(피복)의 동축 나노 섬유들(예를 들어, 유연한 태양 전지 응용들을 위해 기판들로서 이용하기 위한)이 여기에 기술된다. 어떤 실시 예들에서, 상기 알루미나/ITO 나노 섬유들은 양호한 열적 안정성과 기판과 전극들 사이에 양호한 접착성을 가진다.
어떤 예들에서, 알루미나, 알루미나-마그네시아(alumina-magnesia) 및 지르코니아(zirconia)와 같은 무기 재료들이 촉매작용 응용들을 위한 유연한 기판들로서 제조되었다. 어떤 실시 예들에서, 동축 나노 섬유들의 ITO 피복에 이들 유연한 무기 재료들의 삽입은 투명성과 전도성의 손실없이 개선된 유연성을 가져온다. 어떤 실시 예들에서, 그러한 알루미나 및 ITO 동축 나노 섬유들은 물을 기초로한 방사(water-based spinning)를 통하여 합성된다(예를 들어, 유연한 태양 전지들을 위한 기판들로서). 어떤 실시 예들에서, 알루미나/ITO 나노 섬유 캐소드들의 개발이 두 단계로 수행된다. 어떤 실시 예들에서, 높은 로딩의 Al 전구체 및 ITO 전구체를 포함하는 물 함유 폴리머 용액들이 차례로 코어 층 및 피복 층으로서 동축 전자 방사되고, 이어서 알루미나/ITO 동측 나노 섬유들을 생성하기 위한 열처리가 뒤따른다.
어떤 실시 예들에서, 고속 공기 스트림(high speed air stream)이 추가적인 스킨 층(skin layer)으로서 동축 공정(coaxial procedure)에 포함된다(즉, 알루미나 전구체(코어)/ITO(미들)/공기(피복)의 3-축 사출물들(tri-axial jets)). 어떤 실시 예들에서, 상기 가스 흐름은 더 빠른 속도(faster rate)로 나노 섬유들을 생성한다. 어떤 실시 예들에서, (예를 들어, 도43에 보여진 바와 같이), 실리카 층들(silica layers)에 의해 샌드위치된 블록 코폴리머들(block copolymers)의 갇힌 조립체(confined assembly)에서 3-축 전자 방사가 이용된다.
다양한 양상들에서, 본 개시는 여기에서 기술된 나노 섬유를 포함하는 유연한 태양 전지들, 여기에서 기술된 방법들에 의해 생성된 나노 섬유를 포함하는 유연한 태양 전지들, 및 여기에서 기술된 시스템에 의해 생성된 나노 섬유를 포함하는 유연한 태양 전지들을 포함한다. 어떤 양상들에서, 나노 섬유들을 포함하는 유연한 태양 전지들을 만드는 방법들 및 이용하는 방법들이 여기에 기술된다. 한 양상에서, 본 개시는 알루미나, ITO, 또는 알루미나와 ITO의 혼합물을 포함하는 나노 섬유들을 포함하는 기판을 포함하는 태양 전지들을 포함한다.
도42는 박막 나노결정/나노와이어 하이브리드 태양전지(thin film nanocrystal/nanowire hybrid solar cell)의 작동 원리를 보여준다.
도44는 SiO2(코어)/Fe3O4를 가진 PI-b-PS(미들)/SiO2(피복)의 3-축 나노 섬유들의 TEM 이미지를 보여준다.
기타 이용들( Other uses )
어떤 예들에서, 전기화학 디바이스들에서 이외에 상기 순수 금속 및/또는 세라믹 나노 섬유들에 대한 이용들이 있다(예들 들어, 필터들(filters), 센서들(sensors), 촉매들(catalysts), 멤브레인들(membranes), 전극들(electrodes), 조직 재생 매트릭스들(tissue regeneration marixes), 및 이와 유사한 것들).
촉매작용(catalysis)은 촉매라 불리는 물질의 참가에 의해 화학 반응에 있어서의 속도(RATE)에 있어서의 변화이다. 어떤 예들에서, 화학 반응에 참가하는 시약들(regents)과 달리, 촉매는 반응 그 자체에 의해 소비되지 않는다. 어떤 예들에서, 촉매는 다중 화학 변환들(multiple chemical transformations)에 참가한다. 어떤 예들에서, 반응을 빠르게 하는 촉매들을 영의 촉매들(positive catalysts)이라 한다. 어떤 예들에서, 반응을 느리게 하기 위해 촉매들과 상호작용하는 물질들을 억제제들(inhibitors)(또는 음의 촉매들(negative catalysts))이라 한다. 어떤 예들에서, 촉매들의 활성을 증가시키는 물질들을 촉진제들(promoters)이라 하고, 촉매들을 비활성화시키는 물질들을 촉매 독들(catalytic poisons)이라 한다.
어떤 예들에서, 고체-상태 촉매들(solid-state catalysts)(때때로 이질 촉매(heterogeneous catalyst)로서 알려져 있다)은 그들의 표면에서 반응들을 촉진시키다(catalyze). 예시적인 고체-상태 촉매들은 금속 또는 금속 합금들이다. 어떤 예들에서, 금속 또는 금속 합금들은 비싸고(예를 들어, 귀금속들) 반응들이 표면-촉진된다(surface-catalyzed). 어떤 예들에서, 높은 표면 대 질량 비(high surface to mass ratio)를 가진 촉매를 이용하는 것이 유리하다(예를 들어, 비용당 성능을 극대화하기 위해). 어떤 예들에서, 길고 얇은 나노 섬유들이 높은 표면적 대 질량비를 가지고, 그래서 촉매들을 만들기에 바람직한 재료이다.
한 양상에서, 촉매들이 여기에 기술된다. 다양한 양상들에서, 본 개시는 여기에서 기술된 나노 섬유를 포함하는 촉매들, 여기에서 기술된 방법들에 의해 생성된 나노 섬유를 포함하는 촉매들, 및 여기에서 기술된 시스템에 의해 생성된 나노 섬유를 포함하는 촉매들을 포함한다. 어떤 양상들에서, 나노 섬유들을 포함하는 촉매들을 만드는 방법들 및 이용하는 방법들이 여기에 기술된다.
어떤 예들에서, 수소는 연료 전지들에서 이용하기에 적당한 에너지 캐리어(energy carrier)이다. 한 실시 예에서, 상기 촉매는 제1 층(예를 들어, Fe 또는 Ni를 포함하는) 및 제2 층(예를 들어, SiO2, ZrO2, 또는 Al2O3를 포함하는)을 포함하는 복합 나노 섬유들이다. 한 실시 예에서, 상기 촉매는 글루코스(glucose)또는 셀루로스(cellulose)로부터 H2를 생성할 수 있다. 어떤 실시 예들에서, 상기 촉매는 생성을 위해 약 60℃의 최대 온도를 가진다(예를 들어, 약 40℃로부터 증가된다).
어떤 예들에서, 황화수소(hydrogen sulfide)는 어떤 산업 공정들에서 오염물질인 독성가스이다. 어떤 예들에서, 황화수소는 촉매에 의해 제거된다. 어떤 실시 예들에서, 상기 촉매는 복합 나노 섬유들(예를 들어, ZrO2상에 ZnO를 포함하는)을 포함한다. 어떤 실시 예들에서, 상기 촉매는 연도 가스(flue gas)로부터 H2S를 제거할 수 있다. 어떤 실시 예들에서, 상기 촉매는 10ppm의 농도까지 H2S를 제거할 수 있다.
어떤 예들에서, 유체 스트림으로부터 입자들을 정화하기 필터들이 이용된다. 한 양상에서, 본 개시는 필터들을 포함한다. 다양한 실시 예들에서, 본 개시는 여기에서 기술된 나노 섬유를 포함하는 필터, 여기에서 기술된 방법들에 의해 생성된 나노 섬유를 포함하는 필터, 및 여기에서 기술된 시스템에 의해 생성된 나노 섬유를 포함하는 필터를 포함한다. 다양한 양상들에서, 나노 섬유들을 포함하는 필터들을 만드는 방법들 및 이용하는 방법들이 여기에 기술된다.
어떤 실시 예들에서, 상기 필터는 물 필터(water filter)이다. 어떤 실시 예들에서, 상기 필터는 공기 필터이다. 어떤 실시 예들에서, 상기 필터는 어떤 크기의 입자들을 제거하도록 설계된다.
어떤 실시 예들에서, 여기에 기술된 나노 섬유들이 센서들에 이용된다. 한 실시 예에서, 상기 센서는 금속 산화물들을 포함하는 나노 섬유들을 포함한다. 어떤 실시 예들에서, 상기 금속 산화물들은 전도성 금속에 분산된다. 어떤 실시 예들에서, 전류에 있어서의 변화에 의해 분자가 감지된다. 한 실시 예에서, 상기 나노 섬유는 V2O5를 포함하고 상기 분자는 암모니아이다.
한 양상에서, 본 개시는 센서들을 포함한다. 다양한 실시 예들에서, 본 개시는 여기에서 기술된 나노 섬유를 포함하는 센서, 여기에서 기술된 방법들에 의해 생성된 나노 섬유를 포함하는 센서, 및 여기에서 기술된 시스템에 의해 생성된 나노 섬유를 포함하는 센서를 포함한다. 어떤 실시 예들에서, 나노 섬유들을 포함하는 센서들을 만드는 방법들 및 이용하는 방법들이 여기에 기술된다.
어떤 예들에서, 멤브레인은 종종 얇은, 일반적인 또는 선택적인 장벽(barrier)이다. 어떤 예들에서, 여기에 기술된 나노 섬유들이 멤브레인으로 형성된다. 한 실시 예에서, 상기 멤브레인은 나노 섬유들(예를 들어, 금속 산화물들을 포함하는 SiO2)을 포함한다. 어떤 실시 예들에서, 상기 멤브레인은 TiO2를 포함하는 나노 섬유들을 포함한다. 어떤 실시 예들에서, 상기 멤브레인은 유기 오염물질들을 분해할 수 있다. 다양한 실시 예들에서, 상기 오염물질은 살충제 또는 휘발성 유기 화합물이다. 어떤 예들에서, 상기 오염물질의 분해는 광촉매반응이다(photocatalytic)(즉, 빛에 의해 촉진된다).
한 양상에서, 본 개시는 멤브레인들을 포함한다. 다양한 양상들에서, 본 개시는 여기에서 기술된 나노 섬유를 포함하는 멤브레인, 여기에서 기술된 방법들에 의해 생성된 나노 섬유를 포함하는 멤브레인, 및 여기에서 기술된 시스템에 의해 생성된 나노 섬유를 포함하는 멤브레인을 포함한다. 어떤 양상들에서, 나노 섬유들을 포함하는 멤브레인들을 만드는 방법들 및 이용하는 방법들이 여기에 기술된다.
어떤 예들에서, 전극은 회로의 비금속 부분(예를 들어, 반도체, 전해질 또는 진공)과 접촉하기 위해 이용된 전기적 전도체이다. 어떤 예들에서, 전극들이 전기화학 디바이스들(예를 들어, 연료전지들, 배터리들, 울트라커패시터들 및 태양 전지들)에서 이용된다. 한 양상에서, 본 개시는 전극들을 포함한다. 다양한 양상들에서, 본 개시는 여기에서 기술된 나노 섬유를 포함하는 전극, 여기에서 기술된 방법들에 의해 생성된 나노 섬유를 포함하는 전극, 및 여기에서 기술된 시스템에 의해 생성된 나노 섬유를 포함하는 전극을 포함한다. 어떤 양상들에서, 나노 섬유들을 포함하는 전극들을 만드는 방법들 및 이용하는 방법들이 여기에 기술된다.
어떤 예들에서, 나노 섬유들이 조직 배양(tissue culture)을 포함하는, 의학에서 이용된다. 어떤 실시 예들에서, 조직 재생 매트릭스들이 여기에 기술된다. 예를 들어, 상기 나노 섬유들이 다공성 스캐폴드(scaffold)를 구축하는데 이용된다. 이 스캐폴드 위에 세포들(cells)이 뿌려지고 성장하여 상기 스캐폴드를 채운다(예를 들어, 이에 의해 조직 보충이나 대체에 적당한 재료를 생성한다).
