(57)【要約】【課題】より簡便に、所望とする分圧でガス分子の吸着が制御できるようにする。【解決手段】分子を吸着する吸着材料を物理的に伸縮させるステップＳ１０１と、吸着材料が分子を吸着するステップＳ１０２とを備える。ステップＳ１０１では、吸着材料を物理的に伸縮せることで、吸着材料に吸着する分子の量を制御する。吸着材料は、例えば、カーボンナノチューブ，グラファイト，窒化ボロン，シリコン結晶など、非常に強固な原子間結合を有する物質によって構成され、伸張によって結合が破壊されないような材料であればよい。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
分子を吸着する吸着材料を物理的に伸縮させるステップと、
前記吸着材料が分子を吸着するステップと
を少なくとも備えることを特徴とする分子吸着特性の制御方法。
【請求項２】
請求項１記載の分子吸着特性の制御方法において、
前記伸縮させるステップでは、
前記吸着材料を伸縮可能な材料に塗布し、この伸縮可能な材料を伸縮させる
ことを特徴とする分子吸着特性の制御方法。
【請求項３】
請求項１または２記載の分子吸着特性の制御方法において、
前記ステップでは、
前記吸着材料と伸縮可能な材料とを混在させてこれらを伸縮させる
ことを特徴とする分子吸着特性の制御方法。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の分子吸着特性の制御方法において、
前記吸着材料は、カーボンナノチューブを含むものである
ことを特徴とする分子吸着特性の制御方法。
【請求項５】
請求項４記載の分子吸着特性の制御方法において、
前記カーボンナノチューブは、カイラリティの制御された単層カーボンナノチューブである
ことを特徴とする分子吸着特性の制御方法。
【請求項６】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の分子吸着特性の制御方法において、
前記吸着材料は、グラファイトを含むものである
ことを特徴とする分子吸着特性の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、分子センシングやガス吸蔵における分子吸着を制御する分子吸着特性の制御方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ガス分子の吸着・放出の制御は、分子センシングやガス吸蔵の分野に於いて非常重要な役割を担っている。ガス分子を吸蔵する材料としては、カーボンナノチューブを用いる技術がある（特許文献１，２参照）。これらの技術では、分圧変化もしくは温度変化によって吸着量の制御が行われてる。
【０００３】
【特許文献１】特開２００５−１８５９５１号公報
【特許文献２】特開２００７−１０５５６４号公報
【非特許文献１】M.J.Bronikoeski, et al., "Gas-phase production of carbon single-walled nanotube form carbon monoxide via the HiPco process: A parametric study", J. Vac. Sci. Technol. A, Vol.19, No.4, pp.1800-1805, 2001
【非特許文献２】L.Yang, et al., "Electronic Structure of Deformed Carbon Nanotubes", Physical Review LETTERS, Vol.85, No.1, pp.154-157, 2000.
