(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複合品を形成する方法であって、
第１および第２の基材を提供することであって、該基材の各々が接合面を有する、ことと、
成長基材に表面を提供することであって、該表面は、一式の整列した細長いナノ構造を該表面の上または中に備え、該細長いナノ構造の長軸は、該表面に整列し、かつ非平行であり、該成長基材は、平面の表面を備える、ことと、
該成長基材に該第１および第２の基材のうちの少なくとも一方を接触させることであって、これにより、該一式の整列した細長いナノ構造が、該第１および第２の基材のうちの少なくとも一方の該接合面の上または中に配設され、該細長いナノ構造が該接合面の少なくとも１０％の上または中に均一に分散される、ことと、
該第１および第２の基材をそれらのそれぞれの接合面を介して相互に結合することにより該基材の界面を形成することであって、該界面は該一式の整列した細長いナノ構造を備える、ことと
を含む、方法。
【請求項２】
複合品を形成する方法であって、
第１および第２の基材を提供することであって、該基材の各々が接合面を有する、ことと、
成長基材に表面を提供することであって、該表面は一式の整列した細長いナノ構造を該表面の上または中に備え、該細長いナノ構造の長軸は該表面に整列し、かつ非平行であり、該成長基材は平面の表面を備える、ことと、
該成長基材を該第１および第２の基材のうちの少なくとも一方に接触させることにより、該一式の整列した細長いナノ構造が、該第１および第２の基材のうちの少なくとも一方の該接合面の上または中に配設されることであって、該細長いナノ構造は１００ｎｍ以下の平均直径を有する、ことと、
該第１と第２の基材をそれらのそれぞれの接合面を介して相互に結合することにより該基材の界面を形成することであって、該界面は該一式の整列した細長いナノ構造を備える、ことと
を含む、方法。
【請求項３】
複合品を形成する方法であって、
第１および第２の基材を提供することであって、該基材の各々は接合面を有する、ことと、
一式の整列した細長いナノ構造を、該第１および第２の基材のうちの少なくとも一方の該接合面の上または中に配設することにより、該細長いナノ構造が該接合面の少なくとも１０％の上または中に均一に分散されることであって、該配設することは、平面の表面から非平面の表面への該細長いナノ構造の移動を含む、ことと、
該第１と第２の基材とをそれらのそれぞれの接合面を介して相互に結合することにより該基材の界面を形成することであって、該界面は該一式の整列した細長いナノ構造を備える、ことと
を含む、方法。
【請求項４】
前記細長いナノ構造は、ナノチューブ、ナノ繊維、またはナノワイヤである、請求項１〜３のいずれかに記載の方法。
【請求項５】
前記細長いナノ構造は、ナノチューブである、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記細長いナノ構造は、カーボンナノチューブである、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記第１および第２の基材のうちの少なくとも一方は、触媒材料を備える、請求項１〜３のいずれかに記載の方法。
【請求項８】
前記第１および第２の基材のうちの少なくとも一方は、触媒材料を備える、繊維、繊維のトウ、または織物である、請求項１〜３のいずれかに記載の方法。
【請求項９】
前記配設することは、前記第１および第２の基材のうちの少なくとも一方の前記表面上に細長いナノ構造を触媒的に形成することを含む、請求項１〜３のいずれかに記載の方法。
【請求項１０】
前記一式の整列した細長いナノ構造を前記接合面の上または中に配設している間、該細長いナノ構造は、支持材料と関連付けられない、請求項１〜３のいずれかに記載の方法。
【請求項１１】
前記細長いナノ構造の前記長軸は、前記表面に整列しており、かつ垂直である、請求項１〜３のいずれかに記載の方法。
【請求項１２】
接触させることの前、間、および後に、前記細長いナノ構造の前記整列は、維持される、請求項１または２に記載の方法。
【請求項１３】