다양한 양상들에서, 본 개시는 여기에서 기술된 나노 섬유를 포함하는 조직 재생 매트릭스, 여기에서 기술된 방법들에 의해 생성된 나노 섬유를 포함하는 조직 재생 매트릭스, 및 여기에서 기술된 시스템에 의해 생성된 나노 섬유를 포함하는 조직 재생 매트릭스를 포함한다. 어떤 양상들에서, 나노 섬유들을 포함하는 조직 재생 매트릭스들을 만드는 방법들 및 이용하는 방법들이 여기에 기술된다.
본 발명의 바람직한 실시 예들이 여기에서 보여지고 기술되었지만, 이 분야에 숙달된 사람들에게 그러한 실시 예들이 단지 예에 의해 제공된 것이라는 것이 명백할 것이다. 이 분야에 숙달된 사람들에게 본 발명에서 벗어남이 없이 수많은 변형들, 변경들, 대체들이 이제 일어날 것이다. 본 발명을 실시하는데 있어서, 여기에 기술된 발명의 실시 예들에 대한 다양한 대안들이 채용될 수 있다는 것을 이해하여야 한다. 뒤따르는 청구항들은 본 발명의 범위를 한정하고 및 본 청구항들의 범위 내의 방법들 및 구조들 및 그들의 등가물들이 그에 의해 커버(cover)되도록 의도한 것이다.
예들( Examples )
예 1 - 니켈 아세테이트( nickel acetate ) 및 PVA 의 유체 원료의 제조
금속 전구체인 2 그램의 니켈 아세테이트가 1 몰의 아세트산(acetic acid) 20ml에 용해되었다. 상기 용액을 2 시간 동안 저어 니켈 아세테이트의 용액을 만들었다. 상기 용액은 균질하다.
제2 용액에서, 평균 분자량 79 kDa 및 다분산 지수(polydispersity index) 1.5를 가지는 99.7% 가수분해된(hydrolyzed) 폴리비닐 알코올(PVA) 1그램이 탈이온수(de-ionized water) 10ml에 용해되었다. 이 폴리머 용액을 95℃의 온도까지 가열하고 2 시간 동안 저어 균질한 용액을 만들었다.
그 다음 상기 니켈 아세테이트 용액이 상기 PVA 용액과 결합되어 유체 원료를 만들었다. 상기 유체 원료에서 상기 전구체를 실질적으로 고르게 분포시키기 위해, 상기 전구체 용액은 2시간 동안 계속하여 힘차게 저으면서 상기 폴리머 용액에 점진적으로 첨가되었다. 상기 유체 피드(fluid feed)에 대해 전구체 대 폴리머의 질량비(mass ratio)는 2:1이었다.
예 2 - 니켈 아세테이트 및 PVA 의 유체 원료의 특징화( characterization )
상기 금속 전구체의 리간드와 살기 폴리머 백본(backbone)에 있는 상기 기능 그룹 사이의 화학적 상호작용이 가방성(spinnability)을 손실함이 없이 상기 금속 전구체의 극히 높은 로딩(loading)을 가져왔다. 상기 상호작용은 PVA 대 Ni 전구체의 다양한 비들(ratios)과 함께 나노 섬유들에 대한 FT-IR 연구에서 입증되었다. 도2에 도시된 바와 같이, -OH 결합의 극적인 감소와 -CO 결합에 있어서 실질적인 증가가 Ni 전구체의 높은 로딩에서 관측되었다(Ni:PVA=4:1).
예 3 - 니켈 아세테이트 및 PVA 의 유체 원료의 전자 방사
예 1의 유체 원료가 가스-조력 기술을 이용하여 전자 방사되었다. 전체적인 공정 및 장치가 도1에 묘사된다. 상기 유체 원료가, 4.13x10-4m의 안쪽 노즐 직경(유체 원료)과 1.194x10-3m의 바깥 직경(공기)을 가진 방사돌기(spinneret)에 접속된 주사 펌프(syringe pump)에 로딩되었다. 상기 노즐과 컬렉션 플레이트(collection plate) 사이의 거리는 약 15cm로 유지되고, 상기 유체 원료가 0.1ml/min의 속도로 방사되었다. +15kV의 전하가 상기 컬렉터에 유지되었다. 상기 노즐에서 공기 속도는 100m/sec였다. 상기 노즐에서 공기 및 유체 원료의 온도는 300K였다.
예 4 - 니켈 아세테이트 및 PVA 의 유체 피드(fluid feed)를 하소하여 순수 니켈 나노 섬유 제조
예 3의 전자 방사된 유체 원료는 100% Ar 가스 환경에서 600℃에서 2 시간 동안 가열되었다. 하소 전후에 상기 나노 섬유를 시각화하기 위하여, 도3에 묘사된 바와 같이 하소 전후에 SEM 이미지를 찍었다. 상기 나노 섬유의 직경은 방사되었을 때 근사적으로 500-700nm였고, 하소 후에 400-500nm였다. 하소 후에 상기 나노 섬유를 특징화하기 위하여, Scintag Theta-Theta X-ray Diffractometer를 이용하여 x-레이 회절 측정이 수행되었고, 도3 에 묘사된 바와 같이 상기 나노 섬유가 실질적으로 순수한 니켈임을 나타낸다.
예 5 - 니켈 아세테이트 및 PVA 의 유체 피드를 하소하여 니켈 산화물 나노 섬유 제조
예 3의 전자 방사된 유체 원료는 공기 환경에서 600℃에서 2 시간 동안 가열되었다. 하소 전후에 상기 나노 섬유를 시각화하기 위하여, 도4에 묘사된 바와 같이 하소 전후에 SEM 이미지를 찍었다. 상기 나노 섬유의 직경은 방사되었을 때 근사적으로 500-700nm였고, 하소 후에 300-500nm였다. x-레이 회절 측정은 도4에 묘사된 바와 같이 상기 나노 섬유가 실질적으로 순수한 니켈 산화물임을 나타낸다.
예 6 - 구리 아세테이트 및 PVA 의 유체 피드를 하소하여 구리 나노 섬유 제 조
상기 예 1의 공정을 뒤따라 구리 아세테이트 및 PVA의 유체원료가 2:1의 전구체:폴리머 비로 제조되었다. 이들 유체 원료들은 예 3의 공정에 의해 전자 방사되었다. 상기 전자 방사된 유체 원료는 94%의 Ar과 6%의 H2 가스의 환경에서 800℃에서 2 시간 동안 가열되었다. 하소 전후에 상기 나노 섬유를 시각화하기 위하여, 도5에 묘사된 바와 같이 하소 전후에 SEM 이미지를 찍었다. 상기 나노 섬유의 직경은 방사되었을 때 근사적으로 600-800nm였고, 하소 후에 300-500nm였다. x-레이 회절 측정은 도5에 묘사된 바와 같이 상기 나노 섬유가 실질적으로 순수한 구리임을 나타낸다.
예 7 - 구리 아세테이트 및 PVA 의 유체 피드를 하소하여 구리 산화물 나노 섬유 제조
상기 예 6의 전자 방사된 유체 원료가 공기 환경에서 600℃에서 2 시간 동안 가열되었다. 하소 전후에 상기 나노 섬유를 시각화하기 위하여, 도6에 묘사된 바와 같이 하소 전후에 SEM 이미지를 찍었다. 상기 나노 섬유의 직경은 방사되었을 때 근사적으로 600-800nm였고, 하소 후에 200-600nm였다. x-레이 회절 측정은 도6에 묘사된 바와 같이 상기 나노 섬유가 실질적으로 순수한 구리 산화물임을 나타낸다.
예 8 - 은 아세테이트 및 PVA 의 유체 피드를 하소하여 은 나노 섬유 제조
상기 예 1의 공정을 뒤따라 은 아세테이트 및 PVA의 유체원료가 2:1의 전구체:폴리머 비로 제조되었다. 이들 유체 원료들은 예 3의 공정에 의해 전자 방사되었다. 상기 전자 방사된 유체 원료는 공기 환경에서 600℃에서 2 시간 동안 가열되었다. 하소 전후에 상기 나노 섬유를 시각화하기 위하여, 도7에 묘사된 바와 같이 하소 전후에 SEM 이미지를 찍었다. 상기 나노 섬유의 직경은 방사되었을 때 근사적으로 900-1200nm였고, 하소 후에 600-800nm였다. x-레이 회절 측정은 도7에 묘사된 바와 같이 상기 나노 섬유가 실질적으로 순수한 은임을 나타낸다.
예 9 - 철 아세테이트 및 PVA 의 유체 피드를 하소하여 철 나노 섬유 제조
상기 예 1의 공정을 뒤따라 철 아세테이트 및 PVA의 유체원료가 2:1의 전구체:폴리머 비로 제조되었다. 이들 유체 원료들은 예 3의 공정에 의해 전자 방사되었다. 상기 전자 방사된 유체 원료는 공기 환경에서 600℃에서 2 시간 동안 가열되었다. 하소 전후에 상기 나노 섬유를 시각화하기 위하여, 도8에 묘사된 바와 같이 하소 전후에 SEM 이미지를 찍었다. 상기 나노 섬유의 직경은 방사되었을 때 근사적으로 300-500nm였고, 하소 후에 200-400nm였다. x-레이 회절 측정은 도8에 묘사된 바와 같이 상기 나노 섬유가 실질적으로 순수한 철임을 나타낸다.
예 10 - 아연 아세테이트 및 PVA 의 유체 피드를 하소하여 아연 산화물 나노 섬유 제조
상기 예 1의 공정을 뒤따라 아연 아세테이트 및 PVA의 유체원료가 2:1의 전구체:폴리머 비로 제조되었다. 이들 유체 원료들은 예 3의 공정에 의해 전자 방사되었다. 상기 전자 방사된 유체 원료는 공기 환경에서 600℃에서 2 시간 동안 가열되었다. 하소 전후에 상기 나노 섬유를 시각화하기 위하여, 도9에 묘사된 바와 같이 하소 전후에 SEM 이미지를 찍었다. 상기 나노 섬유의 직경은 방사되었을 때 근사적으로 500-1000nm였고, 하소 후에 400-700nm였다. x-레이 회절 측정은 도9에 묘사된 바와 같이 상기 나노 섬유가 실질적으로 순수 아연 산화물임을 나타낸다.
예 11 - 카드뮴 아세테이트 및 PVA 의 유체 피드를 하소하여 카드뮴 나노 섬유 제조
상기 예 1의 공정을 뒤따라 카드뮴 아세테이트 및 PVA의 유체원료가 2:1의 전구체:폴리머 비로 제조되었다. 이들 유체 원료들은 예 3의 공정에 의해 전자 방사되었다. 상기 전자 방사된 유체 원료는 공기 환경에서 800℃에서 2 시간 동안 가열되었다. 하소 전후에 상기 나노 섬유를 시각화하기 위하여, 도10에 묘사된 바와 같이 하소 전후에 SEM 이미지를 찍었다. 상기 나노 섬유의 직경은 방사되었을 때 근사적으로 800-1200nm였고, 하소 후에 600-900nm였다. x-레이 회절 측정은 도10에 묘사된 바와 같이 상기 나노 섬유가 실질적으로 순수 카드뮴임을 나타낸다.
예 12 - 지르코늄 아세테이트 및 PVA 의 유체 피드를 하소하여 지르코니아 나노 섬유 제조
상기 예 1의 공정을 뒤따라 지르코늄 아세테이트 및 PVA의 유체원료가 2:1의 전구체:폴리머 비로 제조되었다. 이들 유체 원료들은 예 3의 공정에 의해 전자 방사되었다. 상기 전자 방사된 유체 원료는 공기 또는 94%의 Ar 및 6%의 H2 가스의 환경에서 800℃에서 2 시간 동안 가열되었다. 하소 전후에 상기 나노 섬유를 시각화하기 위하여, 도11에 묘사된 바와 같이 하소 전후에 SEM 이미지를 찍었다. 상기 나노 섬유의 직경은 방사되었을 때 근사적으로 800-1000nm였고, 하소 후에 300-600nm였다. x-레이 회절 측정은 도11에 묘사된 바와 같이 상기 나노 섬유가 실질적으로 순수 지르코니아임을 나타낸다.
예 13 - 납 아세테이트 및 PVA 의 유체 피드를 하소하여 납 나노 섬유 제조
상기 예 1의 공정을 뒤따라, 납 아세테이트 및 PVA의 유체원료가 2:1의 전구체:폴리머 비로 제조되었다. 이들 유체 원료들은 예 3의 공정에 의해 전자 방사되었다. 상기 전자 방사된 유체 원료는 94%의 Ar 및 6%의 H2 가스의 환경에서 공기 환경에서 600℃에서 2 시간 동안 가열되었다. 하소 전후에 상기 나노 섬유를 시각화하기 위하여, 도12에 묘사된 바와 같이 하소 전후에 SEM 이미지를 찍었다. 상기 나노 섬유의 직경은 방사되었을 때 근사적으로 500-1200nm였고, 하소 후에 250-700nm였다. x-레이 회절 측정은 도12에 묘사된 바와 같이 상기 나노 섬유가 실질적으로 순수 납임을 나타낸다.
