(57)【要約】【課題】液体中でグラフェンの集まりを製造し、該液体中で１枚１枚のグラフェンに分離し、さらに、粘度の高い液体を介してグラフェンの扁平面同士を重ね合わせる。この後、グラフェンの集まりを、粘度の高い液体で覆われた１枚１枚のグラフェンに分離する。さらに、粘度の高い液体を固化し、固体の被膜で覆われた１枚１枚のグラフェンを取り出す。【解決策】メタノール中で黒鉛粒子からグラフェンの集まりを製造し、このグラフェンの集まりを用い、扁平面同士が有機化合物のメタノール溶解液を介して結合した懸濁体を作成し、さらに、気流式の粉砕機によって懸濁体同士を衝突させ、溶解液で覆われた１枚１枚のグラフェンに分離する。この後、グラフェンの集まりからメタノールを気化し、さらに、有機化合物を固化すると、固体の有機化合物で覆われた１枚１枚のグラフェンが取り出せる。【選択図】図１
2020189767.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
メタノール中で黒鉛粒子からグラフェンの集まりを製造し、該グラフェンの集まりから１枚１枚のグラフェンを取り出す方法は、
２枚の平行平板電極のうちの一方の平行平板電極の表面に、鱗片状黒鉛粒子の集まりないしは塊状黒鉛粒子の集まりを平坦に引き詰め、該平行平板電極を容器に充填されたメタノール中に浸漬させ、さらに、他方の平行平板電極を前記一方の平行平板電極の上に重ね合わせ、前記鱗片状黒鉛粒子の集まりないしは前記塊状黒鉛粒子の集まりを介して、前記２枚の平行平板電極を離間させるとともに、該離間させた２枚の平行平板電極を前記メタノール中に浸漬させる、この後、該２枚の平行平板電極の間隙に直流の電位差を印加する、これによって、該電位差の大きさを前記２枚の平行平板電極の間隙の大きさで割った値に相当する電界が、前記鱗片状黒鉛粒子の集まりないしは前記塊状黒鉛粒子の集まりに印加され、該電界の印加によって、前記鱗片状黒鉛粒子ないしは前記塊状黒鉛粒子を形成する全ての黒鉛結晶の層間結合が同時に破壊され、前記２枚の平行平板電極の間隙にグラフェンの集まりが製造される、この後、前記２枚の平行平板電極の間隙を拡大し、該２枚の平行平板電極を前記メタノール中で傾斜させ、さらに、前記容器に左右、前後、上下の３方向の振動を繰り返し加え、前記グラフェンの集まりを、前記２枚の平行平板電極の間隙から前記メタノール中に移動させる、この後、前記容器から前記２枚の平行平板電極を取り出す、さらに、前記容器内のメタノール中でホモジナイザー装置を稼働させ、前記メタノールを介して前記グラフェンの集まりに衝撃を繰り返し加え、該グラフェンの集まりを、前記メタノール中で１枚１枚のグラフェンに分離させ、さらに、前記容器に左右、前後、上下の３方向の振動を繰り返し加え、前記グラフェンの扁平面同士が前記メタノールを介して重なり合った該グラフェンの集まりを、前記容器の底面に該底面の形状として形成する、この後、前記容器から前記ホモジナイザー装置を取り出す、さらに、融点が１０℃より高い第一の性質と、前記メタノールに溶解する第二の性質と、粘度が前記メタノールの粘度より５０倍より高い第三の性質を兼備する有機化合物を、前記容器に充填したメタノールの粘度が３０−４０倍に増大する量として前記容器に混合し、該有機化合物を前記メタノールに溶解させ、さらに、前記容器に前後、左右、上下の３方向の振動を繰り返し加え、前記グラフェンの扁平面同士が前記有機化合物のメタノール溶解液を介して重なり合った該グラフェンの集まりからなる懸濁体を、前記容器の底面に該底面の形状として形成する、この後、該懸濁体を前記容器から取り出し、該懸濁体を気流式の粉砕機に供給し、該粉砕機内で前記懸濁体同士を連続して衝突させ、該懸濁体を前記有機化合物のメタノール溶解液で覆われた１枚１枚のグラフェンに分離する、この後、該１枚１枚のグラフェンに分離された懸濁体を、前記粉砕機から取り出し、新たな容器に移す、さらに、該新たな容器を前記メタノールの沸点に昇温して該メタノールを気化させ、さらに、該新たな容器を前記有機化合物の融点より低い温度に低下させて該有機化合物を固化させ、前記有機化合物のメタノール溶解液で覆われた１枚１枚のグラフェンを、前記有機化合物の固体で覆われた１枚１枚のグラフェンとし、該固体の有機化合物で覆われた１枚１枚のグラフェンを前記容器から取り出す、メタノール中で黒鉛粒子からグラフェンの集まりを製造し、該グラフェンの集まりから１枚１枚のグラフェンを取り出す方法である。
【請求項２】
請求項１に記載したメタノール中で黒鉛粒子からグラフェンの集まりを製造し、該グラフェンの集まりから１枚１枚のグラフェンを取り出す方法は、請求項１に記載した有機化合物が、炭素原子数が８−１０の飽和脂肪酸であり、該飽和脂肪酸を８段落に記載した有機化合物として用い、請求項１に記載したメタノール中で黒鉛粒子からグラフェンの集まりを製造し、該グラフェンの集まりから１枚１枚のグラフェンを取り出す方法に従って、メタノール中で黒鉛粒子からグラフェンの集まりを製造し、該グラフェンの集まりから１枚１枚のグラフェンを取り出す方法である。
【請求項３】
請求項１に記載したメタノール中で黒鉛粒子からグラフェンの集まりを製造し、該グラフェンの集まりから１枚１枚のグラフェンを取り出す方法は、請求項１に記載した気流式の粉砕機が、ジェットミル装置であり、該ジェットミル装置を請求項１に記載した気流式の粉砕機として用い、請求項１に記載したメタノール中で黒鉛粒子からグラフェンの集まりを製造し、該グラフェンの集まりから１枚１枚のグラフェンを取り出す方法に従って、メタノール中で黒鉛粒子からグラフェンの集まりを製造し、該グラフェンの集まりから１枚１枚のグラフェンを取り出す方法である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、メタノール中で黒鉛粒子を形成する黒鉛結晶の層間結合を破壊してグラフェンの集まりを製造し、該グラフェンの集まりから１枚１枚のグラフェンを取り出す方法に関する。なお、グラフェンは、炭素原子が六角形からなる網目構造を二次元的に形成する炭素原子の集まりからなる単結晶材料である。
【背景技術】
【０００２】
