WO2022230612A1 - クウォンタムドット・カーボン及びその製造方法 - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to quantum dot carbon, which is a carbon material that is useful in various fields and exhibits high functionality, and a method for producing the same.
- Carbon is one of the important constituents of all organic substances and life activities. Although it is a non-metal, it has high thermal and electrical conductivity, a small coefficient of thermal expansion, and is highly stable against chemicals. It has many advantages such as being
- the carbon atom has four valence electrons and three or four non-bonding bonds (dangling bonds).
- fullerenes and carbon nanotubes have properties that conventional graphite does not have, such as fineness and strong ion adsorption, so they are attracting attention as new carbon materials in the field of nanocarbon, and are being researched in various fields. have been developed and put into practical use.
- fullerenes and carbon nanotubes are manufactured by heating, evaporating, and crystallizing coke or polymer compounds using, for example, plasma or laser. Therefore, fullerenes and carbon nanotubes are also graphitized as giant allotropes of carbon having covalent bonds of 6 carbon atoms.
- one carbon contained in fullerene and carbon nanotube has only one ion adsorption capacity, and fullerene composed of 60 carbon atoms has ion adsorption capacity of 60 and 1000 carbon atoms.
- the ion adsorption capacity of nanotubes is limited to 1,000.
- the oxide compound evaporates and an allotrope of carbon can be obtained, but the graphitization progresses and hardens.
- the carbonized material (charcoal) obtained by increasing the carbonization temperature of the plant raw material to a high temperature is a state in which six carbon atoms are covalently bonded to each other and are stacked in the front, back, left, and right directions, and crystallized (graphitized). be.
- Such a carbon material has high electrical conductivity, is extremely stable, is difficult to combine with other substances, and is limited to utilizing its excellent physical properties.
- the inventors of the present invention have already developed an atomic carbon material as a very useful carbon material having an ion adsorption capacity (combining force with other substances) far superior to that of crystallized carbon materials such as fullerenes and nanotubes. and its manufacturing method (Japanese Patent No. 5095997).
- the above atomic carbon material is made into quantum dots to further promote microparticulation.
- An object of the present invention is to provide an atomic carbon material, which is composed of ultrafine nanoparticles having a diameter of about 0.5 nm (nanometers) or less, and further has increased organic properties, such as quantum dot carbon. and to provide a method for producing the quantum dot carbon.
- the present invention provides atomic carbon composed of ultrafine nanoparticles of one carbon atom or ultrafine nanoparticles composed of a composite of up to 2 to 3 carbon atoms. (defined as “quantum dot carbon”).
- quantum dot carbon As described above, the quantum dot carbon of the present invention is a composite with one carbon atom or two to three carbon atoms, and is extremely fine-grained.
- the production method according to the present invention uses, as raw materials, covalently bonded organic substances (among others, plants) that do not contain elemental carbon, and the organic substances are heated in sequence at a predetermined temperature in an inert atmosphere (for example, a nitrogen atmosphere). Then, the desired components other than carbon (e.g., gaseous components such as oxygen and water vapor) in the atmosphere and the organic matter are thermally decomposed into carbon in order at a temperature of 450 ° C. or less, starting with the component with the lowest decomposition temperature. are individually liberated and the decomposed components are expelled from the atmosphere while maintaining an inert atmosphere each time, and the resulting massive quantum dot carbon is subjected to 450°C in an inert atmosphere.
- the quantum dot carbon of the present invention has an ion adsorption capacity of 240, which is four times the ion adsorption capacity of 60 of fullerene composed of 60 carbon atoms. Also, the quantum dot carbon of the present invention has an ion adsorption capacity of 4000, which is four times the ion adsorption capacity of 1000 of carbon nanotubes composed of 1000 carbon atoms. In addition, the quantum dot carbon of the present invention has a molecular structure close to that of a single atom, so it has high activation activity, is extremely active, and can be used for various purposes.
- the quantum dot carbon of the present invention has particle properties or ultra-fine particle properties, unlike conventional carbon that is graphitized, and it is possible to make not only finer particles but also various substances and compounds. .
- it since it is carbon, it is not toxic to the human body, so it is expected to be used in various excellent applications such as medicines, antiviral materials, health promotion materials, and cosmetic agents.
- FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing the configuration of a preferred basic device in the method of manufacturing quantum dot carbon according to the present invention; FIG. It is a process drawing showing the manufacturing process by the quantum dot carbon manufacturing apparatus which concerns on the said embodiment.
- 1 is an ultra-high-resolution scanning transmission electron micrograph at a magnification of 2,000,000 times of quantum dot carbon according to the present invention.