前記結合することは、前記第１と第２の基材の前記接合面との間での結合材料の追加を含む、請求項１〜３のいずれかに記載の方法。
【請求項１４】
前記基材は、繊維、プリプレグ、樹脂フィルム、乾燥織物、またはトウである、請求項１〜３のいずれかに記載の方法。
【請求項１５】
前記基材は、繊維と、少なくとも１つのポリマー材料とを備える、プリプレグである、請求項１〜３のいずれかに記載の方法。
【請求項１６】
前記基材はさらに、伝導材料、繊維、織物、または細長いナノ構造を備える、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記結合材料は、ポリマー材料である、請求項１３に記載の方法。
【請求項１８】
前記複合材料は、前記一式の整列した細長いナノ構造が欠けている同一の複合材料と、同一の条件下で比較すると、より高い機械的強度／靱性を示す、請求項１〜３のいずれかに記載の方法。
【請求項１９】
前記複合材料は、前記一式の整列した細長いナノ構造が欠けている同一の複合材料と、同一の条件下で比較すると、より高い熱および／または電気伝導度を示す、請求項１〜３のいずれかに記載の方法。
【請求項２０】
前記熱および／または電気伝導度は、異方性である、請求項１〜３のいずれかに記載の方法。
【請求項２１】
接触させることの後に、前記細長いナノ構造に１つ以上の支持材料を追加することをさらに含む、請求項１〜３のいずれかに記載の方法。
【請求項２２】
前記支持材料は、モノマー、ポリマー、繊維、または金属である、請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
前記細長いナノ構造は、前記接合面の少なくとも２０％の上または中に均一に分散される、請求項１〜３のいずれかに記載の方法。
【請求項２４】
前記細長いナノ構造は、１００ｎｍ以下の平均直径を有する、請求項１または３に記載の方法。
【請求項２５】
前記一式の整列した細長いナノ構造から前記成長基材を分離することを含む、請求項１または２に記載の方法。
【請求項２６】
前記ポリマー材料が、伝導材料、繊維、織物、付加的なポリマー材料、またはナノ構造を備える、請求項１７に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（連邦後援の研究開発に関する声明）
この発明は、次の政府契約の下での支援によってなされた：国立科学財団によって与えられるＤＭＩ−０５２１９８５。政府は、この発明に一定の権利を有する。
【０００２】
（発明の分野）
本発明は、概して、ナノ構造の合成および処理と、ナノ構造を備える複合材料と、関連システムおよび方法とに関する。
【背景技術】
【０００３】
複合材料は、２つ以上の構成要素を備える不均質構造であり、その組み合わせは、各構成要素の個々の性質、ならびに関連する場合には相乗効果を活用する。先端複合材料とは、工学的（例えば、人工）繊維が基質に埋め込まれ、典型的には、指向性（異方性）を有する材料が形成されるように、繊維が整列させられているか、または編まれている、材料の一つの種類を指す。先端複合材料の一般的な例は、黒鉛エポキシ（Ｇｒ／Ｅｐ）であり、連続的な整列した炭素繊維（堅い／強い／軽い）が、ポリマー（エポキシ）基質に埋め込まれている。これらのような材料は、数ある用途の中でも、ステルス爆撃機および戦闘機、ならびにスポーツ用品に使用されている。複数の材料を備える先端複合系はまた、性能が軽量化の利益を享受する用途でも有用となり得る。
【０００４】
カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）を、マクロ先端複合材料を含む他の材料と組み合わせることによって、強化された物理的性質、特に、強化された工学的性質を有するさらに新しい材料を生成することができる。具体的には、ＣＮＴは、ポリマー用の増強材として広く研究および適用されてきた。ＣＮＴは、例えば、個々のＣＴＮが熱可塑性物質に埋め込まれ、次いで引き抜かれると、いくつかのポリマーへの強い接着を示すことが示されている。複合材料におけるＣＮＴの使用が研究されている一方で、既存のＣＮＴ加工技術はしばしば、いくつかの欠点を見せる。