예 14 - 유체 피드들 및 나노 섬유들
상기 예 1의 공정을 뒤따라, 상기 확인된 전구체-대-폴리머 로드 비(precursor-to-polymer load ratio)(상기 폴리머와 결합된 초기 전구체 질량에 기초하여)로 표2에 따라 제조되었다. 나노 섬유들이 적당한 조건들 하에서 하소에 의해 제조되었다.
전구체 폴리머 로드비 나노섬유
철 나이트레이트 PVA 1:1 철(iron)
철 클로라이드
(+ 탄소 파우더)		 PVA 2:1 강철(steel)
철 아세테이트
크롬 아세테이트		 PVE 1:1
(89/11)		 스테인리스 강철
지르코늄 클로라이드 PVA 2:1 지르코니아
니켈 브로마이드 PEO 1:1 니켈 산화물
크롬 메톡사이드 PVE 1.5:1 크롬
텅스텐 에톡사이드 PVA 3:1 텅스텐
CdClOH 폴리비닐 피리딘 1:1 카드뮴 산화물
은 아세테이트 PEO 1:1 은
니켈 나이트레이트 폴리아크릴산 2:1 니켈
구리 에톡사이드 PVA 1:1 구리
니켈 클로라이드 PVE 3:1 니켈 산화물
지르코늄 나이트레이트 폴리비닐 피리딘 1:1 지르코니아
구리 나이트레이트 PVE 3.5:1 구리 산화물
니켈 t-부톡사이드 PVO 1:1 니켈
구리 클로라이드 폴리아크릴산 1.5:1 구리
알루미늄 나이트레이트
지르코늄 아세테이트		 PVE 2:1
(70/30)		 알루미늄-지르코니아 복합물(composite)
예 15 - PVA 상의 니켈 아세테이트들의 로딩의 탐사
상기 예 1의 공정을 뒤따라, 니켈 아세테이트 및 PVA의 다양한 유체원료들이 1:2, 1:1, 2:1, 및 4:1의 전구체:폴리머 비들로 제조되었다. 이들 유체 원료들은 예 3의 공정에 의해 전자 방사되었다. 그 시점에서 상기 전자 방사된 유체 원료의 4 SEM 이미지들을 찍었다. 그 다음 상기 전자 방사된 유체 원료는 예 4의 공정에 의해 하소되어 순수 Ni 나노 섬유들을 생성했다. 그 시점에서 상기 하소된 나노 섬유들의 4 SEM 이미지들을 찍었다. 도13은 상기 나노 섬유들의 직경이 전구체의 더 높은 로딩과 함께 증가했음을 보여준다. 그것은 또한 연속적이고, 고품질의 나노 섬유들이, 특히 더 높은 전구체의 로딩에서 형성되었음을 보여준다. 또한 상기 하소된 나노 섬유들의 TEM 현미경 사진들을 찍었다. 도14는 상기 나노 섬유들에 공동들(voids)이 없고 그들이 조밀하며(dense) 코히어런트(coherent)하다는 것을 확인해준다.
예 16 - 순수 니켈 나노 섬유의 원자 조성 조사
순수 니켈 나노 섬유의 원소 조성을 측정하기 위하여 에너지-분산 x-레이 분광법(Energy-disperse x-ray spectroscopy(EDX))이 이용되었다. 도15는 상기 TEM 이미지들의 어두운(좌측) 및 밝은(우측) 영역들 모두에 대하여, 대부분의 나노 섬유가 적은 산소 함량과 함께 Ni이라는 것을 보여준다. 무시할 수 있는 양의 탄소가 검출되었다.
예 17 - PbSe 합금 나노 섬유의 제조
예 1의 공정들에 따라 50% Pb와 50% Se의 혼합물이 납 아세테이트와 Se 분말(powder)로부터 형성되었다. 상기 전구체들은 예 1의 공정에 따라 PVA와 함께 유체 원료로 만들어지고 예 3의 공정에 따라 전자 방사되었다. 상기 전자 방사된 유체 원료는 100% Ar 환경에서 600℃에서 2 시간 동안 가열에 의해 하소되었다. 현미경 사진들(도23)은 연속적인 금속 합금 나노 섬유들을 보여주고 TEM 현미경 사진들(도24)은 그들이 조밀하고 코히어런트하다는 것을 보여준다.
예 18 - PbSe 합금 나노 섬유의 원자 조성 조사
예 17에서 생성된 상기 PbSe 합금 나노 섬유의 원소 조성을 측정하기 위하여 에너지-분산 x-레이 분광법(EDX)이 이용되었다. 도25는 상기 TEM 이미지들의 어두운(좌측) 및 밝은(우측) 영역들에 모두에 대하여, Pb 대 Se의 조성이 상대적으로 같은 것으로 유지된다는 것을 보여준다. 무시할 수 있는 양의 탄소가 검출되었다.
예 19 - 순수 금속 나노 섬유들의 전기 전도도들의 조사
세 개의 서로 다른 열 처리 조건들(불활성 환경 하에서 저온(400℃) 처리(처리 방식 1), 공기 하에서 및 그 다음 불활성 환경 하에서 저온 처리(처리 방식 2), 및 불활성 환경 하에서 고온(800℃) 처리(처리 방식 3))을 통하여 얻어진 다양한 순수 금속 나노 섬유 매트들(mats)의 전기 전도도를 측정하기 위하여 2 포인트 탐침(2 point probe)이 이용되었다. 도30은 본 개시의 방법들(처리방식 2 및 3)에 의해 제조된 하소된 순수 금속 나노 섬유들이 매우 높은 전도도(106S/m 이상)를 보여주고 시트(sheet)로 형성되었을 때의 금속의 알려진 전도도만큼 거의 전도성이라는 것을 보여준다. 그와 반대로, 처리 방식 1 및 낮은 전구체 로딩으로 형성된 금속 섬유들은 훨씬 더 낮은 전도도(103S/m 이하)를 보여준다.
예 20 - ZrO 2 / Ni 하이브리드 나노 섬유의 제조
Zr 아세테이트 및 Ni 아세테이트의 유체 피드들이 예 1의 공정에 따라 제조되었다. 그 다음 상기 두 개의 유체 원료들이 도35에 묘사된 것과 유사한 방사돌기를 이용하여 동축 방식으로 전자 방사되었다. 중심 도관(conduit)은 Ni 아세테이트 유체 원료(도35에 묘사된 바와 같은 공기가 아니다)를 담았고 바깥 도관은 ZrO2 유체 원료를 담고 담았다. 전자 방사 공정은 가스-조력 방식이었다. 상기 전자 방사된 하이브리드 유체 원료는 공기 환경에서 600℃에서 2 시간 동안 가열하고 이어서 94%의 Ar 및 6%의 H2 가스의 환경에서 600℃에서 2 시간 동안 가열에 의해 하소되었다. 현미경 사진들(도31)은 연속적인 금속 합금 나노 섬유들을 보여주고, TEM 현미경 사진들(도32)은 그들이 조밀하고 코히어런트하다는 것을 보여준다.
예 21 - ZrO 2 / Ni 하이브리드 나노 섬유의 원자 조성 조사
예 20에서 생성된 상기 ZrO2/Ni 하이브리드 나노 섬유의 원소 조성을 측정하기 위하여 에너지-분산 x-레이 분광법(EDX)이 이용되었다. 도33은 상기 TEM 이미지들의 어두운(좌측) 및 밝은(우측) 영역들이 서로 다른 조성들을 가진다는 것을 보여준다. 외측(우측, 밝다)보다 중심(좌측, 어둡다)에 훨씬 더 많은 니켈이 있다. 더욱이 상기 EDAX는 Zr 대 O의 비가 두 경우 모두에 대해 1:2이고 ZrO2의 형성을 나타냄을 보여주었다.
예 22 - 연료전지 전극들
Fe-Pt 나노 섬유들을 포함하는 연료 전지 전극들이 여기에 개시된다. 이들 나노 섬유들은 도34에 묘사된 공장들과 시스템에 따라 제조될 수 있다. 수용성 Fe 및 Pt 아세테이트들이 PVA와 같은 수용성 폴리머와 함께 혼합되어 예 1에서와 같은 유체 원료를 생성한다. 이 예에서 전구체 대 폴리머의 비는 4:1이다. 이어서, 수율을 증가시키기 위해 가스 조력 전자 방사가 채용될 것이다. 우리는 동축 방식(coaxial scheme)에서 상기 피복 사출 층(sheath jet layer)에 공기 흐름을 포함시킴으로써 상기 나노 섬유 생성 속도가 10 배 이상 증가될 수 있음을 입증했다. 도34에 묘사된 바와 같이, 물을 함유하는 폴리머 용액에 적당한 비의 Fe 대 Pt 전구체들을 첨가함으로써 상기 방사 도프(spinning dope)가 제조될 수 있고 동축 전자 방사에서 코어 사출(core jet)로서 이용되는 한편, 상기 전구체 용액의 코어 사출을 늘이기(stretch) 위하여 고속 공기 스트림이 피복 층 사출(sheath layer jet)로서 이용된다. 상기 최소화된 Pt 로딩 하에서 산소 환원(oxygen reduction) 및 내구성(durability)을 향상시키기 위하여 Fe-Pt의 면심 정방형 구조(face-centered tetragonal structure)의 형성이 추구된다.
예 23 - 리튬 이온 배터리 애노드들에 적당한 중공 Si 또는 Ge 나노 섬유들
도35는 리튬 이온 배터리들에서 애노드들로 이용을 위해 적당한 중공 Si 또는 Ge 나노 섬유들을 생성하는데 적당한 장치를 보여준다. 고속 공기 및 Si 또는 Ge 전구체 용액은 가스-조력 동축 전자 방사에서 코어 및 피복 사출들을 형성한다.
예 24 - 유연한 태양전지들에서 이용을 위해 적당한 Al 2 O 3 / ITO 하이브리드 나노 섬유들
도36은 유연한 태양 전지들에서 이용을 위해 적당한 Al2O3/ITO 하이브리드 나노 섬유들을 생성하기 위한 공정과 시스템의 도식도를 보여준다. 동축 Al2O3/ITO 나노 섬유를 생성하기 위하여 가스-조력 전자 방사에서 Al2O3/ITO/공기의 3축 구성이 이용된다. 도37은 나노 섬유들로부터 만들어진 복수의 구성 요소들을 가진 태양 전지에 대한 현미경 사진들, x-레이 회절 플롯들(plots) 및 도식도를 보여준다.
예 25 - 나노 섬유들의 다른 예들
한 양상에서, 금속, 세라믹, 금속 합금, 및 이들의 조합들을 포함하는 다양한 나노 섬유들이 여기에 기술된다. 한 양상에서, 금속, 세라믹, 금속 합금, 및 이들의 조합들을 포함하는 다양한 나노 섬유들을 생성하는 방법들이 여기에 기술된다. 예는 다음과 같다: 도16은 ZnO/ZrO2 하이브리드 나노 섬유들의 현미경 사진들 및 x-레이 회절 플롯을 보여준다; 도17은 Ag/ZrO2 하이브리드 나노 섬유들의 현미경 사진들 및 x-레이 회절 플롯을 보여준다; 도18은 Ni/ZrO2 하이브리드 나노 섬유들의 현미경 사진들 및 x-레이 회절 플롯을 보여준다; 도19은 Fe/ZrO2 하이브리드 나노 섬유들의 현미경 사진들 및 x-레이 회절 플롯을 보여준다; 도21은 Ni/Al2O3 하이브리드 나노 섬유들의 현미경 사진들 및 x-레이 회절 플롯을 보여준다; 도22은 CdSe 합금 나노 섬유들의 현미경 사진들 및 x-레이 회절 플롯을 보여준다; 도26은 CdTe 합금 나노 섬유들의 현미경 사진들 및 x-레이 회절 플롯을 보여준다; 도27은 PbTe 합금 나노 섬유들의 현미경 사진들 및 x-레이 회절 플롯을 보여준다; 도28은 Fe3O4/FeNi 합금 나노 섬유들의 현미경 사진들 및 x-레이 회절 플롯을 보여준다; 및 도29은 Fe3O4/FeNi 합금 나노 섬유들의 TEM 현미경 사진들을 보여준다. 다른 양상들에서, 여기에 있는 예들에 기술된 공정들이 표1의 나노 섬유들을 만들기 위해 이용되었다.
도20은 다양한 하이브리드 나노 섬유들의 TEM 현미경 사진들을 보여준다.
101: 금속 전구체 103: 폴리머
105: 주사 시스템 106: 노즐
107: 콜렉터 108: 전구체 나노섬유
110: 세라믹, 금속, 또는 복합 나노 섬유들