２００４年に英国マンチェスター大学の物理学者が、セロファンテープを使用して、グラファイトから１枚の結晶子、すなわち、炭素原子が六角形からなる網目構造を二次元的に形成する基底面を引きはがし、炭素原子の大きさが厚みとなる平面状の物質を取り出すことに初めて成功した。この新たな物質をグラフェンと呼んだ。この研究成果に対して、２０１０年のノーベル物理学書が授与されている。
【０００３】
グラフェンは、厚みが炭素原子の大きさに相当する極めて薄い物質で、かつ、質量をほとんど持たない全く新しい炭素材料である。このため、従来の物質とは大きくかけ離れた物性を持ち、幅広い用途に応用できる材料として注目されている。
例えば、厚みが０．３３２ｎｍからなる最も薄い材料である。また、単位質量当たりの表面積が３０００ｍ２／ｇである最も広い表面積を持つ。さらに、ヤング率が１０２０ＧＰａと大きな値を持ち、最も伸長でき、折り曲げができる材料である。また、せん断弾性率が４４０ＧＰａという大きな数値を持つ最も強靭な物質である。さらに、熱伝導率は１９．５Ｗ／Ｃｍで、金属の中で最も熱伝導率が高い銀の熱伝導率の４．５倍に相当する。また、電流密度は銅の１０００倍を超える。さらに、電子移動度が１５０００ｃｍ２／ボルト・秒であり、シリコーンの移動度の１４００ｃｍ２／ボルト・秒より一桁高い値を持つ。さらに、融点が３０００℃を超える単結晶材料で、耐熱性が極めて高い材料である。
【０００４】
いっぽう、グラフェンは様々な方法で製造される。例えば、前記したマンチェンスター大学の教授は、人の手でグラファイトからグラフェンを物理的に引きはがした。この方法は、大量のグラフェンを短時間に引き剥がすことは困難で、また、剥がされたものが単一層、つまり、グラフェンになるとは限らない。
また、特許文献１に、炭化ケイ素の単結晶を熱分解することでグラフェンを製造する方法が記載されている。つまり、炭化ケイ素を不活性雰囲気で加熱し、表面を熱分解させる。この際、昇華温度が相対的に低いケイ素が優先的に昇華され、残存した炭素によってグラフェンが生成される。しかし、炭化ケイ素の単結晶が非常に高価な材料である。さらに、１６００℃を超える高温で、かつ、真空度が高い雰囲気でケイ素を昇華させるが、ケイ素が僅かでも残存した場合は、熱分解後の残渣物としてグラフェンが生成されない。このため、炭化ケイの単結晶の生成と、単結晶の熱分解処理に係わる費用は非常に高価になる。また、大量のグラフェンを製造するには、さらに高価な費用が掛かる。
さらに、特許文献２に、シート状の単結晶のグラファイト化金属触媒に、炭素系物質を接触させ、還元性雰囲気で熱処理することで、グラフェンを製造する方法が記載されている。しかしながら、この製造方法も、安価な製造方法とは言えず、かつ、量産性に優れた製造方法ではない。第一に、単結晶のグラファイト化金属触媒を製造する製造コストは、炭化ケイ素の単結晶よりさらに高い。第二に、単結晶のグラファイト化金属触媒を炭素系物質に接触させる方法は量産性に劣る。第三に、水素ガスを含む窒素ガスがリッチな雰囲気で、１０００℃を超える高温度で、グラファイト化金属触媒を還元処理する方法は、熱処理費用が高価になる。大量のグラフェンを製造するには、さらに高価な費用が掛かる。
【０００５】
現在までのグラフェンの製造方法はいずれも、第一に、安価な製造方法で大量のグラフェンを同時に製造する方法ではない。第二に、製造したグラフェンが必ずしもグラフェンでない。つまり、グラフェンは、炭素原子が六角形からなる網目構造を二次元的に形成する炭素原子の集まりからなる単結晶材料であり、不純物が全くない雰囲気で、炭素原子の結晶成長ができなければ、グラフェンが生成されない。さらに、生成したグラフェンの厚みが極薄く、極軽量であるため、グラフェンであることを確認する方法が困難を極める。
このため、本発明者は、製造したグラフェンが全て完全なグラフェンで、かつ、極めて簡単な方法で大量のグラフェンを瞬時に製造する方法を見出した（特許文献３）。すなわち、黒鉛の単結晶のみからなり、黒鉛の結晶化が１００％進み、さらに、最も安価な炭素材料である、天然の黒鉛結晶の塊を破砕し、該破砕した黒鉛結晶から鱗片状黒鉛粒子ないしは塊状黒鉛粒子の集まりを選別した黒鉛粒子の集まりを、２枚の平行平板電極の間隙に引き詰め、該２枚の平行平板電極に電界を印加し、該電界の印加によって黒鉛粒子を形成する全ての黒鉛結晶の層間結合を同時に破壊し、黒鉛結晶の基底面からなるグラフェンを大量に製造する方法である。この製造方法に依れば、鱗片状黒鉛粒子ないしは塊状黒鉛粒子の僅か１ｇから、１．６２×１０１３個に及ぶグラフェンの集まりが瞬時に得られる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１５−１１０４８５号公報
【特許文献２】特開２００９−１４３７９９号公報
【特許文献３】特許第６１６６８６０号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
３段落で説明したように、グラフェンが従来の素材とは全くかけ離れた驚異的な物性を持つため、グラフェンを用いた様々な部品やデバイの研究開発が行われている。従って、安価な製造方法で製造したグラフェンの集まりから、１枚１枚のグラフェンを容易に取り出す方法が見いだせれば、グラフェンを用いた安価な部品やデバイスの実用化が進む。
いっぽう、特許文献３による製造方法で大量のグラフェンを瞬時に製造できるが、このグラフェンの集まりから、１枚１枚のグラフェンを取り出す方法は見出されていない。また、グラフェンは、炭素原子が六角形からなる網目構造を二次元的に形成する、単一の結晶子からなる極めて厚みが薄い物質であり、極めて軽量で、殆ど質量を持たない。このため、特許文献３における電界の印加によって、黒鉛粒子における黒鉛結晶の層間結合を同時に破壊して製造したグラフェンは、製造時と製造後において、極めて容易に飛散する。さらに、グラフェンは厚みが極めて薄いため、厚みに対する結晶面の大きさの比率であるアスペクト比が極めて大きい扁平面を持つ。また、黒鉛粒子が一定の形状を持ち、黒鉛粒子の形状は同一でないため、黒鉛粒子における黒鉛結晶の層間結合を破壊して製造したグラフェンのアスペクト比は、個々のグラフェンで異なる。従って、特許文献３における製造方法では、グラフェンの製造時に容易に扁平面同士が重なり合う。さらに、重なり合ったグラフェンの枚数は一定でない。また、扁平面同士で重なり合ったか否かを識別することは極めて困難で、電子顕微鏡の観察で識別するしかない。さらに、1枚1枚のグラフェンに分離することも困難である。