例えば、ＣＮＴの合成は、しばしば大きい直径および不十分な長さを有する構造をもたらし、それがしばしばＣＮＴ軸の整列不良をもたらす。また、典型的に、２次材料によるＣＮＴの均一な湿潤を必要とする、２次材料中でのＣＮＴの分散は、しばしばＣＮＴ凝集によって妨害される。最後に、特に、ナノチューブの整列が、大型（例えば、約数ミクロンの直径）の先端繊維と、２次材料（基質）と、２次材料中の良好に整列したＣＮＴとを備えるシステムにおいて必要とされる時に、２次材料中でのＣＮＴの整列は、一般的に達成しにくい場合がある。これらの欠点のうちの１つ以上を示す、ＣＮＴの無秩序配設および／または低体積分率から成る複合材料の多数の例がある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
したがって、改良された材料および方法が必要とされる。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、各々が接合面を有する第１および第２の基材を提供するステップと、ナノ構造が接合面の少なくとも１０％の上または中に均一に分散されるように、一式の実質的に整列したナノ構造を、第１および第２の基材のうちの少なくとも一方の接合面の上または中に配設するステップと、基材の界面を形成するように、それぞれの接合面を介して第１および第２の基材を相互に結合するステップであって、界面は、一式の実質的に整列したナノ構造を備える、ステップとを含む、複合品を形成する方法を提供する。
【０００７】
本発明はまた、各々が接合面を有する第１および第２の基材を提供するステップと、一式の実質的に整列したナノ構造を、第１および第２の基材のうちの少なくとも一方の接合面の上または中に配設するステップであって、ナノ構造は、１００ｎｍ以下の平均直径を有する、ステップと、基材の界面を形成するように、それぞれの接合面を介して第１および第２の基材を相互に結合するステップであって、界面は、一式の実質的に整列したナノ構造を備える、ステップとを含む、複合品を形成する方法も提供する。
【０００８】
本発明はまた、結束構造を形成するように相互に関連付けられた複数の繊維を備える、基材を提供するステップと、ナノ構造が構造の全体にわたって実質的に均一に分散されるように、複数の繊維と関連して一式の実質的に整列したナノ構造を配設するステップとを含む、複合品を形成する方法も提供する。
【０００９】
本発明はまた、各々が接合面を有する第１および第２のプリプレグ複合合板層を提供するステップと、ナノチューブが接合面の少なくとも１０％の上または中に均一に分散されるように、一式の実質的に整列したナノ構造を、第１および第２の複合合板層のうちの少なくとも一方の接合面の上または中に配設するステップと、合板層の界面を形成するように、それぞれの接合面を介して、第１および第２の複合合板層を相互に結合するステップであって、界面は、一式の実質的に整列したナノチューブを備える、ステップと、ナノチューブおよびプリプレグ複合材を結合するようにプリプレグを硬化するステップとを含む、複合品を形成する方法も提供する。
【００１０】
本発明はまた、成長基材に、一式の実質的に整列したナノ構造を表面の上または中に備える表面を提供するステップであって、ナノ構造の長軸は、表面と実質的に非平行である配向で実質的に整列させられる、ステップと、ナノ構造の長軸が表面と平行な配向で実質的に整列しているように、ナノ構造の配向を変化させる機械的工具で基材を処理するステップとを含む、複合品を形成する方法も提供する。
【００１１】
本発明はまた、材料層の界面を形成する、第１の材料層と、第１の材料層に一体化して接続される第２の材料層とを備える、複合品であって、界面は、界面の少なくとも１０％の全体を通して均一に分散される、一式のナノ構造を備え、ナノ構造の長軸は、材料層の界面と実質的に整列し、かつ非平行である、複合品にも関する。
【００１２】
本発明はまた、材料層の界面を形成する、第１の材料層と、第１の材料層に一体化して接続される第２の材料層とを備える、複合品であって、界面は、一式のナノ構造を備え、ナノ構造の長軸は、材料層の界面と実質的に整列し、かつ非平行であり、ナノ構造は、１００ｎｍ以下の平均直径を有する、複合品にも関する。