Claims (79)

  1. 하나 이상의 나노 섬유(nanofiber)를 생성하는 방법에 있어서, 상기 방법은 유체 원료(fluid stock)를 전자 방사(electrospinning)하는 단계를 포함하고, 상기 유체 원료는 금속 전구체(들)(metal precursor(s)) 및 폴리머(polymer)를 포함하고,
    a. 상기 전구체(들) 대 폴리머의 중량 대 중량비는 적어도 1:2;
    b. 상기 유체 원료는 물을 함유하고(aqueous);
    c. 상기 전구체(들)은 적어도 200mM의 농도로 상기 유체 원료에 존재하고; 또는
    d. 이들의 어떤 조합인, 상기 나노 섬유를 생성하는 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 유체 원료는 (1) 용액; (2) 실질적으로 균일한 분산(uniform dispersion); 또는 (3) 실질적으로 균질한 분산(homogeneous dispersion)인, 상기 나노 섬유를 생성하는 방법.
  3. 제1항 또는 제2항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 유체 원료에서 상기 전구체(들) 대 폴리머의 중량 대 중량비는 적어도 1:2이고 상기 유체 원료는 물을 함유하는, 상기 나노 섬유를 생성하는 방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전구체(들) 대 폴리머의 중량 대 중량비는 적어도 1:1인, 상기 나노 섬유를 생성하는 방법.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 유체 원료는 상기 전구체(들) 및 상기 폴리머를 포함하는 유체 원료를 형성하기 위하여 시약 전구체(들)(reagent precursors), 시약 폴리머(들)(reagent polymers) 및 물(water)을 조합함으로써 제조되고, 상기 시약 전구체(들) 및 시약 폴리머(들)은 1:2 이상의 중량 대 중량비로 조합되는, 상기 나노 섬유를 생성하는 방법.
  6. 제4항에 있어서, 상기 시약 전구체(들) 및 시약 폴리머(들)은 적어도 1:1의 중량 대 중량비로 조합되는, 상기 나노 섬유를 생성하는 방법.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 하나 이상의 전구체(들)은 상기 유체원료에서 폴리머-전구체 회합(polymer-precursor association)으로 존재하는, 상기 나노 섬유를 생성하는 방법.
  8. 제6항에 있어서, 상기 폴리머의 적어도 25%는 전구체 분자들로 포화되는(saturated), 상기 나노 섬유를 생성하는 방법.
  9. 제6항 또는 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전구체 분자들의 적어도 25%는 폴리머와 회합되는(associated), 상기 나노 섬유를 생성하는 방법.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전구체(들)은 적어도 200mM의 농도로 상기 유체 원료에 존재하는, 상기 나노 섬유를 생성하는 방법.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 유체 원료에서 상기 전구체(들) 농도는 적어도 250mM인, 상기 나노 섬유를 생성하는 방법.
  12. 제8항에 있어서, 상기 유체 원료에서 상기 전구체(들) 농도는 적어도 300mM인, 상기 나노 섬유를 생성하는 방법.
  13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 금속 전구체(들)은 금속-리간드 착물(metal-ligand complex)을 포함하는, 상기 나노 섬유를 생성하는 방법.
  14. 제11항에 있어서, 상기 금속 전구체는 금속-리간드 착물을 포함하고, 상기 금속-리간드 착물은 상기 폴리머와 회합하는, 상기 나노 섬유를 생성하는 방법.
  15. 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 금속 전구체는 Ag, Cu, Ni, Fe, Co, Pb, Au, Sn, Al, Zr, Li, Mn, Cr, Be, Cd, Si, Ti, V, Hf, Sr, Ba, Ge, 및 이들의 조합들로 이루어진 그룹으로부터 선택된 금속을 포함하는, 상기 나노 섬유를 생성하는 방법.
  16. 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 금속 전구체는 전이 금속(transition metal)을 포함하는, 상기 나노 섬유를 생성하는 방법.
  17. 제1항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 금속 전구체는 메탈로이드(metalloid)를 포함하는, 상기 나노 섬유를 생성하는 방법.
  18. 제1항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 금속 전구체는 카복실레이트(carboxylate), 나이트레이트(nitrate), 할라이드(halide), 디케톤(diketone), 알콕사이드(alkoxide), 및 이들의 조합물로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나 이상의 리간드를 포함하는 금속-리간드 착물인, 상기 나노 섬유를 생성하는 방법.
  19. 제1항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 시약 전구체, 상기 유체 원료의 전구체, 또는 이 모두는 하나 이상의 금속 아세테이트(metal acetate), 금속 나이트레이트 (metal nitrate), 금속 클로라이드(metal chloride), 금속 메톡사이드(metal methoxide), 또는 이들의 조합을 포함하는, 상기 나노 섬유를 생성하는 방법.
  20. 제1항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 폴리머는 폴리비닐 알코올(polyvinyl alcohol(PVA)), 폴리비닐 아세테이트(polyvinyl acetate(PVAc)), 폴리에틸렌 옥사이드(polyethylene oxide(PEO)), 폴리비닐 에테르(polyvinyl ether), 폴리비닐 피롤리돈(polyvinyl pyrrolidone), 폴리글리콜산(polyglycolic acid), 하이드록시에틸셀룰로스(hydroxyethylcellulose(HEC)), 에틸셀룰로스(ethylcellulose), 셀룰로스 에테르스(cellulose ethers), 폴리아크릴산(polyacrylic acid), 폴리이소시아네이트(polyisocyanate), 또는 이들의 조합인, 상기 나노 섬유를 생성하는 방법.
  21. 제1항 내지 제20항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 폴리머는 (i) 친수성(hydrophilic), (ⅱ) 수용성(water soluble) 또는 수팽윤성(water swellable)인, 상기 나노 섬유를 생성하는 방법.
  22. 제1항 내지 제21항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 폴리머는 열적으로 및/또는 화학적으로 분해할 수 있는(degradable), 상기 나노 섬유를 생성하는 방법.
  23. 제1항 내지 제22항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 폴리머는 복수의 친핵성 모이어티들(nuleophilic moieties)을 포함하는 폴리머이고, 상기 시약 전구체는 친전자성인(electrophilic), 상기 나노 섬유를 생성하는 방법.
  24. 제1항 내지 제23항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 폴리머는 복수의 친전자성 모이어티들을 포함하는 폴리머이고, 상기 시약 전구체는 친핵성인, 상기 나노 섬유를 생성하는 방법.
  25. 제1항 내지 제24항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 유체 원료를 전자방사하는 단계는 금속 전구체와 폴리머를 포함하는 전자방사된 나노섬유 재료(electrospun nanofiber material)의 형성을 결과하는, 상기 나노 섬유를 생성하는 방법.
  26. 제1항 내지 제25항 중 어느 한 항에 있어서, 하소된 나노섬유(calcinated nanofiber)를 제조하기 위해 상기 전자방사된 재료를 하소하는(calcine) 단계를 더 포함하는, 상기 나노 섬유를 생성하는 방법.
  27. 제26항에 있어서, 상기 전자방사된 재료를 하소하는 단계는 상기 전자방사된 재료를 열적으로 처리하는 단계, 상기 전자방사된 재료를 화학적으로 처리하는 단계, 또는 이 모두를 포함하는, 상기 나노 섬유를 생성하는 방법.
  28. 제1항 내지 제27항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전자방사된 재료로부터 폴리머를 제거하는(예를 들어, 하소에 의해) 단계를 더 포함하는, 상기 나노 섬유를 생성하는 방법.
  29. 제26항 내지 제28항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전자방사된 재료를 하소하는 단계는 금속 전구체를 금속으로 변환시키는, 상기 나노 섬유를 생성하는 방법.
  30. 제26항 내지 제28항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전자방사된 재료를 하소하는 단계는 금속 전구체를 금속 산화물로 변환시키는, 상기 나노 섬유를 생성하는 방법.
  31. 제26항 내지 제28항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전자방사된 재료를 하소하는 단계는 금속 전구체를 세라믹으로 변환시키는, 상기 나노 섬유를 생성하는 방법.
  32. 제26항 내지 제28항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전자방사된 재료를 하소하는 단계는 제1 금속 전구체를 세라믹으로 변환시키고 제2 금속 전구체를 금속으로 변환시키는, 상기 나노 섬유를 생성하는 방법.
  33. 제26항 내지 제28항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전자방사된 재료를 하소하는 단계는 산화 조건들 하에서 이루어지고, 이에 의해 금속 전구체를 금속 산화물(예를 들어, 세라믹 금속 산화물)로 변환시키는, 상기 나노 섬유를 생성하는 방법.
  34. 제26항 내지 제28항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전자방사된 재료를 하소하는 단계는 불활성 또는 환원 조건들 하에서 이루어지고, 이에 의해 금속 전구체를 금속으로 변환시키는, 상기 나노 섬유를 생성하는 방법.
  35. 제1항 내지 제34항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전자방사된 재료를 하소하는 단계는 상기 전자방사된 재료를 적어도 400℃의 온도까지 가열하는 단계를 포함하는, 상기 나노 섬유를 생성하는 방법.
  36. 제1항 내지 제35항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 유체 원료는 제2 유체와 공동 축으로(co-axially) 전자 방사되는, 상기 나노 섬유를 생성하는 방법.
  37. 제36항에 있어서, 상기 제2 유체는 가스인(예를 들어, 공기), 상기 나노 섬유를 생성하는 방법.
  38. 제36항에 있어서, 상기 제2 유체는 제2 금속 전구체와 제2 폴리머를 포함하는 제2 유체 원료이고, 여기에서 상기 금속 전구체와 제2 금속 전구체는 동일하거나 서로 다르고, 상기 폴리머와 제2 폴리머는 동일하거나 서로 다르고, 상기 방법은 층을 이룬 나노섬유(layered nanofiber)를 생성하는, 상기 나노 섬유를 생성하는 방법.
  39. 금속 전구체와 폴리머를 포함하는 전자 방사된 나노 섬유에 있어서, 상기 금속 전구체와 폴리머는 적어도 1:2의 중량 대 중량비로 존재하는(예를 들어, 적어도 1:1), 상기 전자 방사된 나노 섬유.