従って、グラフェンの集まりから、１枚１枚のグラフェンを取り出す方法を見出す、本発明の解決すべき課題は、次の６つの課題である。
第一に、液体中でグラフェンの集まりを製造する。これによって、グラフェンの製造時と製造後に、グラフェンは飛散しない。しかし、グラフェンは製造時に扁平面同士で重なり合う。
第二に、グラフェンの集まりを、液体中で1枚1枚のグラフェンに分離させ、さらに、液体を介してグラフェンの扁平面同士を重ね合わせる。これによって、その後の処理では、グラフェンの扁平面同士が直接重なり合わない。
第三に、液体中で分離された１枚１枚のグラフェンを、粘度が高い液体を介してグラフェンの扁平面同士を重ね合わせる。これによって、グラフェンの集まりを、１枚１枚のグラフェンに分離する処理が可能になる。
第四に、粘度が高い液体を介してグラフェンの扁平面同士が重なり合った該グラフェンの集まりを、１枚１枚のグラフェンに分離する。これによって、グラフェンの集まりから、１枚１枚のグラフェンを取り出すことが可能になる。
第五に、１枚１枚のグラフェンに分離した該グラフェンの集まりを、最初に液体の成分を気化させ、次に粘度が高い物質の融点より低い温度に晒し、１枚１枚のグラフェンを固体の被膜で覆い、１枚１枚のグラフェンを取り出す。
第六に、上記した５つの工程における処理が何れも極めて簡単な処理で、用いる材料が何れも汎用的な材料である。これによって、安価な黒鉛粒子の集まりを用いて、安価な製造方法でグラフェンの集まりを製造し、安価な方法でグラフェンの集まりから１枚１枚のグラフェンを取り出すことができる。これによって、安価なグラフェンが製造できる。
本発明が解決しようとする課題は、上記の６つの課題である。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
メタノール中で黒鉛粒子からグラフェンの集まりを製造し、該グラフェンの集まりから１枚１枚のグラフェンを取り出す方法は、
２枚の平行平板電極のうちの一方の平行平板電極の表面に、鱗片状黒鉛粒子の集まりないしは塊状黒鉛粒子の集まりを平坦に引き詰め、該平行平板電極を容器に充填されたメタノール中に浸漬させ、さらに、他方の平行平板電極を前記一方の平行平板電極の上に重ね合わせ、前記鱗片状黒鉛粒子の集まりないしは前記塊状黒鉛粒子の集まりを介して、前記２枚の平行平板電極を離間させるとともに、該離間させた２枚の平行平板電極を前記メタノール中に浸漬させる、この後、該２枚の平行平板電極の間隙に直流の電位差を印加する、これによって、該電位差の大きさを前記２枚の平行平板電極の間隙の大きさで割った値に相当する電界が、前記鱗片状黒鉛粒子の集まりないしは前記塊状黒鉛粒子の集まりに印加され、該電界の印加によって、前記鱗片状黒鉛粒子ないしは前記塊状黒鉛粒子を形成する全ての黒鉛結晶の層間結合が同時に破壊され、前記２枚の平行平板電極の間隙にグラフェンの集まりが製造される、この後、前記２枚の平行平板電極の間隙を拡大し、該２枚の平行平板電極を前記メタノール中で傾斜させ、さらに、前記容器に左右、前後、上下の３方向の振動を繰り返し加え、前記グラフェンの集まりを、前記２枚の平行平板電極の間隙から前記メタノール中に移動させる、この後、前記容器から前記２枚の平行平板電極を取り出す、さらに、前記容器内のメタノール中でホモジナイザー装置を稼働させ、前記メタノールを介して前記グラフェンの集まりに衝撃を繰り返し加え、該グラフェンの集まりを、前記メタノール中で１枚１枚のグラフェンに分離させ、さらに、前記容器に左右、前後、上下の３方向の振動を繰り返し加え、前記グラフェンの扁平面同士が前記メタノールを介して重なり合った該グラフェンの集まりを、前記容器の底面に該底面の形状として形成する、この後、前記容器から前記ホモジナイザー装置を取り出す、さらに、融点が１０℃より高い第一の性質と、前記メタノールに溶解する第二の性質と、粘度が前記メタノールの粘度より５０倍より高い第三の性質を兼備する有機化合物を、前記容器に充填したメタノールの粘度が３０−４０倍に増大する量として前記容器に混合し、該有機化合物を前記メタノールに溶解させ、さらに、前記容器に前後、左右、上下の３方向の振動を繰り返し加え、前記グラフェンの扁平面同士が前記有機化合物のメタノール溶解液を介して重なり合った該グラフェンの集まりからなる懸濁体を、前記容器の底面に該底面の形状として形成する、この後、該懸濁体を前記容器から取り出し、該懸濁体を気流式の粉砕機に供給し、該粉砕機内で前記懸濁体同士を連続して衝突させ、該懸濁体を前記有機化合物のメタノール溶解液で覆われた１枚１枚のグラフェンに分離する、この後、該１枚１枚のグラフェンに分離された懸濁体を、前記粉砕機から取り出し新たな容器に移す、さらに、該新たな容器を前記メタノールの沸点に昇温して該メタノールを気化させ、さらに、該新たな容器を前記有機化合物の融点より低い温度に低下させて該有機化合物を固化させ、前記有機化合物のメタノール溶解液で覆われた１枚１枚のグラフェンを、前記有機化合物の固体で覆われた１枚１枚のグラフェンとし、該固体の有機化合物で覆われた１枚１枚のグラフェンを前記容器から取り出す、メタノール中で黒鉛粒子からグラフェンの集まりを製造し、該グラフェンの集まりから１枚１枚のグラフェンを取り出す方法である。
【０００９】
本発明における、メタノール中で黒鉛粒子からグラフェンの集まりを製造し、該グラフェンの集まりから１枚１枚のグラフェンを取り出す方法は、次の５つの工程からなる。