- 1 is an ultra-high-resolution transmission electron micrograph at a magnification of 2,000,000 times of quantum dot carbon according to the present invention.
- 5 is an ultra-high-resolution transmission electron microscope photograph showing the imaging target of FIG. 4 magnified to 4,000,000 times.
- FIG. 1 is a diagram schematically showing quantum dot carbon according to the present invention with an element symbol.
- FIG. 1 is a cross-sectional view showing an example of a manufacturing apparatus for carrying out the method of manufacturing quantum dot carbon according to the present invention.
- the quantum dot carbon manufacturing apparatus comprises an airtight chamber 1, a cartridge 5 detachably attached to the airtight chamber 1 for taking out the quantum dot carbon, and a cartridge 5 installed inside the airtight chamber 1. It is composed of a base 6 and a base 6.
- the inside of the airtight chamber 1 is maintained in a nitrogen atmosphere during the production of quantum dot carbon.
- the inside of the cartridge 5 is kept in the same atmosphere (nitrogen atmosphere) as the airtight chamber 1 .
- An organic material, which is a raw material for quantum dot carbon, is placed on the base 6 .
- the airtight chamber 1 is provided with a gas injection line 9 having a gas injection opening/closing valve 2 and a pyrolysis gas discharge line 10 having a gas discharge opening/closing valve 3 for discharging pyrolyzed gas.
- a heater 4 is incorporated in the airtight chamber 1 to raise the temperature to a predetermined temperature.
- the heater 4 a far-infrared carbon ceramic heater, a carbon filament, or the like, which is installed on the inner peripheral wall of the airtight chamber 1 and can be energized from the outside of the airtight chamber 1 by appropriate means, is used. Furthermore, the heater 4 may be provided not only on the inner peripheral wall of the airtight chamber 1 but also on the bottom.
- FIG. 1 7 is a shutter provided at the entrance of the airtight chamber 1, and when closed, keeps the airtight chamber 1 airtight or in a nitrogen atmosphere.
- Reference numeral 8 denotes a lid or opening/closing door provided on the cartridge 5, and when closed, keeps the cartridge 5 airtight or in a nitrogen atmosphere.
- reference numeral 11 denotes a roller, which is used for conveying the finished quantum dot carbon from the airtight chamber 1 to the cartridge 5 and for conveying the raw material from the cartridge 5 to the airtight chamber 1.
- a roller 11 is also installed at the bottom of the cartridge 5 .
- the manufacturing process by the quantum dot carbon manufacturing apparatus shown in FIG. A first step of replacing the air in the airtight chamber 1 with an inert gas to create an oxygen-free atmosphere; and heating the raw material M in the airtight chamber 1 at a predetermined temperature higher than the temperature of the second step to thermally decompose the initial components other than carbon in the organic matter in order from the lowest decomposition temperature.
- Quantum-dot carbon is produced by a third step of separating and discharging from the airtight chamber 1, and a fourth step of stopping the heating of the raw material M and recovering the quantum-dot carbon remaining in the airtight chamber 1. manufactured.
- the raw material M covalently bonded organic substances (especially plants) that do not contain simple carbon atoms are used.
- the raw material M for the quantum dot carbon used in the first step for example, organic substances that normally exist such as macromolecular substances and living organisms can be used. It is not preferable as the raw material M because the simple substance is crystallized and has a molecular form, and the produced carbon is mixed with molecular carbon. More preferable as the raw material M for quantum dot carbon are covalently bonded organic substances (especially plants) that do not contain elemental carbon, and correspond to biological materials and materials used in the agricultural field. Specific examples of preferred raw materials M include wood pieces, bamboo pieces, grains (red beans, soybeans, etc.) and other plants.
- Fig. 2 is a process diagram showing the manufacturing process by the quantum dot carbon manufacturing equipment. Based on this process diagram, the above-described processing steps will be described in more detail.
- the raw material M made of adzuki beans, which is an organic substance, is loaded on the table 6 in the airtight chamber 1, the shutter 7 is closed, and the pyrolysis gas discharge pipe 10 is opened.
- the airtight chamber 1 is initially heated. The operation takes about 30 minutes from the introduction of the raw material M to the initial stage of the heating operation, and the temperature rise in the pyrolysis chamber during this period is 100° C. or less.
- nitrogen gas 12 and argon gas 13 which are inert gases, for example (other inert gases may also be used. Nitrogen gas is represented here) is injected into the airtight chamber 1 from the gas injection pipe 9.
- the air 14 oxygen, carbon dioxide, etc.
- nitrogen gas 12 oxygen-free state
- the gas injection opening/closing valve 2 and the gas discharge opening/closing valve 3 of the pyrolysis gas discharge line 10 are once closed.