【００１３】
本発明はまた、結束構造を形成するように相互に関連付けられた複数の繊維を備える基材と、ナノ構造が構造の全体を通して本質的に均一に分散されるように、複数の繊維と関連して配設される一式のナノ構造とを備える、複合品にも関する。
【００１４】
本発明はまた、成長基材に触媒材料を備える表面を提供するステップと、表面上でのナノ構造の触媒的形成を引き起こすように選択される一式の条件に成長基材の第１の部分を暴露させるステップと、一式の条件に成長基材の第１の部分を暴露させている間に、成長基材の第２の部分からナノ構造を除去するステップと、該成長基材との暴露させる行為および除去する行為を少なくとも１回繰り返すステップとを含む、ナノ構造を成長させる方法も提供する。
【００１５】
本発明はまた、成長基材に第１の触媒材料を備える表面を提供するステップと、表面上でのナノ構造の触媒的形成を引き起こすように選択される第１の一式の条件に成長基材の第１の部分を暴露させるステップと、第１の一式の条件に成長基材の第１の部分を暴露させている間に、第１の触媒材料を再活性化するか、または第１の触媒材料を第２の触媒材料と交換するように選択される第２の一式の条件に対して、成長基材の第２の部分を処理するステップとを含む、ナノ構造を成長させる方法も提供する。
【００１６】
本発明はまた、成長基材に第１の触媒材料を備える表面を提供するステップと、表面上でのナノ構造の触媒的形成を引き起こすように選択される第１の一式の条件に成長基材の第１の部分を暴露させるステップと、成長基材の表面からナノ構造を除去するステップと、第１の触媒材料を再活性化するか、または第１の触媒材料を第２の触媒材料と交換するように選択される第２の一式の条件に対して、成長基材を処理するステップとを含む、ナノ構造を成長させる方法も提供する。
【００１７】
本発明はまた、その上でナノ構造を成長させるために好適な表面を伴う成長基材であって、触媒材料を備える成長基材と、成長基材の表面上でのナノ構造の触媒的形成を引き起こすように選択される一式の条件に成長基材の表面を暴露させることが可能な領域と、成長基材の表面からナノ構造を除去するように選択される一式の条件に成長基材の表面を暴露させることが可能な領域とを備える、ナノ構造を成長させるためのシステムも提供する。
【００１８】
本発明はまた、その上でナノ構造を成長させるために好適な表面を伴う成長基材と、成長基材の表面上でのナノ構造の触媒的形成を引き起こすように選択される一式の条件に成長基材の表面を暴露させることが可能な領域と、成長基材の表面からナノ構造を除去するように選択される一式の条件に成長基材の表面を暴露させることが可能な領域と、第１の触媒材料を再活性化するか、または第１の触媒材料を第２の触媒材料と交換するように選択される一式の条件に、成長基材の表面を暴露させることが可能な領域とを備え、成長基材は、回転可能、中空、および円筒形の基材であり、ナノ構造は、成長基材の表面の直接上に形成される、ナノ構造を成長させるためのシステムも提供する。
【００１９】
本発明はまた、その上でナノ構造を成長させるために好適な表面を有する成長基材であって、表面は、位相的連続表面である、成長基材と、成長基材の表面上でのナノ構造の触媒的形成を引き起こすように選択される一式の条件に、成長基材の表面の第１の部分を暴露させることが可能な領域と、成長基材からの触媒材料の実質的な除去なしで、成長基材の表面からナノ構造を除去するように選択される一式の条件に、成長基材の表面の第２の部分を暴露させることが可能な領域と、成長基材の表面上の触媒材料を化学処理するように選択される一式の条件に、成長基材の表面の第３の部分を暴露させることが可能な領域とを備え、動作中、少なくとも２つの領域は、同時に操作される、ナノ構造を成長させるためのシステムも提供する。
【００２０】