第一に、メタノール中で、黒鉛粒子の集まりからグラフェンの集まりを製造する。すなわち、２枚の平行平板電極の間隙に引き詰められた鱗片状黒鉛粒子の集まりないしは塊状黒鉛粒子の集まりを、絶縁体であるメタノール中に浸漬させ、２枚の平行平板電極間に直流の電位差を印加させる。これによって、電位差を２枚の平行平板電極の間隙の大きさで割った値に相当する電界が、鱗片状黒鉛粒子の集まりないしは塊状黒鉛粒子の集まりが存在する電極間隙に発生する。この電界は、前記した黒鉛粒子の全てに対し、黒鉛結晶の層間結合を破壊させるのに十分なクーロン力を、黒鉛結晶の層間結合の担い手である全てのπ電子に同時に与える。これによって、π電子はπ軌道上の拘束から解放され、全てのπ電子がπ軌道から離れて自由電子となる。つまり、π電子に作用するクーロン力が、π軌道の相互作用より大きな力としてπ電子に与えられると、π電子はπ軌道の拘束から解放されて自由電子になる。この結果、黒鉛結晶の層間結合の担い手である全てのπ電子が、π軌道上に存在しなくなり、黒鉛粒子の全てについて、黒鉛粒子を形成する黒鉛結晶の層間結合の全てが同時に破壊される。この結果、２枚の平行平板電極の間隙に、黒鉛結晶の基底面の集まり、すなわちグラフェンの集まりが瞬時に製造される。なお、２枚の平行平板電極がメタノール中に浸漬しているため、２枚の平行平板電極の間隙に析出したグラフェンの集まりは飛散しない。これによって、７段落に記載した６つの課題のうち、第１の課題が解決された。
なお、絶縁体であるメタノール中に浸漬した２枚の平行平板電極間に、電位差を印加させると、２枚の平行平板電極の間隙に電界が発生する。すなわち、メタノールは比抵抗が３メガΩ・ｃｍ以上で、誘電率が３３の絶縁体である。また、エタノールも誘電率が２４からなる絶縁体である。なお、エタノールの電気導電率は７．５×１０−６Ｓ／ｍで、鱗片状黒鉛粒子の電気伝導度が４３．９Ｓ／ｍである。従って、エタノールは、導電体である鱗片状黒鉛粒子に比べ、電気導電度が１．７×１０７倍低い絶縁体である。
第二に、グラフェンの集まりを、メタノール中で１枚１枚のグラフェンンに分離する。つまり、２枚の平行平板電極の狭い間隙に析出したグラフェンは、析出した際に扁平面同士が重なり合うため、メタノール中で、１個１個のグラフェンに分離する。このため、最初に、２枚の平行平板電極の間隙を、メタノール中で拡大させ、さらに、メタノール中で傾斜させ、この後、メタノールが充填された容器に３方向の振動を加える。これによって、グラフェンの集まりが、２枚の平行平板電極の間隙からメタノール中に移動する。この後、２枚の平行平板電極を容器から取り出す。次に、ホモジナイザー装置をメタノール中で稼働させ、メタノールを介してグラフェンの集まりに衝撃を繰り返し加える。いっぽう、グラフェンの扁平面同士の接合は、単純に扁平面が重なり合っているだけで、扁平面同士の接合力は極めて小さい。さらに、メタノールが低粘度で低分子量であるため、メタノールに加えられた衝撃は、メタノールの分子振動に僅かに消費されるだけで、衝撃エネルギーの多くが吸収されずに、グラフェンの集まりに加わる。この衝撃が、扁平面同士が重なり合った部位に加わると、重なり合った扁平面が容易に分離し、分離したグラフェンの間隙にメタノールが入り込む。従って、グラフェンの集まりに衝撃を繰り返し加えると、メタノール中で１枚１枚のグラフェンに分離され、分離されたグラフェンの扁平面はメタノールと接触する。なお、超音波方式のホモジナイザー装置を用いると、グラフェンの扁平面よりさらに1桁以上小さい極微細で莫大な数からなる気泡の発生と該気泡の消滅とが、超音波の振動周波数の振動周期に応じて、メタノール中で連続的に繰り返され（この現象をキャビテーションという）、莫大な数からなる気泡がはじける際の衝撃波が、メタノールを介してグラフェンの集まりの全体に連続的に繰り返し加わる。扁平面同士が重なり合った部位に衝撃波が加わると、重なり合った扁平面が分離し、分離したグラフェンの間隙にメタノールが入り込み、短時間で１枚１枚のグラフェンに分離される。
さらに、容器に左右、前後、上下の３方向の振動を繰り返し加える。この際、グラフェンのアスペクト比が極めて大きく、また、１枚１枚に分離されたグラフェンの扁平面がメタノールと接していたため、扁平面を上にしてグラフェンがメタノール中を移動し、容器の底面全体にグラフェンが拡散するとともに、扁平面同士がメタノールを介して重なり合う。容器への加振を停止すると、扁平面同士がメタノールを介して重なり合ったグラフェンの集まりが、容器の底面に該底面の形状として形成される。これによって、７段落に記載した６つの課題のうち、第２の課題が解決された。なお、ホモジナイザー装置の稼働によって、１枚１枚のグラフェンに分離できたか否かは、メタノール中から複数の試料を取り出し、電子顕微鏡で複数の試料を観察し、１枚１枚のグラフェンに分離できたか否かを判断する。この結果から、ホモジナイザー装置の稼働条件と稼働時間とを予め求める。
第三に、融点が１０℃より高く、メタノールに溶解し、メタノールの粘度の５０倍より高い粘度を持つ有機化合物を、容器に充填されたメタノールの粘度が、３０−４０倍の粘度に増大する量として容器に混合し、さらに、容器に、前後、左右、上下の３方向の振動を繰り返し加える。この際、第二の工程で、１枚１枚のグラフェンンに分離されたグラフェンが、扁平面を上にして扁平面同士がメタノールを介して重なり合ったため、第三の工程における処理を施すと、有機化合物がメタノールに溶解して溶解液になり、扁平面を上にして扁平面同士が有機化合物のメタノール溶解液を介して重なり合ったグラフェンの集まりからなる懸濁体が、容器の底面に該底面の形状として作成される。この懸濁体においては、扁平面同士が、有機化合物のメタノール溶解液の粘度に基づく粘着力で結合されている。これによって、７段落に記載した６つの課題のうち、第３の課題が解決された。
第四に、前記した懸濁体を気流式の粉砕機に供給し、粉砕機内で懸濁体同士を連続して衝突させる。これによって、懸濁体の微細化が進み、一定の時間懸濁体同士を連続して衝突させると、懸濁体が有機化合物のメタノール溶解液で覆われた１枚１枚のグラフェンに分離される。