  40. 제39항에 있어서, 제1항 내지 제24항 중 어느 한 항의 방법에 따라 제조된 상기 전자방사된 나노 섬유.
  41. 제39항 또는 제40항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전자 방사된 나노 섬유는 유기 폴리머 및 금속 전구체의 중량으로 적어도 90% 포함하는, 상기 전자 방사된 나노 섬유.
  42. 제39항 내지 제41항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전자 방사된 나노 섬유는 적어도 10 원소 중량 %의 금속을 포함하는, 상기 전자 방사된 나노 섬유.
  43. 금속, 금속 산화물, 세라믹, 또는 이들의 조합을 포함하는 복수의 나노 섬유들로서,
    a. 상기 나노 섬유들은 평균적으로 적어도 1 ㎛의 길이이거나;
    b. 상기 나노 섬유들은 적어도 약 5의 평균 애스펙트 비(aspect ratio)를 가지거나;
    c. 상기 나노 섬유들은 금속, 금속 산화물, 세라믹, 또는 이들 조합의 연속적인 매트릭스(a continuous matrix)를 포함하거나;
    d. 상기 나노 섬유들은 1 ㎡/g 및 1000 ㎡/g 사이의 평균 비표면적(specific surface area)을 가지거나; 또는
    e. 이들의 조합인, 상기 나노 섬유들.
  44. 제43항에 있어서, 상기 나노 섬유들은 금속, 금속 산화물, 세라믹, 또는 이들 조합의 연속적인 매트릭스를 포함하는, 상기 나노 섬유들.
  45. 제43항 또는 제44항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 나노 섬유들은 적어도 33%(w/w)의 금속, 금속 산화물, 세라믹, 또는 함께 취해지거나, 이들 조합을 포함하는, 상기 나노 섬유들.
  46. 제43항 내지 제45항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 나노 섬유들은 적어도 90 원소 중량 %의 금속을 포함하는 금속 나노 섬유들인, 상기 나노 섬유들.
  47. 제43항 내지 제45항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 나노 섬유들은 적어도 90%의 금속 산화물 및 적어도 30 원소 중량 %의 금속을 포함하는 금속 산화물 나노 섬유들인, 상기 나노 섬유들.
  48. 제43항 내지 제45항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 나노 섬유들은 적어도 90%의 세라믹 및 적어도 30 원소 중량 %의 금속을 포함하는 세라믹 나노 섬유들인, 상기 나노 섬유들.
  49. 제43항 내지 제45항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 나노 섬유들은 적어도 90%의 금속 합금 및 적어도 30 원소 중량 %의 금속을 포함하는 금속 합금 나노 섬유들인, 상기 나노 섬유들.
  50. 제43항 내지 제45항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 나노 섬유들은 제1 재료 및 제2 재료를 포함하는 복합 나노 섬유들이고, 상기 제1 재료는 연속 매트릭스 재료이고, 상기 제1 재료 및 제2 재료 중 하나 또는 모두는 금속, 금속 산화물, 세라믹, 또는 이들의 조합인, 상기 나노 섬유들.
  51. 제50항에 있어서, 상기 제2 재료는 제2 연속적인 매트릭스 재료인(예를 들어, 상기 제1 및 제2 연속적인 매트릭스 재료들은 동축의 층들(coaxial layers)이다), 상기 나노 섬유들.
  52. 제50항에 있어서, 상기 제2 재료는 상기 나노 섬유들의 절연된 영역들(isolated domains)을 포함하는, 상기 나노 섬유들.
  53. 제50항 내지 제52항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 및 제2 재료들 중 하나 또는 모두는 금속을 포함하고 상기 나노 섬유들은 평균 적어도 20 원소 중량 %의 금속을 포함하는, 상기 나노 섬유들.
  54. 제50항 내지 제53항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 재료는 세라믹이고 상기 제2 재료는 금속인, 상기 나노 섬유들.
  55. 제50항 내지 제53항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 재료는 금속이고 상기 제2 재료는 금속인, 상기 나노 섬유들.
  56. 제50항 내지 제53항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 재료는 세라믹이고 상기 제2 재료는 세라믹인, 상기 나노 섬유들.
  57. 제50항 내지 제56항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 나노 섬유들은 평균 적어도 30 원소 중량 %의 금속을 포함하는, 상기 나노 섬유들.
  58. 제57항에 있어서, 상기 나노 섬유들은 평균 적어도 50 원소 중량 %의 금속을 포함하는, 상기 나노 섬유들.
  59. 제43항 내지 제58항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 금속은 Ag, Cu, Ni, Fe, Co, Pb, Au, Sn, Al, 및 이들의 조합들로 구성된 그룹으로부터 선택되는, 상기 나노 섬유들.
  60. 제43항 내지 제59항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 세라믹 또는 금속 산화물은 Al2O3, ZrO2, Fe2O3, CuO, NiO, ZnO, CdO, C, Ge, Si, SiO2, TiO2, V2O5, VO2, Fe3O4, SnO, SnO2, CoO, CoO2, Co3O4, HfO2, BaTiO3, SrTiO3, 및 BaSrTiO3로 구성된 그룹으로부터 선택되는, 상기 나노 섬유들.
  61. 제43항 내지 제60항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 나노 섬유들은 금속-비금속 합금을 포함하는, 상기 나노 섬유들.
  62. 제43항 내지 제61항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 나노 섬유들은 전도성 재료를 포함하고, 상기 나노 섬유들은 시트(sheet)로 형성되었을 때 상기 전도성 재료의 전도도와 비교할 때 적어도 약 10%의 전도도를 가지는, 상기 나노 섬유들.
  63. 제43항 내지 제62항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 나노 섬유들은 비정질 세라믹의 연속적인 매트릭스를 포함하고, 적어도 0.075MPa/nm의 평균 극한강도 대 직경 비(average ultimate strength-to-diameter ratio); 적어도 0.15GPa/nm의 평균 영률 대 직경 비(average Young's modulus-to-diameter ratio); 및 적어도 0.6MPa·m½의 평균 파괴 인성(average fracture toughness)을 포함하는, 상기 나노 섬유들.
  64. 제43항 내지 제62항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 나노 섬유들은 비정질 세라믹의 연속적인 매트릭스를 포함하고, 적어도 0.15MPa/nm의 평균 극한강도 대 직경 비; 적어도 0.3GPa/nm의 평균 영률 대 직경 비; 및 적어도 0.7MPa·m½의 평균 파괴 인성을 포함하는, 상기 나노 섬유들.
  65. 제43항 내지 제62항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 나노 섬유들은 결정질 세라믹의 연속적인 매트릭스를 포함하고, 적어도 5MPa/nm의 평균 극한강도 대 직경 비; 및 적어도 1.5GPa/nm의 평균 영률 대 직경 비를 포함하는, 상기 나노 섬유들.
  66. 제43항 내지 제62항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 나노 섬유들은 결정질 세라믹의 연속적인 매트릭스를 포함하고, 적어도 12.5MPa/nm의 평균 극한강도 대 직경비; 및 적어도 4GPa/nm의 평균 영률 대 직경 비를 포함하는, 상기 나노 섬유들.
  67. 제65항 또는 제66항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 나노 섬유들은 적어도 1.8MPa·m½의 평균 파괴 인성을 가지는, 상기 나노 섬유들.
  68. 제43항 내지 제62항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 나노 섬유들은 금속의 연속적인 매트릭스를 포함하고, 적어도 0.35MPa/nm의 평균 극한강도 대 직경 비 및 적어도 1.1GPa/nm의 평균 영률 대 직경 비를 가지는, 상기 나노 섬유들.
  69. 제43항 내지 제62항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 나노 섬유들은 금속의 연속적인 매트릭스를 포함하고, 적어도 0.9MPa/nm의 평균 극한강도 대 직경 비 및 적어도 2.9GPa/nm의 평균 영률 대 직경 비를 가지는, 상기 나노 섬유들.
  70. 제68항 또는 제69항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 나노 섬유들은 적어도 3.5MPa·m½의 평균 파괴 인성을 가지는, 상기 나노 섬유들.
  71. 제68항 내지 제70항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 나노 섬유들은 대량 재료(bulk material)로 약 0.9의 log(S/m) 대 log(S/m) 비(log(S/m) to log(S/m) ratio)를 가지는, 상기 나노 섬유들.
  72. 제43항 내지 제71항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 나노 섬유들은 적어도 1미크론의 평균 길이를 가지는, 상기 나노 섬유들.
  73. 제43항 내지 제72항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 나노 섬유들은 적어도 1000nm이하의 평균 직경을 가지는, 상기 나노 섬유들.
  74. 제43항 내지 제72항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 나노 섬유들은 적어도 5의 평균 애스펙트 비를 가지는, 상기 나노 섬유들.
  75. 제74항에 있어서, 상기 나노 섬유들은 적어도 1000의 평균 애스펙트 비를 가지는, 상기 나노 섬유들.
  76. 제43항 내지 제72항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 나노 섬유들은 원소 질량으로 평균 5%이하의 탄소를 포함하는, 상기 나노 섬유들.
  77. 제1항 내지 제42항 중 어느 한 항에 있어서, 제43항 내지 제76항 중 어느 한 항의 나노 섬유가 생성되는, 상기 나노 섬유를 생성하는 방법.
  78. 제43항 내지 제76항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 나노 섬유들은 센서, 배터리, 연료 전지, 태양 전지, 울트라 커패시터(ultracapacitor), 촉매, 막(membrane), 또는 전극에서 사용하기 위한 것인, 상기 나노 섬유들.
  79. (a) 폴리머, 및 (b) 금속 전구체를 포함하는 물 함유 유체 합성물로서, 상기 유체 합성물은 (i) 용액, (ⅱ) 실질적으로 균일한 분산의 금속 전구체를 포함하는 합성물, 또는 (ⅲ) 실질적으로 균질한 분산의 금속 전구체를 포함하는 합성물이고, (1) 상기 전구체 대 폴리머의 중량 대 중량비는 적어도 1:2(예를 들어, 적어도 1:1), 또는 (2) 전구체의 농도는 적어도 200mM인(예를 들어, 적어도 250mM), 상기 물 함유 유체 합성물.
KR1020147008334A 2011-08-30 2012-08-30 금속 및 세라믹 나노 섬유들 KR101891239B1 (ko)