本発明はまた、各々が接合面を有する第１および第２の基材を提供するステップと、ナノ構造が、接合面の少なくとも１０％の上または中に均一に分散されるように、一式の実質的に整列したナノ構造を、第１および第２の基材のうちの少なくとも一方の接合面の上または中に配設するステップであって、配設するステップは、実質的に平面の表面から非平面の表面へのナノ構造の移動を含む、ステップと、基材の界面を形成するように、それぞれの接合面を介して、第１および第２の基材を相互に結合するステップであって、界面は、一式の実質的に整列したナノ構造を備える、ステップとを含む、複合品を形成するための方法も提供する。
例えば、本発明は以下の項目を提供する。
（項目１）
複合品を形成する方法であって、
第１および第２の基材を提供することであって、該基材の各々が接合面を有する、ことと、
成長基材に表面を提供することであって、該表面は、一式の実質的に整列したナノ構造を該表面の上または中に備え、該ナノ構造の長軸は、該表面に実質的に整列し、かつ非平行であり、該成長基材は、実質的に平面の表面を備える、ことと、
該成長基材に該第１および第２の基材のうちの少なくとも一方を接触させることであって、これにより、該一式の実質的に整列したナノ構造が、該第１および第２の基材のうちの少なくとも一方の該接合面の上または中に配設され、該ナノ構造が該接合面の少なくとも１０％の上または中に均一に分散される、ことと、
任意的に、該一式の実質的に整列したナノ構造から該成長基材を分離することと、
該第１および第２の基材をそれらのそれぞれの接合面を介して相互に結合することにより該基材の界面を形成することであって、該界面は該一式の実質的に整列したナノ構造を備える、ことと
を含む、方法。
（項目２）
上記ナノ構造は、ナノチューブ、ナノ繊維、またはナノワイヤである、項目１に記載の方法。
（項目３）
上記ナノ構造は、ナノチューブである、項目１に記載の方法。
（項目４）
上記ナノ構造は、カーボンナノチューブである、項目１に記載の方法。
（項目５）
上記第１および第２の基材のうちの少なくとも一方は、触媒材料を備える、項目１に記載の方法。
（項目６）
上記第１および第２の基材のうちの少なくとも一方は、触媒材料を備える、繊維、繊維のトウ、または織物である、項目１に記載の方法。
（項目７）
上記配設することは、上記第１および第２の基材のうちの少なくとも一方の上記表面上にナノ構造を触媒的に形成することを含む、項目１に記載の方法。
（項目８）
上記一式の実質的に整列したナノ構造を上記接合面の上または中に配設している間、該ナノ構造は、支持材料と関連付けられない、項目１に記載の方法。
（項目９）
上記ナノ構造の上記長軸は、上記表面に実質的に整列しており、かつ垂直である、項目１に記載の方法。
（項目１０）
接触させることの前、間、および後に、上記ナノ構造の上記整列は、実質的に維持される、項目１に記載の方法。
（項目１１）
上記結合することは、上記第１と第２の基材の上記接合面との間での結合材料の追加を含む、項目１に記載の方法。
（項目１２）
上記基材は、繊維、プリプレグ、樹脂フィルム、乾燥織物、またはトウである、項目１に記載の方法。
（項目１３）
上記基材は、繊維と、少なくとも１つのポリマー材料とを備える、プリプレグである、項目１に記載の方法。
（項目１４）
上記基材はさらに、伝導材料、繊維、織物、またはナノ構造を備える、項目１３に記載の方法。
（項目１５）
上記結合材料は、任意的に、伝導材料、繊維、織物、付加的なポリマー材料、またはナノ構造を備える、ポリマー材料である、項目１１に記載の方法。
（項目１６）
上記複合材料は、上記一式の実質的に整列したナノ構造が欠けている本質的に同一の複合材料と、本質的に同一の条件下で比較すると、より高い機械的強度／靱性を示す、項目１に記載の方法。
（項目１７）
上記複合材料は、上記一式の実質的に整列したナノ構造が欠けている本質的に同一の複合材料と、本質的に同一の条件下で比較すると、より高い熱および／または電気伝導度を示す、項目１に記載の方法。
（項目１８）
上記熱および／または電気伝導度は、異方性である、項目１に記載の方法。
（項目１９）
接触させることの後に、上記ナノ構造に１つ以上の支持材料を追加することをさらに含む、項目１に記載の方法。
（項目２０）
上記支持材料は、モノマー、ポリマー、繊維、または金属である、項目１９に記載の方法。