すなわち、懸濁体同士の衝突による懸濁体の破砕は、２つの因子に左右される。第一の因子は衝突の際に発生する衝撃力、すなわち、懸濁体同士の衝突速度である。つまり、懸濁体が大きいほど、懸濁体同士が衝突する際の衝撃力が大きいため、懸濁体の破砕が進む。これに対し、懸濁体が小さくなるほど、懸濁体同士が衝突する際の衝撃力が小さくなり、懸濁体の破砕が進みにくくなる。いっぽう、破砕された懸濁体が小さくなるほど、破砕された懸濁体の数が多くなり、懸濁体同士が衝突する頻度が増えるため、懸濁体が破砕されやすくなる。しかし、懸濁体の様々な部位で懸濁体同士が衝突し、破砕された懸濁体は様々な大きさになり、破砕時に分かれる懸濁体の数も一定ではない。さらに、懸濁体同士はランダムに衝突する。このため、懸濁体の微細化を進めるには、一定の衝撃力、すなわち、懸濁体同士の衝突速度が必要であることが、実験で分かった。なお、グラフェンのせん断弾性率が４４０ＧＰａという極めて大きな数値を持つ強靭な物質であるため、懸濁体同士が衝突してもグラフェンは変形も破壊もしない。
ところで、黒鉛粒子が一定の大きさを持つ粒子であり、黒鉛粒子における黒鉛結晶の層間結合を破壊して製造したグラフェンの扁平面は一定の面積を持つ。また、黒鉛粒子の形状が個々の黒鉛粒子で異なるため、グラフェンの扁平面の形状は、個々のグラフェンで異なる。こうした特徴を持つグラフェンの扁平面同士が、有機化合物のメタノール溶解液の粘着力で結合された該グラフェンの集まりで懸濁体が構成される。従って、懸濁体同士が衝突すると、衝突した部位に比較的近いグラフェンの扁平同士が重なり合った複数の部位に、より大きな剪断力が作用する。このため、扁平同士を結合する溶解溶液の粘着力が、剪断力より小さければ、懸濁体が破砕され、粘着力が剪断力より大きければ、懸濁体は破砕されない。いっぽう、溶解溶液の粘度が低すぎる場合は、懸濁体同士が衝突する際に、剪断力によって、グラフェンの表面から溶解溶液が剥ぎ取られ、こうした懸濁体同士の衝突が繰り返されると、扁平面同士が直接重なり合ったグラフェンが生成されることが、実験で分かった。これに対し、溶解溶液の粘度が高すぎる場合は、懸濁体同士の衝突が繰り返され、微細な懸濁体が多くを占めると、衝突の際の衝撃力が小さいため、さらなる微細が進まないことが、実験で分かった。従って、懸濁体の微細化を進ませるには、溶解溶液が一定の粘度を持つことが必要になる。このように、懸濁体の微細化を進ませるには、前記した一定の衝撃力、すなわち、懸濁体同士の衝突速度と、有機化合物のメタノール溶解液の一定の粘度が必要になる。
従って、懸濁体の破砕の第二の因子に、有機化合物のメタノール溶解液の粘度がある。つまり、有機化合物のメタノール溶解液の粘度が低い場合は、溶解液の粘着力が小さく、グラフェンの扁平面同士の結合力が弱い。いっぽう、懸濁体同士の衝突の初期は、質量が比較的大きい懸濁体が多く存在し、衝突の際により大きな衝撃力が懸濁体に作用する。このため、懸濁体の破砕が進む。しかし、懸濁体の破壊が進んだ段階で、懸濁体の質量が小さくなり、質量が小さい懸濁体が多くを占めると、衝突によって破砕されない懸濁体が増大することが、実験で分かった。これに対し、有機化合物のメタノール溶解液の粘度が高い場合は、溶解液の粘着力が大きく、グラフェンの扁平面同士の結合力が強い。いっぽう、懸濁体同士の衝突によって、懸濁体の微細化が進み、懸濁体同士が衝突する際の衝撃力が小さくなるが、粉砕された懸濁体の数が増えることで、懸濁体同士が衝突する頻度が増え、懸濁体がさらに小さい懸濁体に破砕される。しかし、懸濁体同士の衝突で懸濁体がさらに微細になると、衝突によって破砕されない懸濁体が発生することが、実験で分かった。この際、懸濁体同士の衝突速度を高めると、衝突の際の衝撃力が増え、懸濁体の微細化がさらに進むことも実験で分かった。いっぽう、有機化合物のメタノール溶解液の粘度を高めると、懸濁体の微細化が進むが、有機化合物のメタノール溶解液の粘度を高め過ぎると、懸濁体の微細化が進まないことが、実験で分かった。このような様々な粘度からなる有機化合物のメタノール溶解液を用い、また、様々な速度で懸濁体同士を衝突させる実験を重ねた。この結果、第三の工程において、有機化合物のメタノール溶解液の粘度が、メタノールの粘度の３０−４０倍の値が適切であることが分かった。また、第四の工程の処理において、実験で求めた懸濁体同士を衝突させる適切な衝突速度を粉砕機に設定した。この結果、懸濁体が有機化合物のメタノール溶解液で覆われた１枚１枚のグラフェンに分離された。これによって、７段落に記載した６つの課題のうち、第４の課題が解決された。
第五に、第四の工程で作成した１枚１枚のグラフェンに分離された懸濁体を、粉砕機から取り出し、新たな容器に移す。この後、容器をメタノールの沸点に昇温し、メタノールを気化させ、さらに、容器を有機化合物の融点より低い温度に下げ、有機化合物を固化させる。これによって、有機化合物のメタノール溶解液で覆われた１枚１枚のグラフェンが、固体の有機化合物で覆われた１枚１枚のグラフェンとなり、このグラフェンの集まりから、１枚１枚のグラフェンを取り出すことができる。この後、グラフェンに吸着した固体の有機化合物を脱落、ないしは、気化させると、グラフェンが得られる。これによって、７段落に記載した６つの課題のうち、第５の課題が解決された。なお、有機化合物に不純物が含まれず、回収した有機化合物を再利用する。また、気化したメタノールも回収機で回収し、再利用する。
前記したように、グラフェンの扁平面は一定の面積を持ち、グラフェンの扁平面の形状は、個々のグラフェンで異なる。従って、第五の工程の処理後において、複数の扁平粉を取り出し、扁平粉から固体の有機化合物を脱落させ、この扁平粉を電子顕微鏡で観察すれば、グラフェンであるか否かが判別できる。このため、第三の工程において、有機化合物のメタノール溶解液の粘度を様々な粘度に変えて第三の工程の処理を行い、さらに、第四の工程において、懸濁体同士を衝突させる衝突速度を様々な速度に変えて第四の工程の処理を行った。さらに、その都度第五の工程の処理を行った。こうした実験毎に、第五の工程の処理を終えた複数の扁平粉を取り出し、扁平粉から固体の有機化合物を脱落させ、扁平粉がグラフェンであるか否かを、電子顕微鏡の観察で識別した。この結果、第三の工程において、高粘度の有機化合物を用い、メタノールの粘度を３０−４０倍の粘度に増大させ、第四の工程において、懸濁体同士が衝突する適切な衝突速度で粉砕機を稼働させ、有機化合物のメタノール溶解液で覆われた１枚１枚のグラフェンを得た。なお、メタノールの粘度は２０℃で０．５９ｍＰａ秒である。