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上述したように吸着量の制御をする場合、ガス分子を保持するためには耐圧性の高いボンベなどの特殊な容器を用いる必要があり、コストの増大を招いている。また、上述した制御では、ある特定の分圧下でガス分子の吸着を制御することが不可能である。このように、上述した関連する技術では、簡便に、所望とする分圧でガス分子の吸着を制御することが容易ではないという問題がある。
【０００５】
本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、より簡便に、所望とする分圧でガス分子の吸着が制御できるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明に係る分子吸着特性の制御方法は、分子を吸着する吸着材料を物理的に伸縮させるステップと、吸着材料が分子を吸着するステップとを備える。
【発明の効果】
【０００７】
以上説明したように、本発明によれば、分子を吸着する材料を物理的に伸縮させるようにしたので、より簡便に、所望とする分圧でガス分子の吸着が制御できるようになるという優れた効果が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。図１は、本発明の実施の形態における分子吸着特性の制御方法を説明する説明図である。本実施の形態における分子吸着特性の制御方法は、分子を吸着する吸着材料を物理的に伸縮させるステップＳ１０１と、吸着材料が分子を吸着するステップＳ１０２とを備える方法である。ステップＳ１０１では、吸着材料を物理的に伸縮せることで、吸着材料に吸着する分子の量を制御する。
【０００９】
ここで、吸着材料は、例えば、カーボンナノチューブ，グラファイト，窒化ボロン，シリコン結晶など、非常に強固な原子間結合を有する物質によって構成され、伸張によって結合が破壊されないような材料であればよい。
【００１０】
次に、吸着材料の物理的な伸縮は、吸着材料を伸縮させることを可能にするような基材（例えば圧電素子）に塗布し、この伸縮可能な基材を伸縮させることで行うことができる。また、吸着材料の物理的な伸縮は、吸着材料と伸縮可能な基材とを混在させてこれらの混合体を形成し、この混合体を伸縮させることで行うようにしてもよい。これらのように、伸縮可能な基材を用い、この基材を電場や磁場，また圧力などの外部応力によって伸縮させることで、吸着材料を物理的に伸縮させれば、吸着材料の吸着特性を任意に変更できる。これにより、吸着材料における分子の吸着・放出を、外場によって精密に制御することが可能となる。
【００１１】
例えば、図２に示すように、ステップＳ２０１で、吸着材料を物理的に伸張させ、この後、ステップＳ２０２で、伸張している吸着材料に分子を吸着させるようにすることで、分離の吸着量を増加させることができる。
【００１２】
また、図３に示すように、ステップＳ３０１で、吸着材料に分子を吸着させた後、ステップＳ３０２で、吸着材料を物理的に圧縮させれば、ステップＳ３０３で、吸着材料に吸着していた分子を放出させることができる。
【００１３】
また、図４に示すように、ステップＳ４０１で、吸着材料に分子を吸着させた後、ステップＳ４０２で、吸着材料を物理的に伸張させれば、ステップＳ４０３で、さらに、吸着材料に分子を吸着させることができる。
【００１４】
［実施例］
次に、本発明について、実施例を用いてより詳細に説明する。
【００１５】
まず、伸張による吸着特性の変化が共通のカイラリティを持った、もしくはカイラリティに大きな偏りのある単層カーボンナノチューブの分散溶液を準備する。例えば、直径が小さいためカイラリティ分布が比較的狭いことが知られている「ＨｉＰｃｏ」法（非特許文献１）によって合成されたカーボンナノチューブを、有機溶媒中に超音波によって分散し、上記カーボンナノチューブが分散した分散溶媒を作製する。
【００１６】
次に、図５に示すように、作製した分散溶媒を積層型圧電素子５０１の側面に塗布してカーボンナノチューブ（吸着材料）５０２を付着させ、積層型圧電素子５０１とカーボンナノチューブ５０２との合成素子５０３を作製する。なお、図６に示すように、圧電体など外場の印加によって体積の伸張が期待される多孔質媒体６０１と上記同様の単層のカーボンナノチューブ６０２との混合体６０３を形成し、これを混合素子としてもよい。
【００１７】
次に、以上のようにして作製した合成素子を、高真空チャンバー内に封入（搬入）し、高真空チャンバーの内部を、１０-7Ｐａの高真空に保つ。この状態で、合成素子に電圧を印加して伸張させ、合成素子のカーボンナノチューブを伸張させる。この後、高真空チャンバー内に水素ガスを導入する。この水素ガスの導入により、図７に示すように、伸張しているカーボンナノチューブ７０１に、水素ガス分子７０２を吸着させる。