（項目２１）
上記ナノ構造は、上記接合面の少なくとも２０％の上または中に均一に分散される、項目１に記載の方法。
（項目２２）
上記ナノ構造は、上記接合面の少なくとも３０％の上または中に均一に分散される、項目１に記載の方法。
（項目２３）
上記ナノ構造は、上記接合面の少なくとも４０％の上または中に均一に分散される、項目１に記載の方法。
（項目２４）
上記ナノ構造は、上記接合面の少なくとも５０％の上または中に均一に分散される、項目１に記載の方法。
（項目２５）
上記ナノ構造は、上記接合面の少なくとも６０％の上または中に均一に分散される、項目１に記載の方法。
（項目２６）
上記ナノ構造は、上記接合面の少なくとも７０％の上または中に均一に分散される、項目１に記載の方法。
（項目２７）
上記ナノ構造は、上記接合面の少なくとも８０％の上または中に均一に分散される、項目１に記載の方法。
（項目２８）
上記ナノ構造は、上記接合面の少なくとも９０％の上または中に均一に分散される、項目１に記載の方法。
（項目２９）
上記ナノ構造は、上記接合面の少なくとも９５％の上または中に均一に分散される、項目１に記載の方法。
（項目３０）
上記ナノ構造は、上記接合面の実質的に大部分の上または中に均一に分散される、項目１に記載の方法。
（項目３１）
上記ナノ構造は、１００ｎｍ以下の平均直径を有する、項目１に記載の方法。
（項目３２）
上記ナノ構造は、７５ｎｍ以下の平均直径を有する、項目１に記載の方法。
（項目３３）
上記ナノ構造は、５０ｎｍ以下の平均直径を有する、項目１に記載の方法。
（項目３４）
上記ナノ構造は、２５ｎｍ以下の平均直径を有する、項目１に記載の方法。
（項目３５）
上記ナノ構造は、１０ｎｍ以下の平均直径を有する、項目１に記載の方法。
（項目３６）
複合品を形成する方法であって、
第１および第２の基材を提供することであって、該基材の各々が接合面を有する、ことと、
成長基材に表面を提供することであって、該表面は一式の実質的に整列したナノ構造を該表面の上または中に備え、該ナノ構造の長軸は該表面に実質的に整列し、かつ非平行であり、該成長基材は実質的に平面の表面を備える、ことと、
該成長基材を該第１および第２の基材のうちの少なくとも一方に接触させることにより、該一式の実質的に整列したナノ構造が、該第１および第２の基材のうちの少なくとも一方の該接合面の上または中に配設されることであって、該ナノ構造は１００ｎｍ以下の平均直径を有する、ことと、
任意的に、該一式の実質的に整列したナノ構造から該成長基材を分離することと、
該第１と第２の基材をそれらのそれぞれの接合面を介して相互に結合することにより該基材の界面を形成することであって、該界面は該一式の実質的に整列したナノ構造を備える、ことと
を含む、方法。
（項目３７）
上記ナノ構造は、ナノチューブ、ナノ繊維、またはナノワイヤである、項目３６に記載の方法。
（項目３８）
上記ナノ構造は、ナノチューブである、項目３６に記載の方法。
（項目３９）
上記ナノ構造は、カーボンナノチューブである、項目３６に記載の方法。
（項目４０）
上記第１および第２の基材のうちの少なくとも一方は、触媒材料を備える、項目３６に記載の方法。
（項目４１）
上記第１および第２の基材のうちの少なくとも一方は、触媒材料を備える、繊維、繊維のトウ、または織物である、項目３６に記載の方法。
（項目４２）
上記配設することは、上記第１および第２の基材のうちの少なくとも一方の上記表面上にナノ構造を触媒的に形成することを含む、項目３６に記載の方法。
（項目４３）
上記一式の実質的に整列したナノ構造を上記接合面の上または中に配設している間、該ナノ構造は支持材料と関連付けられない、項目３６に記載の方法。
（項目４４）
上記ナノ構造の上記長軸は、上記表面に実質的に整列し、かつ垂直である、項目３６に記載の方法。
（項目４５）
接触させることの前、間、および後に、上記ナノ構造の上記整列は、実質的に維持される、項目４４に記載の方法。
（項目４６）
上記結合するステップは、上記第１と第２の基材の上記接合面との間での結合材料の追加を含む、項目３６に記載の方法。
（項目４７）