また、有機化合物は、吸湿性がなく、酸化されず、化学的に安定な物質であるため、有機化合物で覆われたグラフェンは、長期間の保管ができる。従って、グラフェンが必要になった際に、扁平粉を取り出し、この扁平粉から固体の有機化合物を脱落ないしは気化させれば、扁平粉がグラフェンになり、グラフェンを部品やデバイスの研究開発に用いることができる。
さらに、有機化合物は、汎用的な工業用薬品である。また、黒鉛粒子も安価な工業用素材である。さらに、前記した５つの工程は極めて簡単な処理からなる。従って、本方法に依れば、安価な黒鉛粒子を原料として用い、極めて簡単な５つの工程を連続して実施すると、１個１個のグラフェンが取り出せ、安価なグラフェンが得られる。これによって、７段落に記載した６つの課題のうち第６の課題が解決され、すべての課題が解決された。
ここで、第一の処理において、２枚の平行平板電極の間隙に印加した電界によって、２枚の平行平板電極の間隙に引き詰められた黒鉛粒子を形成する黒鉛結晶の層間結合が、同時に破壊される現象を説明する。
黒鉛粒子における黒鉛結晶を形成する炭素原子は４つの価電子を持つ。このうちの３つの価電子は、黒鉛結晶の基底面、すなわち、グラフェンを形成するσ電子である。このσ電子は、基底面上で隣り合う３つの炭素原子が持つσ電子と互いに１２０度の角度をなして共有結合し、六角形の強固な網目構造を２次元的に形成する。残り一つの価電子はπ電子であり、基底面に垂直な方向に伸びるπ軌道上に存在する。このπ電子は、基底面に垂直な上下方向で隣り合う炭素原子が持つπ電子と弱い結合力で結合し、この弱い結合力に基づいて基底面同士が層状に積層される。つまり基底面、すなわちグラフェンは、弱い結合力であるπ軌道の相互作用によって互いに層状に結合されている。このため、黒鉛粒子は、黒鉛結晶からなる基底面で剥がれ易い性質、すなわち、機械的な異方性を持つ。この機械的な異方性は、黒鉛粒子の潤滑性として良く知られている。
こうした黒鉛粒子に電界を印加させると、全てのπ電子に電界によるクーロン力が作用する。π電子に作用するクーロン力が、π電子に作用しているπ軌道の相互作用より大きな力としてπ電子に作用すると、π電子はπ軌道上の拘束から解放される。この結果、全てのπ電子がπ軌道から離れて自由電子となる。これによって、黒鉛結晶の層間結合の担い手である全てのπ電子がπ軌道上にいなくなるため、黒鉛結晶の全ての層間結合は同時に破壊される。すなわち、π電子がクーロン力Ｆによって黒鉛結晶の層間距離ｂの距離を動く際に、π電子は仕事Ｗ（Ｗ＝ｂ・Ｆ）を行う。この仕事Ｗが、π電子に作用する１原子当たりのπ軌道の相互作用の大きさである３５ミリエレクトロンボルト (エレクトロンボルトは電子が持つエネルギーの大きさを表す単位で、１エレクトロンボルトは１．６２×１０−１９ジュールに相当する)を超えると、π電子はπ軌道の相互作用の拘束から解放されて自由電子になる。例えば、２枚の平行平板電極の間隙を１００μｍで離間させ、この電極に１０．６キロボルト以上の直流の電位差を印加させると、黒鉛結晶の層間結合が瞬時に破壊される。このように、安価な黒鉛粒子の集まりに電界を印加するという極めて簡単な手段によって、大量のグラフェンが安価に製造できる。また、全ての黒鉛結晶の層間結合が同時に破壊するため、得られる微細な物質は、確実に黒鉛結晶の基底面であるグラフェンである。
なお、ここで言う黒鉛粒子の集まりとは、１ｇから１００ｇ程度の比較的少量の黒鉛粒子の集まりを言う。つまり、鱗片状黒鉛粒子ないしは塊状黒鉛粒子は、嵩密度が０．２−０．５ｇ／ｃｍ３で、粒子の大きさが１−３００ミクロンの分布を持つ微細な粒子である。従って、黒鉛粒子の集まりを２枚の平行平板電極の間隙に引き詰めることは容易で、２枚の平行平板電極に電位差を印加することも容易である。２枚の平行平板電極の間隙に電位差を印加すると、黒鉛粒子が引きつめられた全ての領域に電界が発生する。この電界が、π軌道の相互作用より大きなクーロン力としてπ電子に作用し、π電子はπ軌道上の拘束から解放され、自由電子になる。この結果、黒鉛粒子における黒鉛結晶の層間結合の全てが同時に破壊され、２枚の平行平板電極の間隙に、グラフェンの集まりが製造される。
ここで、懸濁体中に分散されるグラフェンの数を算術で求める。ここでは、全ての黒鉛粒子が、直径が２５ミクロンの球から構成されると仮定し、黒鉛の真密度が２．２５×１０３ｋｇ／ｍ３であるから、黒鉛粒子の１個の重さは僅かに１．８４×１０−８ｇになる。また、黒鉛粒子の厚みの平均値が１０ミクロンと仮定すると、層間距離が３．３５４オングストロームであるので、１０ミクロンの厚みを持つ鱗片状黒鉛粒子には２９７，２６５個のグラフェンが積層されている。従って、黒鉛結晶の層間結合を全て破壊することで、僅か1個の球状の黒鉛粒子から２９７，２６５個のグラフェンの集まりが得られる。このため、球状の黒鉛粒子の僅か１ｇの集まりについて、全ての黒鉛結晶の層間結合を破壊した際に、１．６２×１０１３個からなるグラフェンの集まりが得られる。従って、本製造方法によって、僅かな量の黒鉛粒子の集まりから、莫大な数からなるグラフェンの集まりが得られる。
【００１０】
８段落に記載したメタノール中で黒鉛粒子からグラフェンの集まりを製造し、該グラフェンの集まりから１枚１枚のグラフェンを取り出す方法は、８段落に記載した有機化合物が、炭素原子数が８−１０の飽和脂肪酸であり、該飽和脂肪酸を８段落に記載した有機化合物として用い、８段落に記載したメタノール中で黒鉛粒子からグラフェンの集まりを製造し、該グラフェンの集まりから１枚１枚のグラフェンを取り出す方法に従って、メタノール中で黒鉛粒子からグラフェンの集まりを製造し、該グラフェンの集まりから１枚１枚のグラフェンを取り出す方法である。
【００１１】