Applications Claiming Priority (5)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US201161528895P 2011-08-30 2011-08-30
US61/528,895 2011-08-30
US201261636095P 2012-04-20 2012-04-20
US61/636,095 2012-04-20
PCT/US2012/053097 WO2013033367A1 (en) 2011-08-30 2012-08-30 Metal and ceramic nanofibers

Related Child Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020187023687A Division KR20180107158A (ko) 2011-08-30 2012-08-30 금속 및 세라믹 나노 섬유들

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20140074316A true KR20140074316A (ko) 2014-06-17
KR101891239B1 KR101891239B1 (ko) 2018-09-28

Family

ID=47756865

Family Applications (2)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020187023687A KR20180107158A (ko) 2011-08-30 2012-08-30 금속 및 세라믹 나노 섬유들
KR1020147008334A KR101891239B1 (ko) 2011-08-30 2012-08-30 금속 및 세라믹 나노 섬유들

Family Applications Before (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020187023687A KR20180107158A (ko) 2011-08-30 2012-08-30 금속 및 세라믹 나노 섬유들

Country Status (11)

Country Link
US (2) US20140332733A1 (ko)
EP (2) EP2751316B1 (ko)
JP (2) JP6266519B2 (ko)
KR (2) KR20180107158A (ko)
CN (1) CN103975100A (ko)
AU (2) AU2012301877B2 (ko)
BR (1) BR112014004933A2 (ko)
CA (1) CA2846848C (ko)
IL (1) IL231192B (ko)
SG (1) SG11201400230SA (ko)
WO (1) WO2013033367A1 (ko)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20190007590A (ko) * 2017-07-13 2019-01-23 주식회사 엘지화학 구조체의 제조방법
KR101941126B1 (ko) * 2017-08-01 2019-01-23 한국세라믹기술원 고비표면적을 갖는 다공성 제올라이트 나노섬유 복합체 제조 방법
KR20190051975A (ko) * 2016-09-27 2019-05-15 유니티카 가부시끼가이샤 금속 나노와이어