上記基材は、繊維、プリプレグ、樹脂フィルム、乾燥織物、またはトウである、項目３６に記載の方法。
（項目４８）
上記基材は、繊維と、少なくとも１つのポリマー材料とを備える、プリプレグである、項目３６に記載の方法。
（項目４９）
上記基材はさらに、伝導材料、繊維、織物、またはナノ構造を備える、項目４８に記載の方法。
（項目５０）
上記結合材料は、任意的に、伝導材料、繊維、織物、付加的なポリマー材料、またはナノ構造を備える、ポリマー材料である、項目４６に記載の方法。
（項目５１）
上記複合材料は、上記一式の実質的に整列したナノ構造が欠けている本質的に同一の複合材料と、本質的に同一の条件下で比較すると、より高い機械的強度／靱性を示す、項目３６に記載の方法。
（項目５２）
上記複合材料は、上記一式の実質的に整列したナノ構造が欠けている本質的に同一の複合材料と、本質的に同一の条件下で比較すると、より高い熱および／または電気伝導度を示す、項目３６に記載の方法。
（項目５３）
上記熱および／または電気伝導度は、異方性である、項目３６に記載の方法。
（項目５４）
配設することの後に、上記ナノ構造に１つ以上の支持材料を追加することをさらに含む、項目３６に記載の方法。
（項目５５）
上記支持材料は、モノマー、ポリマー、繊維、または金属である、項目５４に記載の方法。
（項目５６）
上記ナノ構造は、上記接合面の少なくとも１０％の上または中に均一に分散される、項目３６に記載の方法。
（項目５７）
上記ナノ構造は、上記接合面の少なくとも２０％の上または中に均一に分散される、項目３６に記載の方法。
（項目５８）
上記ナノ構造は、上記接合面の少なくとも３０％の上または中に均一に分散される、項目３６に記載の方法。
（項目５９）
上記ナノ構造は、上記接合面の少なくとも４０％の上または中に均一に分散される、項目３６に記載の方法。
（項目６０）
上記ナノ構造は、上記接合面の少なくとも５０％の上または中に均一に分散される、項目３６に記載の方法。
（項目６１）
上記ナノ構造は、上記接合面の少なくとも６０％の上または中に均一に分散される、項目３６に記載の方法。
（項目６２）
上記ナノ構造は、上記接合面の少なくとも７０％の上または中に均一に分散される、項目３６に記載の方法。
（項目６３）
上記ナノ構造は、上記接合面の少なくとも８０％の上または中に均一に分散される、項目３６に記載の方法。
（項目６４）
上記ナノ構造は、上記接合面の少なくとも９０％の上または中に均一に分散される、項目３６に記載の方法。
（項目６５）
上記ナノ構造は、上記接合面の少なくとも９５％の上または中に均一に分散される、項目３６に記載の方法。
（項目６６）
上記ナノ構造は、上記接合面の実質的大部分の上または中に均一に分散される、項目３６に記載の方法。
（項目６７）
上記ナノ構造は、７５ｎｍ以下の平均直径を有する、項目３６に記載の方法。
（項目６８）
上記ナノ構造は、５０ｎｍ以下の平均直径を有する、項目３６に記載の方法。
（項目６９）
上記ナノ構造は、２５ｎｍ以下の平均直径を有する、項目３６に記載の方法。
（項目７０）
上記ナノ構造は、１０ｎｍ以下の平均直径を有する、項目３６に記載の方法。
（項目７１）
複合品を形成する方法であって、
第１および第２の基材を提供することであって、該基材の各々は接合面を有する、ことと、
一式の実質的に整列したナノ構造を、該第１および第２の基材のうちの少なくとも一方の該接合面の上または中に配設することにより、該ナノ構造が該接合面の少なくとも１０％の上または中に均一に分散されることであって、該配設することは、実質的に平面の表面から非平面の平面への該ナノ構造の移動を含む、ことと、
該第１と第２の基材とをそれらのそれぞれの接合面を介して相互に結合することにより該基材の界面を形成することであって、該界面は該一式の実質的に整列したナノ構造を備える、ことと
を含む、方法。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１Ａ】図１Ａは、円筒形成長基材の表面上のナノ構造の成長である。
【図１Ｂ】図１Ｂは、成長基材上の触媒ナノ粒子から成長するカーボンナノチューブの概略図を示す。