【００１８】
このようにして、伸張させたカーボンナノチューブに水素ガス分子を吸着させた後、水素ガスの導入を停止し、再びチャンバー内を１０-7Ｐａ以上の高真空な状態とし、残留水素ガスが十分に減少したことを確認する。この後、合成素子に対する電圧の印加を停止する。この後、混合素子を４００℃程度に加熱すると、図８に示すように、カーボンナノチューブ７０１より、水素ガス分子７０２が放出される。
【００１９】
以上の実験において、高真空チャンバーより排出している排出ガスの質量分析から放出された水素ガスを測定し、さらに合成素子を４００℃に加熱した後の水素ガスも測定したところ、カーボンナノチューブの伸張によって２倍程度の吸着量の増加が確認される。このように、混合素子への電圧印加によって圧電体を伸張することで、単層カーボンナノチューブの分子吸着特性を制御することができる。
【００２０】
ところで、カーボンナノチューブのバンドギャップがカーボンナノチューブを物理的に伸張させることによって変化することが知られている（非特許文献２参照）。これに対し、発明者らの理論シミュレーションにより、ガス分子の吸着エネルギーも物理的伸張に大きく依存して変化することが判明した。従って、カーボンナノチューブを意図的に伸縮させることを可能にするような材料（例えば圧電素子）に塗布、もしくは、これらの混合体を形成すれば、吸蔵特性を任意に変化させることができる。なお、伸張による吸着エネルギーの増減は、カーボンナノチューブのカイラリティによって異なるため、カイラリティの制御された単層カーボンナノチューブを用いることが重要となる。
【００２１】
ここで、カーボンナノチューブの構造は、カイラルインデックス（ｎ，ｍ）によって定義される。カーボンナノチューブの伸張による分子吸着特性の変化は、ｍｏｄ（ｎ−ｍ，３）に依存して異なっている。ｍｏｄ（ｎ−ｍ，３）＝０または１の場合は、バンドギャップが増加することに伴い、カーボンナノチューブに対する分子の吸着エネルギーは小さくなる。従って、カーボンナノチューブの伸張によって分子は吸着しづらくなる。
【００２２】
一方、ｍｏｄ（ｎ−ｍ，３）＝２の場合は、バンドギャップが減少するため、カーボンナノチューブは、吸着分子との反応性が高くなる。従って、カーボンナノチューブの伸張によって、分子は吸着しやすくなる。
【００２３】
本実施例で用いる「ＨｉＰｃｏ」法によって生成されたカーボンナノチューブは、経験的にｍｏｄ（ｎ−ｍ，３）＝２となるものが多く、ジグザグナノチューブに近いカイラリティのカーボンナノチューブが多いことがフォトルミネッセンス分光法を用いたカイラリティ分析によって分かっている。従って、本実施例に示すカーボンナノチューブは、機械的伸張によって分子の吸着量が増加すると考えられる。
【００２４】
第一原理電子状態計算によるシミュレーションでは、吸着エネルギーは３％の伸張によって１分子当たり０．０８ｅＶから０．１４ｅＶまで０．６ｅＶ程度増加する。また、３％の伸張により、吸着量は室温において２倍以上増加すると考えられる。
【００２５】
以上に説明した本発明によれば、耐圧性の高いボンベなどの特殊な容器を用いることなく、所望とする分圧下でガス分子の吸着特性制御することが可能となる。これにより、例えば、結晶成長における原料ガスを、ミクロなスケールで一様に供給することが可能になるなど、分子の吸着・放出を外場によって精密に制御することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の実施の形態における分子吸着特性の制御方法を説明する説明図である。
【図２】本発明の実施の形態における他の分子吸着特性の制御方法を説明する説明図である。
【図３】本発明の実施の形態における他の分子吸着特性の制御方法を説明する説明図である。
【図４】本発明の実施の形態における他の分子吸着特性の制御方法を説明する説明図である。
【図５】本発明の実施例における混合素子の構成例を示す構成図である。
【図６】本発明の実施の形態における他の分子吸着特性の制御方法を説明する説明図である。
【図７】カーボンナノチューブに対する水素ガス分子の吸着の状態を説明する説明図である。
【図８】カーボンナノチューブに対する水素ガス分子の放出（脱離）の状態を説明する説明図である。
【符号の説明】
【００２７】
５０１…積層型圧電素子、５０２…カーボンナノチューブ（吸着材料）、５０３…合成素子、６０１…多孔質媒体、６０２…カーボンナノチューブ、６０３…混合体。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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