- This gas replacement process is an operation for about 50 minutes, and almost 100% of the gas in the pyrolysis chamber is replaced with inert gas by this process operation.
- the heater 4 is energized to first heat the airtight chamber 1 and the raw material M loaded therein to 100° C. to 150° C., which is a temperature at which moisture evaporates, and the surface of the raw material M is heated.
- the moisture (H2O) adhering to the material M or the moisture leached out from the tissue of the raw material M and the moisture in the nitrogen atmosphere are sufficiently evaporated, and then the gas injection opening and closing valve 2 of the gas injection pipe 9 and the pyrolysis gas discharge
- a gas containing water vapor 15, oxygen, and nitrogen is discharged from the pyrolysis gas discharge line 10 to the outside of the airtight chamber 1 while the gas discharge opening/closing valve 3 of the line 10 is opened and nitrogen is introduced from the gas injection line 9.
- This water evaporation operation may take about 120 minutes, but in order to evaporate the water more completely, it takes a sufficiently long time of about 300 minutes or longer. is good.
- This moisture evaporation operation is an important operation for manufacturing quantum dot carbon for the present invention. Oxygen is thereby almost completely removed from the airtight chamber 1 . During that time, the temperature is kept at 100-150°C. It is preferable to evaporate the water content of the raw material M until the water content of the raw material M is about 15% (about 10 to 25%) or less in weight percent.
- the heater 4 is energized again to heat the raw material M to 200° C. to 350° C. while maintaining the nitrogen atmosphere in the airtight chamber 1, thereby liberating the chlorine compound in the raw material M.
- Chlorine compounds in the raw material M are discharged from the airtight chamber 1 in the same manner as in the case of discharging the moisture and the like. This heating/extraction operation takes about 100 to 120 minutes.
- the heater 4 is further energized to maintain the raw material M at 350° C. to 450° C. while the airtight chamber 1 is maintained in the nitrogen atmosphere, and the same procedure as in the case of discharging the chlorine compound is performed. to liberate the remaining polymer components in the raw material M and discharge them from the airtight chamber 1, completing the third step.
- This heating/extraction operation takes about 50 to 100 minutes.
- the above 350° C. to 450° C. is the highest temperature range in the heat treatment in the present embodiment, but if the heating is performed slowly over a longer period of time, the heating temperature may be raised to 550° C. .
- the electricity to the heater 4 is stopped, low temperature nitrogen is introduced from the gas injection pipe 9, and high temperature nitrogen is discharged from the pyrolysis gas discharge pipe 10, and the inside of the airtight chamber 1 is discharged.
- the temperature is cooled to about 20 to 50° C., and the fourth step is finished. This cooling operation takes about 120 minutes, and is performed until the temperature in the airtight chamber 1 reaches almost normal temperature.
- the shutter 7 is opened to transfer the quantum-dot carbon remaining in the airtight chamber 1 to the cartridge 5, and the quantum-dot carbon is taken out.
- the lumps of quantum dot carbon according to the present invention are produced with the shape of the raw material M partially left.
- Fig. 3 is a photograph of the quantum dot carbon according to the present invention taken at 2,000,000 times with an ultra-high resolution scanning transmission electron microscope.
- the quantum dot carbon is surrounded by a large number of metal ions derived from organic substances to form an annular or spherical structure with a diameter of about 20 nm.
- the above-mentioned "organic-derived metal ions” refer to ions of trace metals (Ca, Zn, Mg, Mn, etc.) inherently present in organic substances (plants).
- the quantum dot carbon represented in FIG. 3 is composed of amorphous ultrafine nanoparticles of one carbon atom, or chains of up to two to three carbon atoms, as described above.
- the quantum dot carbon of the present invention is composed of this energy body and is unalloyed.
- the quantum dot carbon of the present invention can exert various physical, chemical, or biological effects on living organisms or substances by being composed of energy bodies.
- Fig. 4 is a photograph of the quantum dot carbon according to the present invention taken at 2,000,000 times with an ultra-high resolution transmission electron microscope.
- FIG. 5 is an electron microscope photograph showing the photographed object of FIG. 4 magnified 4,000,000 times.
- the portion surrounded by a square frame in FIG. 5 is an observation image of a sample having a side of 10 nm or less and a thickness of 0.2 to 2 ⁇ (angstroms).
- the quantum dot carbon of the present invention is composed of countless amorphous substances in 10 nm, and carbon of about 1 ⁇ to 2 nm at most is aggregated in 10 nm, and the average size is 1.66 ⁇ . Considering the diameter of carbon, 1 ⁇ is one carbon C.