Families Citing this family (72)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9217211B2 (en) 2009-03-24 2015-12-22 North Carolina State University Method for fabricating nanofibers
US9217210B2 (en) * 2009-03-24 2015-12-22 North Carolina State University Process of making composite inorganic/polymer nanofibers
US9718054B2 (en) 2010-05-24 2017-08-01 Siluria Technologies, Inc. Production of ethylene with nanowire catalysts
US10227568B2 (en) 2011-03-22 2019-03-12 Nanofiber Solutions, Llc Fiber scaffolds for use in esophageal prostheses
MY162772A (en) 2011-05-24 2017-07-14 Siluria Technologies Inc Catalysts for oxidative coupling of methane
BR112014012795B1 (pt) 2011-11-29 2022-04-12 Siluria Technologies, Inc Material catalítico na forma de uma microesfera prensada, extrusado ou monólito e método para o acoplamento oxidativo de metano
US9446397B2 (en) 2012-02-03 2016-09-20 Siluria Technologies, Inc. Method for isolation of nanomaterials
US9879363B2 (en) 2012-03-19 2018-01-30 Cornell University Method for preparing a nanofiber or non-woven mat
US9370096B2 (en) 2012-04-18 2016-06-14 Cornell University Method of making conducting polymer nanofibers
US20140121433A1 (en) 2012-05-24 2014-05-01 Siluria Technologies, Inc. Catalytic forms and formulations
WO2014043612A1 (en) * 2012-09-17 2014-03-20 Cornell University Carbonaceous metal/ceramic nanofibers
EP2900409B1 (en) 2012-09-27 2019-05-22 Rhodia Operations Process for making silver nanostructures and copolymer useful in such process
EP2969184A4 (en) 2013-03-15 2016-12-21 Siluria Technologies Inc CATALYSTS FOR PETROCHEMICAL CATALYSIS
CN104109909B (zh) * 2013-04-18 2018-09-04 财团法人工业技术研究院 纳米金属线材与其制作方法
CN103305964B (zh) * 2013-06-24 2015-08-12 清华大学 NiO基稀磁半导体纳米纤维及其制备方法
JP6685909B2 (ja) 2013-08-21 2020-04-22 コーネル・ユニバーシティーＣｏｒｎｅｌｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ 多孔性カーボンナノファイバー及びその製造方法
KR102250489B1 (ko) * 2013-12-04 2021-05-12 코넬 유니버시티 세라믹-폴리머 하이브리드 나노구조들, 이들을 생산하기 위한 방법들 및 응용들
CN104746160A (zh) * 2013-12-27 2015-07-01 中国科学院上海硅酸盐研究所 红外透过率/反射率可变的纳米复合纤维以及制备方法
WO2015168601A2 (en) 2014-05-02 2015-11-05 Siluria Technologies, Inc. Heterogeneous catalysts
CN103979599B (zh) * 2014-05-16 2016-02-10 齐鲁工业大学 一种双组分氧化物纳米带的制备方法
EP3174632A1 (en) * 2014-08-01 2017-06-07 Tallinn University of Technology A substrate and a method for purification and analysis of fluids
PL3194070T3 (pl) 2014-09-17 2021-06-14 Lummus Technology Llc Katalizatory do utleniającego sprzęgania metanu i utleniającego odwodornienia etanu
JP6342345B2 (ja) * 2015-02-09 2018-06-13 三菱重工業株式会社 金属製ナノコイルの製造方法
US10461321B2 (en) * 2015-02-18 2019-10-29 Nanotek Instruments, Inc. Alkali metal-sulfur secondary battery containing a pre-sulfurized cathode and production process
CN104897316B (zh) * 2015-06-16 2017-09-26 青岛大学 一种电容式超薄柔性应力传感器及其制备方法
CN104894691B (zh) * 2015-06-29 2016-05-11 吉首大学 一种静电纺丝法制备Fe2O3/V2O5复合纤维的方法
DE102015113217B4 (de) 2015-08-11 2018-12-20 Hochschule Hannover Verfahren zur Herstellung von Nano- und/oder Mikropartikel aufweisenden Polymerfasern sowie von daraus erhältlichen keramisierten Fasern, die Polymerfaser selbst und daraus erhältliche keramisierte Fasern sowie deren Verwendung
CN106505216B (zh) * 2015-09-03 2019-11-12 韩国能量技术研究院 金属氧化物-碳纳米物质复合体、催化剂、燃料电池电极用催化剂层及这些制造方法
US11784303B2 (en) 2015-09-22 2023-10-10 Ii-Vi Delaware, Inc. Immobilized chalcogen and use thereof in a rechargeable battery
US10734638B2 (en) 2015-09-22 2020-08-04 Ii-Vi Delaware, Inc. Immobilized selenium, a method of making, and uses of immobilized selenium in a rechargeable battery
US11588149B2 (en) 2015-09-22 2023-02-21 Ii-Vi Delaware, Inc. Immobilized selenium in a porous carbon with the presence of oxygen, a method of making, and uses of immobilized selenium in a rechargeable battery
US10953097B2 (en) * 2015-11-02 2021-03-23 Nanofiber Solutions. Llc Electrospun fibers having contrast agents and methods of making the same
WO2017083464A1 (en) 2015-11-12 2017-05-18 Cornell University Alternating current electrospray manufacturing and products thereof
US11211598B2 (en) * 2015-11-16 2021-12-28 The Regents Of The University Of California Metal oxide nanofiber electrode and method
CN105478102A (zh) * 2016-02-05 2016-04-13 扬州大学 用于电催化降解有机废水的催化剂的制备方法
US20170362740A1 (en) * 2016-06-16 2017-12-21 Eurekite Holding BV Flexible ceramic fibers and polymer composite and method of making the same
CN106634985A (zh) * 2016-09-22 2017-05-10 上海洞舟实业有限公司 一种新型的下转换红外发射材料的制备
CN106435776A (zh) * 2016-11-15 2017-02-22 上海理工大学 一种四级同轴高压静电纺丝装置及纺丝方法
CN106381532B (zh) * 2016-11-21 2018-07-31 上海理工大学 具有材料梯度分布特征纳米纤维的电纺制备方法
CN108166091A (zh) * 2016-12-07 2018-06-15 中国科学院大连化学物理研究所 一种多孔复合纳米纤维及其制备及电极
CN108607564B (zh) * 2016-12-09 2021-08-31 中国科学院大连化学物理研究所 一种甲醇重整催化剂及其制备和应用
US10934016B2 (en) * 2016-12-12 2021-03-02 Raytheon Technologies Corporation Protective shield including hybrid nanofiber composite layers
US11870059B2 (en) 2017-02-16 2024-01-09 Consejo Superior De Investigaciones Cientificas (Csic) Immobilized selenium in a porous carbon with the presence of oxygen, a method of making, and uses of immobilized selenium in a rechargeable battery
CN106601501A (zh) * 2017-03-07 2017-04-26 扬州大学 超级电容器用三维带状结构AlV3O9电极材料的制备方法
CN107299411B (zh) * 2017-06-26 2019-06-25 苏州威尔德工贸有限公司 一种蚕丝复合保温纤维的制备方法
CN108011086B (zh) * 2017-11-22 2020-06-02 商丘师范学院 一种Ge/C复合纳米纤维的制备方法
CN109913970A (zh) * 2017-12-12 2019-06-21 中国科学院大连化学物理研究所 一种多孔纳米纤维及其制备及电极
CN110042500A (zh) * 2018-01-15 2019-07-23 哈尔滨工业大学 一种四氧化三铁/二氧化硅复合纤维吸波材料的制备方法
CN108498868B (zh) * 2018-04-03 2020-09-15 北京大学口腔医学院 具有细胞外基质电学拓扑特征的带电复合膜及其制备方法
US20230038283A1 (en) * 2018-05-03 2023-02-09 Jack L. Skinner Hybrid electrospinner for core-shell fiber fabrication
CN108866810A (zh) * 2018-05-31 2018-11-23 西北工业大学 具有电磁吸波性能的柔性碳化铪/碳化硅复合纳米纤维薄膜及制备方法
KR101973901B1 (ko) * 2018-06-22 2019-04-29 한국과학기술원 키토산-금속 복합물을 활용하여, 나노촉매가 기능화된 금속산화물 나노섬유 및 이를 이용한 가스센서용 부재, 가스센서 및 그 제조방법
CN109107565A (zh) * 2018-09-27 2019-01-01 曲阜师范大学 三氧化二铬纳米纤维催化剂的制备方法和应用
CN109402759A (zh) * 2018-10-29 2019-03-01 钟祥博谦信息科技有限公司 一种氧化铜掺杂五氧化二钒的纳米纤维的制备方法及其应用
JP7169868B2 (ja) * 2018-12-19 2022-11-11 株式会社日本製鋼所 ナノ物質含有樹脂複合体の製造方法、ナノ物質含有樹脂複合体の製造装置および透明導電性膜を有する装置の製造方法
GB2598837B (en) * 2019-02-08 2023-09-13 Ii Vi Delaware Inc Immobilized selenium in a porous carbon with the presence of oxygen, and uses in a rechargeable battery
KR102136367B1 (ko) * 2019-04-04 2020-07-21 서울대학교산학협력단 NiP2-탄소나노섬유 복합체의 제조방법 및 이에 따라 제조된 NiP2-탄소나노섬유 복합체
CN111403181A (zh) * 2019-05-01 2020-07-10 江西师范大学 一种制备具有超高容量且稳定的电容器负极材料的方法
US20200360513A1 (en) * 2019-05-17 2020-11-19 Sila Nanotechnologies Inc. Nanofiber compositions for a vaccine adjuvant, porous scaffold or porous membrane
CN112391698B (zh) * 2019-08-19 2022-10-11 Tcl科技集团股份有限公司 纳米材料及其制备方法和量子点发光二极管
CN115335558A (zh) * 2020-03-26 2022-11-11 株式会社村田制作所 复合纤维
JP7173401B2 (ja) * 2020-03-26 2022-11-16 株式会社村田製作所 複合繊維
CN112301549B (zh) * 2020-10-20 2022-08-23 西安工程大学 一种静电纺金属纤维-铜复合高温导电膜层及其制备方法
CN112609247B (zh) * 2020-11-06 2022-05-10 东北大学 一种静电纺丝法制备银氧化锡电接触材料的方法
CN112624738B (zh) * 2020-12-02 2022-05-24 江苏奥尼韦尔自动化科技有限公司 一种陶瓷纤维材料的制备方法
CN112807854B (zh) * 2021-01-28 2022-05-17 宁波方太厨具有限公司 一种用于过滤油烟的滤网的制备方法
WO2022190071A1 (en) * 2021-03-10 2022-09-15 Rezaeian Mehr Hamidreza Synthesis and fabrication of zinc oxide copper oxide composite nanofibers with antimicrobial properties and the ability to coat various fabrics
KR102485055B1 (ko) * 2021-04-02 2023-01-06 한국전력공사 다공성 금속 나노튜브, 이의 제조방법 및 이를 이용한 가스센서
CN113351874B (zh) * 2021-04-28 2022-05-17 攀钢集团攀枝花钢铁研究院有限公司 一种钒铬钛粉的制备方法
CN113481656B (zh) * 2021-06-30 2022-09-20 攀钢集团研究院有限公司 高纯五氧化二钒纳米纤维无纺布的制备方法
WO2023141646A2 (en) * 2022-01-24 2023-07-27 Ohio State Innovation Foundation Polymer derived ceramics and processes for making polymer derived ceramics
GB202210835D0 (en) * 2022-07-25 2022-09-07 Imperial College Innovations Ltd Process for preparing porous metal fibre mats