つまり、飽和脂肪酸は、非極性の炭化水素の鎖と極性のカルボキシル基を持つため、パルミチン酸ＣＨ３（ＣＨ２）１４ＣＯＯＨより炭素数が少ない飽和脂肪酸は、炭素数が少ないほどメタノールによく溶け、また、融点が低い。いっぽう、こうした飽和脂肪酸は、融点以上では粘度が高い無色の油性液体で、融点以下では白色の固体である。こうした飽和脂肪酸において、炭素原子数が８−１０の飽和脂肪酸は、融点が１０℃より高く、メタノールに任意の割合で溶け、融点以上ではメタノールの５０倍より高い粘度を持つ。すなわち、炭素原子数が８のカプリル酸（オクタン酸とも言う）は、融点が１６．７℃で、沸点が２３９．７℃で、メタノールに任意の割合で溶ける。炭素原子数が９のペラルゴン酸（ノナン酸とも言う）は、融点が１１−１３℃で、沸点が２４７−２５９℃で、メタノールに任意の割合で溶ける。炭素原子数が１０のカプリン酸（デカン酸とも言う）は、融点が３１℃で、沸点が２７０℃で、メタノールに任意の割合で溶ける。従って、炭素原子数が８−１０の飽和脂肪酸は、メタノールに任意の割合で溶解し、メタノールへの溶解度が高いほど、溶解液の粘度が高まり、メタノールの粘度の３０―４０倍の粘度を持つメタノール溶解液が作成できる。また、８段落に記載した第五の工程の処理において、飽和脂肪酸のメタノール溶解液で覆われた１枚１枚のグラフェンからメタノールを気化させ、さらに、飽和脂肪酸の融点より低い温度に晒すと、固体の飽和脂肪酸で覆われた１枚１枚のグラフェンになり、このグラフェンの集まりから、１枚１枚のグラフェンを取り出せる。さらに、これらの飽和脂肪酸は、吸湿性がなく、酸化せず、化学的に安定な物質であり、固体の飽和脂肪酸で覆われたグラフェンは、経時変化せずに長期間保管ができる。また、これら飽和脂肪酸は、界面活性剤、洗剤、石鹸、香料などを製造する際の原料として用いられている汎用的な工業用薬品である。
従って、炭素原子数が８−１０の飽和脂肪酸は、８段落に記載したグラフェンの集まりから１枚１枚のグラフェンを取り出す方法において、８段落に記載した３つの性質を兼備する安価な有機化合物である。このため、８段落に記載した有機化合物として、炭素原子数が８−１０の飽和脂肪酸を用い、８段落に記載したグラフェンの集まりから１枚１枚のグラフェンを取り出す方法に従った処理を行えば、グラフェンの集まりから１枚１枚のグラフェンを取り出すことができる。
なお、上記の飽和脂肪酸は、エタノールにも任意の割合で溶けるため、メタノールより高価であるが、飽和脂肪酸の溶剤としてエタノールを用いることもできる。
いっぽう、高粘度の有機化合物としてグリコール類がある。しかし、エチレングリコールを除くグリコール類の粘度は、メタノールの５０倍を超えるが、融点が−１０℃より低い。例えば、エチレングリコールはグリコール類の中で粘度が最も低く、２０℃でメタノールの粘度の２７倍であり、グリコール類の中で融点が最も高いが、融点は−１２．９℃と低い。従って、エチレングリコールを除くグリコール類で覆われたグラフェンの集まりから、グラフェンを取り出す際に、極低温に晒すことになり、費用が高価になる。
【００１２】
８段落に記載したメタノール中で黒鉛粒子からグラフェンの集まりを製造し、該グラフェンの集まりから１枚１枚のグラフェンを取り出す方法は、８段落に記載した気流式の粉砕機が、ジェットミル装置であり、該ジェットミル装置を８段落に記載した気流式の粉砕機として用い、８段落に記載したメタノール中で黒鉛粒子からグラフェンの集まりを製造し、該グラフェンの集まりから１枚１枚のグラフェンを取り出す方法に従って、グラフェンの集まりから１枚１枚のグラフェンを取り出す方法である。
【００１３】
つまり、ジェットミル装置は、循環気流に乗って装置内を運動する原料が、ノズルから噴出する圧縮気流によって加速されて原料同士が衝突し、該原料同士の衝突によって原料の粉砕が進む気流式の粉砕機である。従って、ジェットミル装置内に８段落に記載した懸濁体を供給すると、循環気流に乗って懸濁体が装置内で循環し、該懸濁体がノズルから噴出した圧縮気流によって加速され、加速された懸濁体同士が衝突し、こうした現象が繰り返され、懸濁体の粉砕が進む。このジェットミル装置は、次の２つの特徴を持つ。第一に、圧縮空気の断熱膨張によって温度が降下するため、懸濁体同士が衝突する際に懸濁体が昇温せず、懸濁体は一定の温度に保たれる。第二に、圧縮気流で加速された懸濁体同士が衝突し、この際に発生する衝撃力で懸濁体が破砕する。このため、懸濁体の破砕が進むほど、衝突する懸濁体の数が著しく増え、微細になった懸濁体同士の衝突によって、懸濁体の微細化がサブミクロンまで進む。
これら２つの特徴を持つジェットミル装置は、８段落に記載した懸濁体から１枚１枚のグラフェンを取り出す方法において、次の２つの作用効果をもたらす。第一に、懸濁体同士の衝突に関わらず、懸濁体が一定の温度に保たれるため、懸濁体を構成する有機化合物のメタノール溶解液の粘度が一定に保たれる。これによって、グラフェンの集まりを１枚１枚のグラフェンに分離させる処理に適した溶解液の粘度に保たれる。第二に、懸濁体同士が衝突する際の衝撃力は、圧縮気流の供給速度に依存する。このため、懸濁体をジェットミル装置に供給し、圧縮気流の供給速度を、実験で求めた値に設定して、懸濁体同士を連続して衝突させると、懸濁体が有機化合物のメタノール溶解液で覆われた１枚１枚のグラフェンに分離される。この結果、ジェットミル装置による懸濁体の粉砕によって、懸濁体は、有機化合物のメタノール溶解液で覆われた１枚１枚のグラフェンに分離される。
なお、有機化合物の固体の被膜で覆われた１枚の扁平粉から、有機化合物を脱落ないしは気化し、扁平粉を電子顕微鏡で観察すれば、扁平粉がグラフェンであるか否かが判別できる。この結果から、ジェットミル装置に供給する懸濁体の適切な量と、圧縮気流の最適な供給速度とを見出した。また、装置内に供給する気流は、グラフェンの扁平面同士が有機化合物のメタノール溶解液で結合されているため、乾燥した大気がよい。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】グラフェンが固体のカプリル酸で覆われた状態を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
実施例１
本実施例では、８段落に記載した製造方法に従って、１枚１枚に分離されたグラフェンからなるグラフェンの集まりが、メタノール中に分散した懸濁液を製造する。