- the rod-like 2 nm object is composed of 2 to 3 carbon atoms bonded in a chain and is in an organic state that does not constitute a graphite carbon hexahedron.
- the image in FIG. 5 is considered to be the world's smallest photographed image of carbon within the scope of the inventor's research.
- FIG. 6 is a schematic representation of the quantum dot carbon according to the present invention with element symbols based on the SP orbital of carbon based on the photograph of FIG.
- carbon has four electrons, and it is known that the combination necessary for life activities and the composition of matter can be made innumerably, and the activity of electrons produces various energies. However, electrons are lost or reduced in number when substances crystallize, making them unable to bond with various other substances.
- the quantum dot carbon of the present invention can activate 4 electrons if C is 1, and 6 electrons if C is 2, and the ion adsorption capacity is 3 times to 24 times that of ordinary graphite carbon. It is double.
- the quantum dot carbon of the present invention exists with C being 1, the particle size is 0.5 nm or less (theoretically 1.66 ⁇ ) and is in a state close to an atom, as shown in FIG. It has the ability to adsorb 4 ions per carbon atom.
- the quantum dot carbon of the present invention has an ion adsorption capacity of 240, which is four times the ion adsorption capacity of 60 of fullerenes composed of 60 carbon atoms.
- the quantum dot carbon of the present invention has an ion adsorption capacity of 4000, which is four times the ion adsorption capacity of 1000 carbon nanotubes composed of 1000 carbon atoms, that is, it has an ion adsorption capacity of 4000. It can be used for various purposes.
- the quantum dot carbon of the present invention has particle properties or ultra-fine particle properties, unlike conventional carbon that is graphitized, and it is possible to make not only finer particles but also various substances and compounds. .
- since it is carbon it is not toxic to the human body, so it is expected to be used in various excellent applications such as medicines, antiviral materials, health promotion materials, and cosmetic agents.
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Abstract