Family Cites Families (24)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100549140B1 (ko) * 2002-03-26 2006-02-03 이 아이 듀폰 디 네모아 앤드 캄파니 일렉트로-브로운 방사법에 의한 초극세 나노섬유 웹제조방법
US7326043B2 (en) 2004-06-29 2008-02-05 Cornell Research Foundation, Inc. Apparatus and method for elevated temperature electrospinning
KR100675923B1 (ko) * 2005-12-01 2007-01-30 전남대학교산학협력단 금속산화물 복합 나노 활성탄소섬유와 이를 이용한전기이중층 슈퍼캐퍼시터용 전극 및 그 제조 방법
KR100812357B1 (ko) * 2005-12-23 2008-03-11 한국과학기술연구원 초고감도 금속산화물 가스센서 및 그 제조방법
US9267220B2 (en) 2006-03-31 2016-02-23 Cornell University Nanofibers, nanotubes and nanofiber mats comprising crystaline metal oxides and methods of making the same
ATE408036T1 (de) * 2006-06-13 2008-09-15 Univ Sabanci Kohlenstoffnanofasern enthaltend katalytisch wirksame nanoteilchen
EP2061918A2 (en) 2006-09-06 2009-05-27 Corning Incorporated Nanofibers, nanofilms and methods of making/using thereof
WO2008111960A2 (en) * 2006-09-29 2008-09-18 University Of Akron Metal oxide fibers and nanofibers, method for making same, and uses thereof
CN101235558A (zh) * 2008-03-12 2008-08-06 长春理工大学 钙钛矿型稀土复合氧化物多孔空心纳米纤维制备方法
JP5105075B2 (ja) 2008-03-27 2012-12-19 国立大学法人広島大学 無機繊維シートの製造方法
CN101266225B (zh) * 2008-04-28 2010-12-29 吉林大学 电纺丝法制备陶瓷基半导体纳米纤维气敏传感器的方法
US20100028674A1 (en) * 2008-07-31 2010-02-04 Fredrick O Ochanda Nanofibers And Methods For Making The Same
KR101014260B1 (ko) * 2008-09-11 2011-02-16 주식회사 아모그린텍 전기 방사를 이용하여 제조된 초고용량 커패시터용 전극 및그의 제조방법
KR101071704B1 (ko) * 2008-10-07 2011-10-11 한국과학기술연구원 백금계 나노섬유 및 그의 제조방법
JP5375022B2 (ja) * 2008-10-17 2013-12-25 旭硝子株式会社 繊維の製造方法および触媒層の製造方法
KR101191386B1 (ko) 2008-12-19 2012-10-15 한국전자통신연구원 센서용 산화물 반도체 나노섬유 제조 방법 및 그를 이용한 가스 센서
KR101265093B1 (ko) * 2008-12-26 2013-05-16 한국과학기술연구원 나노 분말, 나노 잉크 및 마이크로 로드와 그 제조 방법
JP2011073912A (ja) * 2009-09-30 2011-04-14 National Institute Of Advanced Industrial Science & Technology ナノ構造体形成方法
WO2011054701A1 (de) 2009-11-04 2011-05-12 Basf Se Verfahren zur herstellung von nanofasern
JP5642956B2 (ja) 2009-11-17 2014-12-17 ニチアス株式会社 無機繊維の製造方法
KR101142854B1 (ko) * 2009-12-23 2012-05-08 한국과학기술연구원 나노섬유 및 그 제조방법
CN101905974B (zh) * 2010-02-05 2011-11-16 西安理工大学 陶瓷纳米复合纤维的静电纺丝制备方法
KR100995154B1 (ko) * 2010-02-11 2010-11-18 전남대학교산학협력단 다공성탄소나노섬유 제조방법, 상기 방법으로 제조된 다공성탄소나노섬유, 및 이를 포함하는 탄소나노섬유응용제품
US9102570B2 (en) * 2011-04-22 2015-08-11 Cornell University Process of making metal and ceramic nanofibers

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20190051975A (ko) * 2016-09-27 2019-05-15 유니티카 가부시끼가이샤 금속 나노와이어
KR20190007590A (ko) * 2017-07-13 2019-01-23 주식회사 엘지화학 구조체의 제조방법
KR101941126B1 (ko) * 2017-08-01 2019-01-23 한국세라믹기술원 고비표면적을 갖는 다공성 제올라이트 나노섬유 복합체 제조 방법

Also Published As

Publication number Publication date
AU2017203883A1 (en) 2017-06-29
EP2751316B1 (en) 2017-11-29
JP6266519B2 (ja) 2018-01-24
US20210283084A1 (en) 2021-09-16
BR112014004933A2 (pt) 2017-04-04
CA2846848C (en) 2018-11-27
EP2751316A4 (en) 2015-06-17
AU2012301877A1 (en) 2014-03-20
KR20180107158A (ko) 2018-10-01
IL231192B (en) 2019-01-31
AU2012301877B2 (en) 2017-03-16
EP3358050A1 (en) 2018-08-08
US20190175536A1 (en) 2019-06-13
KR101891239B1 (ko) 2018-09-28
US20140332733A1 (en) 2014-11-13
JP2014531519A (ja) 2014-11-27
CA2846848A1 (en) 2013-03-07
JP2018104878A (ja) 2018-07-05
SG11201400230SA (en) 2014-05-29
EP2751316A1 (en) 2014-07-09
WO2013033367A1 (en) 2013-03-07
CN103975100A (zh) 2014-08-06
IL231192A0 (en) 2014-04-30

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR101891239B1 (ko) 금속 및 세라믹 나노 섬유들
US9102570B2 (en) Process of making metal and ceramic nanofibers
Sun et al. One‐dimensional nanostructured pseudocapacitive materials: design, synthesis and applications in supercapacitors
Liang et al. Recent advances in electrospun nanofibers for supercapacitors
Lal et al. High entropy oxides—a cost-effective catalyst for the growth of high yield carbon nanotubes and their energy applications
Zhang et al. Transition metal oxides with one-dimensional/one-dimensional-analogue nanostructures for advanced supercapacitors
Lv et al. Hierarchical “tube-on-fiber” carbon/mixed-metal selenide nanostructures for high-performance hybrid supercapacitors
Luan et al. The integration of SnO2 dots and porous carbon nanofibers for flexible supercapacitors
Peng et al. Electrospun carbon nanofibers and their hybrid composites as advanced materials for energy conversion and storage
KR101818817B1 (ko) 2차원 층상 구조를 갖는 금속 황화물이 중공 구조의 탄소나노섬유에 결착된 수소 발생 촉매 및 이의 제조 방법
US9816206B2 (en) Carbonaceous metal/ceramic nanofibers
Maity et al. Single pot fabrication of N doped reduced GO (N-rGO)/ZnO-CuO nanocomposite as an efficient electrode material for supercapacitor application
KR101360403B1 (ko) 다공성 금속산화물 나노섬유, 그의 제조 방법 및 이를 포함하는 장치
US20150224739A1 (en) High performance nanofibers and mats
Xu et al. Electrospun porous LiNb 3 O 8 nanofibers with enhanced lithium-storage properties
Ahmad et al. MOFs-derived niobium oxide nanoparticles/carbon nanofiber hybrid paper as flexible binder-free electrode for solid-state asymmetric supercapacitors
Belgibayeva et al. A review on the electrospun polyvinylpyrrolidone-derived carbon composite nanofibers as advanced functional materials for energy storage applications and beyond
Rahat et al. A comprehensive review of carbon nanotube-based metal oxide nanocomposites for supercapacitors
Zhang et al. Polymer nanoreactor mediated controllable synthesis of flexible semiconductor quantum dot nanofiber films
KR101336276B1 (ko) 열전 나노튜브의 제조방법
US12005040B2 (en) Metal and ceramic nanofibers
KR101859817B1 (ko) 금속 나노입자가 코팅된 금속-금속산화물 또는 금속산화물-금속산화물의 이종 복합체로 구성된 일차원 다공성 나노튜브, 이를 포함하는 고용량 이차전지용 음극활물질 및 그 제조방법
KR101684768B1 (ko) 속이 빈 나노 금속 산화물 입자 응집체 및 그 제조방법
CN116013702A (zh) 一种富含杂原子掺杂的高度褶皱多孔石墨烯及其制备方法

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
A302 Request for accelerated examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right