このため、２枚の平行平板電極の間隙に電界が発生する電極の有効面積を１ｍ×１ｍとし、２枚の平行平板電極が１００μｍの間隙で組み合わせる。この電極間に鱗片状黒鉛粒子の集まりを満遍なく平らに引き詰めた場合、黒鉛粒子を粒径が２５μｍの球とし、黒鉛粒子の厚みの平均値が１０μｍとした場合、２枚の並行平板電極で作られる１００μｍの間隙に、黒鉛粒子が満遍なく一列に整列した場合は、６．４×１０７個の黒鉛粒子が存在する。これらの黒鉛粒子に、１０．６キロボルト以上の直流電圧を印加すれば、全ての黒鉛粒子における黒鉛結晶の層間結合は同時に破壊される。黒鉛粒子の形状と大きさを、前記した条件である場合、１個の黒鉛粒子が持つグラフェンの数を２９７，２６５個とした場合、１．９×１０１３個のグラフェンの集まりを得ることができる。この時に用いた鱗片状黒鉛粒子の集まりの重量は、わずかに１．１８ｇである。
最初に、電界が発生する電極の有効面積が１ｍ×１ｍである平行平板電極の表面に、鱗片状黒鉛粒子（例えば、伊藤黒鉛工業株式会社のＸＤ１００）の１０ｇを重ねて引き詰めた。この平行平板電極を、容器に充填した１０００ｃｃのメタノール中に浸漬し、さらに、もう一方の平行平板電極を前記した平行平板電極の上に重ね合わせ、２枚の平行平板電極を１００μｍの間隙で離間させてメタノール中に浸漬させ、１２キロボルトの直流電圧を電極間に加え、グラフェンの集まりを製造した。次に、２枚の平行平板電極の間隙を拡大し、さらに、２枚の平行平板電極をメタノール中で傾斜させ、０．２Gからなる３方向の振動加速度を容器に加え、この後、容器から２枚の平行平板電極を取り出した。この後、容器内のメタノールに、超音波ホモジナイザー装置（例えば、ヤマト科学株式会社の製品ＬＵＨ３００）によって２０ｋＨｚの超音波振動を２分間加え、１枚１枚に分離されたグラフェンからなる該グラフェンの集まりが、メタノール中に分散した懸濁体を作成した。
【００１６】
実施例２
本実施例は、カプリル酸（例えば、花王株式会社の製品）を有機化合物として用い、扁平面を上にして扁平面同士がカプリル酸のメタノール溶解液を介して重なり合ったグラフェンの集まりからなる新たな懸濁体を作成する。このため、実施例１で製造した１００ｃｃの懸濁体を取り出して容器に充填し、この容器にカプリル酸の８７ｇを混合し、容器に０．２Gからなる３方向の振動加速度を加え、新たな懸濁体を作成した。このカプリル酸のメタノール溶解液の２５℃の粘度は１６．７ｍＰａ秒で、メタノールの粘度の３１倍に相当する。なお、カプリル酸は、香料や染料を製造する際の原料として用いられる、汎用的な工業薬品である。
さらに、新たな懸濁体を、ジェットミル装置（例えば、株式会社セイシン企業の製品で型式Ａ−Ｏ  ＪＥＴ  ＭＩＬＬ）で２０分間処理し、カプリル酸のメタノール溶解液で覆われた１枚１枚のグラフェンに分離させた。このジェットミル装置は、縦型ジェット粉砕機で、装置の下部の粉砕ゾーンに設置された多数のグラインディングノズルから、０．６９ＭＰａの圧力で、０．１２ｍ２／分の風量の圧縮空気が噴出される。この際、新たな懸濁体同士が衝突し微細化される。微細化された新たな懸濁体は、装置内を循環し、再び装置下部の粉砕ゾーンに戻り、再度新たな懸濁体同士が衝突し、さらに微細化される。
処理した新たな懸濁体を回収して容器に移し、容器を６５℃に昇温してメタノールを気化させ、この後、カプリル酸の融点１６．７℃より低い１０℃に放置した。こうして作成した扁平紛の集まりから、１枚ずつの扁平紛を取り出し、扁平粉の側面の端部に付着した粉体を脱落させ、複数の扁平粉の側面を電子顕微鏡で観察した。電子顕微鏡は、ＪＦＥテクノリサーチ株式会社が所有する極低加速電圧ＳＥＭを用いた。この装置は、１００ボルトからの極低加速電圧による表面観察が可能で、試料に導電性の被膜を形成せずに直接試料の表面が観察できる。反射電子線の９００―１０００ボルトの間にある２次電子線を取り出し、これを画像として映し出し、複数の扁平粉の側面を観察した。極めて薄いグラフェンが、３５−３８ｎｍの厚みからなるカプリル酸の固体の被膜で覆われていた。図１に、この状態を拡大して模式的に示す。１はグラフェンで、２はカプリル酸の固体である。
以上に説明したように、８段落に記載した有機化合物としてカプリル酸を用い、実施例１で、メタノール中で黒鉛粒子からグラフェンの集まりを製造し、実施例２で、該グラフェンの集まりから１枚１枚の扁平粉を取り出した。この１枚の扁平粉から固体のカプリル酸を除去すれば、１枚のグラフェンが取り出せることが実証された。
【００１７】
実施例３
本実施例は、カプリン酸（例えば、純正化学株式会社の製品）を有機化合物として用い、扁平面を上にして扁平面同士がカプリン酸のメタノール溶解液を介して重なり合ったグラフェンの集まりからなる新たな懸濁体を作成する。このため、実施例１で製造した１００ｃｃの懸濁体を取り出して容器に充填し、この容器にカプリン酸の１２１ｇを混合し、容器に０．２Gからなる３方向の振動加速度を加え、新たな懸濁体を作成した。このカプリン酸のメタノール溶解液の２５℃の粘度は２０．３ｍＰａ秒で、メタノールの粘度の３８倍に相当する。なお、カプリン酸は、香料、潤滑剤、グリース、ゴム、染料、合成繊維、食品添加物、医薬品などを製造する際の原料として用いられる汎用的な工業薬品である。
さらに、新たな懸濁体を、実施例２と同様に、ジェットミル装置で２０分間処理した。処理した新たな懸濁体を回収し手容器に移し、容器を６５℃に昇温してメタノールを気化させ、この後、カプリン酸の融点３１．５℃より低い２５℃に放置した。こうして作成した扁平紛の集まりから、１枚ずつの扁平紛を取り出し、実施例２と同様に、扁平粉の側面の端部に付着した粉体を脱落させ、複数の扁平粉の側面を電子顕微鏡で観察した。
極めて薄いグラフェンが、３４−３６ｎｍの厚みからなる有機化合物の固体の被膜で覆われていた。従って、実施例２と同様に、扁平粉の集まりからの扁平粉を取り出し、扁平粉から有機化合物の微細結晶の集まりを除去すれば、扁平粉がグラフェンになる。
以上に説明したように、実施例１で、メタノール中で黒鉛粒子からグラフェンの集まりを製造し、実施例２−３で、該グラフェンの集まりから１枚１枚の扁平粉を取り出した。１枚の扁平粉から有機化合物の固体を除去すれば、１枚のグラフェンが取り出せることが実証された。本発明は、安価なグラフェンを用いた部品やデバイスの開発に貢献できる。
【符号の説明】
【００１８】
１  グラフェン    ２  固体のカプリル酸
【図１】
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