フラーレンやナノチューブよりもはるかに優れたイオン吸着能力を有し、また賦活性が高いクウォンタムドット・カーボン及びその製造方法を提供する。このクウォンタムドット・カーボンは、非晶質の極超微細ナノ粒子から成る原子状の炭素を基とし、この極超微細ナノ粒子が自壊作用を発揮してエネルギー体となるものであり、互いに不規則に集合した塊状、または粒径が0.5nm以下の極超微細粒子体である。このクウォンタムドット・カーボンは、有機物、中でも植物からなる原料を不活性雰囲気において所定の温度で順次、温度を上げて加熱し、前記雰囲気中及び有機物中の炭素以外の所期成分を、450℃以下の温度において分解温度の低いものから順次熱分解させて炭素との結合を個別的に遊離させて製造する。
Description
本発明は、各種分野において有用で、しかも高機能性を発揮する炭素素材であるクウォンタムドット・カーボン及びその製造方法に関するものである。
炭素は、全ての有機物、生命活動の重要な構成要素の一つであり、非金属でありながら、熱や電気の伝導率が高く、熱による膨張率が小さいばかりか薬品などにも強く安定している等、多くの利点を有しており、数多くの分野で用いられている。
そして、炭素原子は価電子が4個あり結合しない3つ又は4つの手(ダングリングボンド)を有している。
また、従来、知られている炭素材料は分子状のものであり、グラファイト(黒鉛)、ダイヤモンド、フラーレン、炭素ナノチューブの四つの結晶質構造を示す同素体が知られている。
殊に、フラーレン、炭素ナノチューブは微細でイオン吸着力が大きいなど従来のグラファイトが有していない性質を有していることからナノカーボンの分野において新規の炭素材料として注目され、各種の分野で研究され、実用化もされている。
ところが、フラーレン、炭素ナノチューブ等の炭素材料は、例えばプラズマやレーザーなどによりコークスや高分子化合物を加熱、蒸発し、結晶化させて製造されている。従って、フラーレン、炭素ナノチューブも炭素原子6個からなる共有結合を有する巨大な炭素同素体としてグラファイト化している。
そのため、フラーレン、炭素ナノチューブに含まれる一つの炭素は1つのイオン吸着能力をそれぞれ有するだけであって、60の炭素原子で構成されるフラーレンではイオン吸着能力は60、1000個の炭素原子で構成されるナノチューブではイオン吸着能力は1000が限度である。
また、コークスを800℃以上で熱処理すると酸化化合物が蒸発して、炭素の同素体を得ることができるが、グラファイト化が進み硬化してしまう。
更に、有機物を熱すると弱い結合の手から順に切れて、水素や酸素が取れて炭素だけからなる物質に次第に変化(炭化)することは知られており、日本では古くから植物を炭化して「木炭」が作られている。
従来の方法により植物を原料として比較的低温で炭化された「木炭」は、一般的に電気伝導率の低い非結晶質(アモルファス)の炭素材料として知られている。従来の炭化方法では、植物原料を炭化する温度を高温にしないと水素や酸素の減少が困難であり、純粋な炭素材料を得ることができない。
また、植物原料の炭化温度を高温にして得られる炭化物(木炭)は、炭素原子6個が共有結合した状態のものが前後左右方向に並んでお互いに積層し結晶化(グラファイト化)したものもある。このような炭素材は、電気伝導度が高く、きわめて安定したものとなり、他の物質と化合させることが困難であり、専ら物理的に優れた性質を利用するに留まっている。
本件の発明者は、すでに、フラーレンやナノチューブ等の結晶化された炭素材料よりも遙かに優れたイオン吸着能力(他の物質との化合力)を有するきわめて有用な炭素材料として原子状炭素材料及びその製造方法を提案した(日本特許第5095997号)。
本発明は、上記原子状炭素材料を量子ドット化してさらに微粒子化を推し進めた。そして、本発明の目的は、特に約0.5nm(ナノメートル)以下の直径を有する極超微細ナノ粒子から構成され、さらに、有機物性をより増大させた原子状の炭素材料をクウォンタムドット・カーボンとして提案し、また、当該クウォンタムドット・カーボンの製造方法を提供することである。
本発明は、上記課題を解決するために、炭素原子1個の極超微細ナノ粒子、或いは炭素原子が2乃至3個までの複合体から成る極超微細ナノ粒子から構成された原子状の炭素(「クウォンタムドット・カーボン」と定義する。)を提供する。本発明のクウォンタムドット・カーボンは、上述したように、炭素原子が1個、或いは炭素原子が2乃至3個までの複合体であり、微細粒子化が極限まで推進されている。
更に、本発明に係る製造方法は原料として、炭素単体を含まない共有結合している有機物(中でも植物)を用い、この有機物を不活性雰囲気(例えば窒素雰囲気)において所定の温度で順次、温度を上げて加熱し、前記雰囲気中及び有機物中の炭素以外の所期成分(例えば、酸素、水蒸気などの気体成分)を、450℃以下の温度において分解温度の低い成分から順次熱分解させて炭素との結合を個別的に遊離させるとともにその都度不活性雰囲気を保ったままの状態で上記分解された成分を雰囲気外に排除し、更に、得られた塊状のクウォンタムドット・カーボンを不活性雰囲気において450℃よりも低い温度、通常は20℃~60℃に冷却して粒径が炭素原子と同じ程度、或いは炭素原子が2乃至3個までの複合体から成る極微細粒子の粒径に粉砕することを特徴とする。
本発明のクウォンタムドット・カーボンは、60個の炭素原子で構成されるフラーレンのイオン吸着能力60の4倍、すなわち、240のイオン吸着能力を有する。また、本発明のクウォンタムドット・カーボンは、1000個の炭素原子で構成されるカーボンナノチューブのイオン吸着能力1000の4倍、すなわち、4000のイオン吸着能力を有する。また、本発明のクウォンタムドット・カーボンは、分子構造が原子単体に近いことから、賦活性が高く、きわめて活性で、各種の用途に利用することができる。
さらに、本発明のクウォンタムドット・カーボンは、グラファイト化している従来の炭素と異なり粒子性、或いは極微細粒子性を有しており、さらに細かいばかりか各種の物質と化合物を作ることが可能である。また炭素であることから、人体に対しても毒性を有しないため、薬品、抗ウィルス材料、或いは健康促進材料、美容剤など各種の優れた用途が期待される。
本発明の上記目的及び利点は添付図面を参照して説明される、以下の実施例によってより一層明らかになるであろう。
次に、本発明を実施するための最良の形態について添付の図面を参照して説明する。図1は本発明に係るクウォンタムドット・カーボンの製造方法を実施するための製造装置の一例を示す断面図である。図1において、クウォンタムドット・カーボン製造装置は、空気の入らない気密室1と、気密室1に着脱可能に取り付けられたクウォンタムドット・カーボン取り出し用のカートリッジ5と、気密室1の内部に設置された台6とから構成されている。
気密室1はクウォンタムドット・カーボンの製造中には内部が窒素雰囲気に保持される。カートリッジ5は、内部が気密室1と同じ雰囲気(窒素雰囲気)に保持される。台6にはクウォンタムドット・カーボンの原料となる有機物が載置される。気密室1はガス注入開閉弁2を持ったガス注入管路9と、熱分解されたガス排出用のガス排出開閉弁3を持った熱分解ガス排出管路10とを備えている。また、気密室1には、内部に所定の温度まで上昇させるためのヒーター4が組み込まれている。ヒーター4としては、気密室1の内部周壁に設置され、適宜の手段により気密室1の外部から通電可能な遠赤外線炭素セラミックヒータや炭素フィラメント等が用いられる。さらに、ヒーター4は、気密室1の内部周壁の他に、底部にも装備されていてもよい。
なお、図1において、7は気密室1の出入り口に設けられたシャッターであり、閉鎖されたときは気密室1を気密或いは窒素雰囲気に保つ。8はカートリッジ5に設けられた蓋或いは開閉扉であり、閉鎖されたときはカートリッジ5を気密或いは窒素雰囲気に保つ。また、図1中、符号11はローラーを表し、出来上がったクウォンタムドット・カーボンを気密室1からカートリッジ5に搬送したり、原料をカートリッジ5から気密室1へ搬送したりする作業に使われる。ローラー11はカートリッジ5の底部にも設置されている。
次に、前記図1に示したクウォンタムドット・カーボン製造装置によるクウォンタムドット・カーボンの製造方法の好ましい例について説明する。
図1に示したクウォンタムドット・カーボン製造装置による製造工程は、気密に開閉可能なシャッター7を有する気密室1内の台6に有機物からなる原料Mを気密状態の下で装填するともに、気密室1内の空気を不活性ガスに置換して無酸素雰囲気にする第1工程と、気密室1内に装填された原料Mを比較的低温の温度で加熱して水分を蒸発させて気密室1から排出させる第2工程と、気密室1内の原料Mを第2工程の温度よりも高い所定の温度で加熱して有機物中の炭素以外の初期成分を、分解温度の低いものから順次熱分解させて個別的に遊離させて気密室1から排出させる第3工程と、原料Mの加熱を止めて気密室1内に残存するクウォンタムドット・カーボンを回収する第4工程とによりクウォンタムドット・カーボンが製造される。原料Mとしては、炭素単体を含まない共有結合している有機物(中でも植物)を用いる。
第1工程で用いられるクウォンタムドット・カーボンの原料Mとしては、例えば高分子物質や生物等の普通に存在する有機物を用いることができるが、高分子物質のような炭素単体を含むものは、炭素単体が結晶化して分子状を呈していることと、製造した炭素に分子状の炭素が混入するので原料Mとしては好ましくない。クウォンタムドット・カーボンの原料Mとしてより好ましいのは、炭素単体を含まない共有結合している有機物(中でも植物)であり、生物系材料、農業分野で扱われる材料が相当する。好ましい原料Mとして具体的な例を挙げれば木片、竹片、穀類(小豆、大豆等)その他の植物などである。
図2は、クウォンタムドット・カーボン製造装置による製造工程を表す工程図である。この工程図に基き、上記した処理工程についてさらに詳しく説明する。
まず、第1工程では、シャッター7を開放した状態で、気密室1内の台6上に有機物である小豆からなる原料Mを装填してシャッター7を閉じ、熱分解ガス排出管路10を開放した状態で気密室1を初期加熱する。この原料Mの投入と加熱動作の初期段階までで約30分間の動作でありこの間での熱分解室内の温度上昇は100℃以下である。次に、気密室1内にガス注入管路9から、例えば不活性ガスである窒素ガス12やアルゴンガス13(他の不活性ガスを用いてもよい。ここでは窒素ガスで代表させる。)を送入する一方で、それまで気密室1内に存在していた空気14(酸素や二酸化炭素等)を排出し、窒素ガス12で完全に置換して無酸素状態にし、ガス注入管路9のガス注入開閉弁2と熱分解ガス排出管路10のガス排出開閉弁3を一旦閉じる。このガス置換処理は約50分間の動作であり、この処理動作により熱分解室内の気体はほぼ100%不活性ガスに置換される。
次に、第2工程として、ヒーター4に通電して最初に気密室1及びその内部に装填した原料Mを水分が蒸発する程度の温度である100℃~150℃に加熱し、原料Mの表面に付着している水分(H2O)或いは原料Mの組織体内から浸出してきた水分および窒素雰囲気中の水分を充分に蒸発させ、その後ガス注入管路9のガスの注入開閉弁2と熱分解ガス排出管路10のガス排出開閉弁3を開き、ガス注入管路9から窒素を導入させた状態で熱分解ガス排出管路10から水蒸気15、酸素、窒素を含む気体を気密室1の外部へと排出する。この水分の蒸発動作は、約120分間位の時間をかけて行われても良いが、より完全に水分を蒸発させるためには約300分間或いはそれ以上と、十分に長い時間をかけて行われるのが良い。この水分の蒸発動作は、本発明にとってはクウォンタムドット・カーボンを製造するために重要な動作である。これにより、気密室1から酸素がほぼ完全に除去される。その間、温度は100~150℃に保持される。原料Mの水分の蒸発は、原料Mの水分が重量パーセントで、約15%(10~25%位)或いはそれ以下になるまで水分を蒸発させることが好ましい。水蒸気15及び酸素が十分に排出された後、気密室1内および原料Mを完全に無酸素状態かつ乾燥状態に保持し、ガス注入管路9のガス注入開閉弁2と熱分解ガス排出管路10のガス排出開閉弁3を閉じる。
次いで、第3工程の前半として、気密室1内を窒素雰囲気に保持したままで、再びヒーター4に通電して原料Mを200℃~350℃に加熱し、原料M中の塩素化合物を遊離させて前記水分等を排出した場合と同様にして原料M内の塩素化合物を気密室1から排出する。この加熱・抽出動作は約100分~120分位の時間をかけて行われる。
さらに、第3工程の後半として、気密室1内を窒素雰囲気に保持したままで、ヒーター4にさらに通電して原料Mを350℃~450℃に保ち、前記塩素化合物を排出した場合と同様にして原料M中の残りの高分子成分を遊離させて気密室1から排出し、第3工程を終了する。以上の第3工程を終了した時点で気密室1内には450℃では気化しない炭素すなわち、クウォンタムドット・カーボンが残存する。この加熱・抽出動作は約50分~100分位の時間をかけて行われる。なお、上記350℃~450℃は本実施の形態における加熱処理では最高温度帯であるが、ゆっくりと、より一層多くの時間をかけて加熱するならば、550℃まで加熱温度を上げてもよい。
次いで、第4工程として、ヒーター4の通電を停止して、ガス注入管路9から低温の窒素を導入するとともに、熱分解ガス排出管路10から高温の窒素を排出させて気密室1内の温度を20~50℃程度まで冷却して第4工程を終了する。この冷却動作は約120分位の時間をかけて行われ、気密室1内の温度がほぼ常温になるまで行われる。その後、付加的工程として、シャッター7を開放して気密室1内に残存するクウォンタムドット・カーボンをカートリッジ5へ移送し、クウォンタムドット・カーボンを取り出す。これにより、本発明におけるクウォンタムドット・カーボンの塊が、原料Mの形状を部分的に残したものとして生成される。
図3は本発明に係るクウォンタムドット・カーボンを超高分解能走査透過型電子顕微鏡により200万倍で撮影した写真である。この図ではクウォンタムドット・カーボンの周りに無数の有機物由来の金属イオンが取り囲んで、直径が約20nmの円環状又は球状構造体を形成している状態が捉えられている。上記「有機物由来の金属イオン」とは、有機物(植物)が本来有しており、有機物の中に存在している微量の金属(Ca、Zn、Mg,Mn等)のイオンのことをいう。図3に表されているクウォンタムドット・カーボンは、上述したように、炭素原子1個の非晶質の極超微細ナノ粒子で構成されるか、又は炭素原子が2乃至3個までの鎖状に結合した状態の極超微細ナノ粒子が原子間引力により互いに不規則に集合してなる非晶質の極超微細ナノ粒子の複合体から構成された、原子状の炭素である。そして、炭素が原子1個程度の極超微細ナノ粒子になると、当該炭素自体が自壊作用を発揮してさらに小さくなるように変化する。このようになると、炭素は、非晶質の極超微細ナノ粒子を基としたエネルギー体として存在する物質である。本発明のクウォンタムドット・カーボンはこのエネルギー体によって構成され、非合金である。そして、非合金のエネルギー体のエネルギーにより上記金属(Ca、Zn、Mg,Mn等)のイオンが引き寄せられ、円環状又は球状構造体を形成しているのが図3の状態である。したがって、本発明のクウォンタムドット・カーボンは、エネルギー体によって構成されていることにより、生体に対し或いは物質に対して様々な物理的、化学的、或いは生物学的な作用を及ぼすことができる。
図4は本発明に係るクウォンタムドット・カーボンを超高分解能透過型電子顕微鏡により200万倍で撮影した写真である。図5は図4の撮影対象を倍率400万倍に拡大して示す電子顕微鏡写真である。この図5中の四角枠で囲んだ部分は一辺が10nm以下、厚さが0.2~2Å(オングストローム)の試料の観察映像である。本発明のクウォンタムドット・カーボンは10nmの中に無数の非晶質性物質から構成されており、10nmの中に約1Åから大きくても2nm程度の炭素が集合しており、平均の大きさは1.66Åとなっている。炭素の径から考えて1Åは炭素Cが1つのものである。棒状に見える2nmの物体は炭素Cが2~3個鎖状に結合しているものであり、グラファイト炭素6面体を構成しない有機物状態であることがわかる。図5の映像は発明者が研究してきた範囲では世界最微小の炭素の撮影像と考えられる。
図6は図3の写真をもとに本発明に係るクウォンタムドット・カーボンを炭素のSP軌道をもとに、元素記号で模式的に表したものである。元々物理的に炭素は電子(エレクトロン)を4つ持ち、生命活動、物質の構成に必要な組み合わせが無数にできるものであることは知られており、エレクトロンの活動が様々なエネルギーを生み出すものであるが、エレクトロンは物質が結晶化することにより失われるか、数が減少し、多様な他の物質に結合することができなくなるものである。
本発明のクウォンタムドット・カーボンはCが1であれば、エレクトロンが4個、Cが2個であればエレクトロンが6個活動することができ、イオン吸着能力が通常のグラファイト炭素の3倍から24倍に達するものである。また、本発明のクウォンタムドット・カーボンはCが1で存在していた場合、粒子の大きさが0.5nm以下(理論的には1.66Å)の原子に近い状態であり、図6に示すように炭素原子1個あたり4個のイオンを吸着する能力を有する。そのため本発明のクウォンタムドット・カーボンは、60個の炭素原子で構成されるフラーレンのイオン吸着能力60の4倍、すなわち、240のイオン吸着能力を有する。
また、本発明のクウォンタムドット・カーボンは、1000個の炭素原子で構成されるカーボンナノチューブのイオン吸着能力1000の4倍、すなわち、4000のイオン吸着能力を有することになり、きわめて活性で、各種の用途に利用することができる。さらに、本発明のクウォンタムドット・カーボンは、グラファイト化している従来の炭素と異なり粒子性、或いは極微細粒子性を有しており、さらに細かいばかりか各種の物質と化合物を作ることが可能である。また炭素であることから、人体に対しても毒性を有しないため、薬品、抗ウィルス材料、或いは健康促進材料、美容剤など各種の優れた用途が期待される。
更に、本発明に係る塊状のクウォンタムドット・カーボンの電気伝導度を調べたところ電流値は0であり、完全な絶縁体であることもわかった。
本発明は、図面に示す好ましい実施例に基づいて説明されてきたが、当業者であれば、この発明を容易に変更及び改変し得る事は明らかであり、そのような変更部分も発明の範囲に含まれるものである。
1 気密室
2 ガス注入開閉弁
3 ガス排出開閉弁
4 ヒーター
5 カートリッジ
6 台
7 シャッター
8 蓋
9 ガス注入管路
10 熱分解ガス排出管路
2 ガス注入開閉弁
3 ガス排出開閉弁
4 ヒーター
5 カートリッジ
6 台
7 シャッター
8 蓋
9 ガス注入管路
10 熱分解ガス排出管路
Claims (4)
- 炭素原子1個、或いは炭素原子が2乃至3個の鎖状に結合した状態の極微粒子が原子間引力により互いに不規則に集合してなる非晶質の極超微細ナノ粒子の複合体から構成され、この極超微細ナノ粒子が自壊作用を発揮してエネルギー体となる非合金のクウォンタムドット・カーボン。
- 炭素単体を含まない共有結合している有機物からなる原材料を不活性雰囲気において所定の温度で順次、温度を上げて加熱し、前記雰囲気中及び有機物中の炭素以外の所期成分を、450℃以下の温度において分解温度の低いものから順次熱分解させて炭素との結合を個別的に遊離させるとともにその都度不活性雰囲気を保ったままの状態で雰囲気外に排除し、更に得られた塊状のクウォンタムドット・カーボンを不活性雰囲気に保ったままの状態で所定の容器に密封することを特徴とするクウォンタムドット・カーボンの製造方法。
- 請求項2に記載のクウォンタムドット・カーボンの製造方法において、容器の密封状態で収容する前の工程で450℃以下の不活性雰囲気において極微細粒径に粉砕することを特徴とするクウォンタムドット・カーボンの製造方法。
- 前記原材料が穀類である請求項2記載のクウォンタムドット・カーボンの製造方法
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JUFENG XIA, YASUYUKI KAWAMURA, TOMOAKI SUEHIRO, YU CHEN, KUNIMICHI SATO: "Carbon dots have antitumor action as monotherapy or combination therapy", DRUG DISCOVERIES & THERAPEUTICS, vol. 13, no. 2, 30 April 2019 (2019-04-30), pages 114 - 117, XP055981926, ISSN: 1881-7831, DOI: 10.5582/ddt.2019.01013 * |
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