【図１Ｃ】図１Ｃは、成長基材上のナノ構造のフィルムの製造における種々の段階を示す。
【図２】図２は、成長基材の再循環を伴う、ナノ構造の連続成長のための連続過程における種々の段階を示す。
【図３】図３は、ナノ構造の成長のための連続プロセスで使用される、連続再循環成長基材を示す。
【図４】図４は、ナノ構造の成長のための多孔質成長基材を示す。
【図５】図５は、ローラ上のナノ構造の成長のための成長基材に反応材料を供給することが可能な構成要素の上に配設された、成長基材を示す。
【図６Ａ】図６Ａは、本発明の一実施形態による、第１の基材から第２の基材へのナノ構造の移動を示す。
【図６Ｂ】図６Ｂは、本発明の一実施形態による、成長基材から受容基材へのナノ構造の連続移動を示す。
【図７Ａ】図７は、（ａ）整列したナノ構造の層および（ｂ）整列したナノ構造のパターンのために、ナノ構造の整列を改変するためのプロセスを示す。
【図７Ｂ】図７は、（ａ）整列したナノ構造の層および（ｂ）整列したナノ構造のパターンのために、ナノ構造の整列を改変するためのプロセスを示す。
【図８】図８は、２つの材料の間の界面における補強ナノ構造「柱」の配置を示す。
【図９Ａ】図９Ａは、材料内の隣接する繊維のナノチューブの薄層内相互作用を図示する。
【図９Ｂ】図９Ｂは、複合材料の隣接する構成要素のナノチューブの薄層内相互作用を図示する。
【図９Ｃ】図９Ｃは、整列したナノ構造を含有する材料の形成における種々の段階を示す。
【図９Ｄ】図９Ｄは、整列したナノ構造を含有する複合材料の形成における種々の段階を示す。
【図９Ｅ】図９Ｅは、整列したナノ構造を含有する複合材料の形成を示す。
【図９Ｆ】図９Ｆは、２つの材料層と、材料層の間にナノ構造を備える界面とを備える、複合材料を示す。
【図９Ｇ】図９Ｇは、各繊維が繊維の表面上に配設されたナノ構造を有する、織物パターンで配列設された一式の繊維を備える、材料を示す。
【図１０】図１０は、ナノ構造半径の関数としての抵抗比のグラフを示す。
【図１１Ａ】図１１は、整列したカーボンナノチューブ「森林」の（ａ）斜位像（縮尺６５０μｍ、７０°傾斜台）ＳＥＭ画像と、（ｂ）側面像ＳＡＭ画像（縮尺０．５μｍ）を示す。
【図１１Ｂ】図１１は、整列したカーボンナノチューブ「森林」の（ａ）斜位像（縮尺６５０μｍ、７０°傾斜台）ＳＥＭ画像と、（ｂ）側面像ＳＡＭ画像（縮尺０．５μｍ）を示す。
【図１２Ａ】図１２は、リソグラフィでパターン化したＦｅ／Ａｌ２Ｏ３触媒から成長させられた、（ａ）カーボンナノチューブ柱の配列と、（ｂ）カーボンナノチューブの複雑パターンとを示す。
【図１２Ｂ】図１２は、リソグラフィでパターン化したＦｅ／Ａｌ２Ｏ３触媒から成長させられた、（ａ）カーボンナノチューブ柱の配列と、（ｂ）カーボンナノチューブの複雑パターンとを示す。
【図１３】図１３は、カーボンナノチューブの整列したフィルムからの多層カーボンナノチューブのＨＲＴＥＭ画像を示す（最初の図の縮尺２０ｎｍ、差し込み図の縮尺１０ｎｍ）。
【図１４】図１４は、（ａ）１００／５００／２００ｓｃｃｍのＣ２Ｈ４／Ｈ２／Ａｒで１５分の均等成長時間にわたって異なる温度で成長させられた、整列したカーボンナノチューブフィルムの最終的な厚さと、（ｂ）７５０℃で１５分の均等成長時間にわたって（５００／２００ｓｃｃｍのＨ２／Ａｒに加えて）異なるＣ２Ｈ４流で成長させられた、整列したカーボンナノチューブフィルムの最終的な厚さとを示す。
【図１５Ａ】図１５は、（ａ）１００ミクロン縮尺および（ｂ）２０ミクロン縮尺における、鉄触媒材料が装填されたＡｌ２Ｏ３繊維のＳＥＭ画像を示す。
【図１５Ｂ】図１５は、（ａ）１００ミクロン縮尺および（ｂ）２０ミクロン縮尺における、鉄触媒材料が装填されたＡｌ２Ｏ３繊維のＳＥＭ画像を示す。
【図１６】図１６は、（ａ）カーボンナノチューブ被覆したＡｌ２Ｏ３繊維（２０ミクロン縮尺）、および（ｂ）Ａｌ２Ｏ３繊維上のカーボンナノチューブの整列（１ミクロン縮尺）を示す。
【図１７】図１７は、（ａ）５０倍率および（ｂ）２５０倍率における、カーボンナノチューブ被覆したＡｌ２Ｏ３繊維束のＳＥＭ画像を示す。
【図１８】図１８は、（ａ）１ｍＭのＦｅ溶液、（ｂ）１０ｍＭのＦｅ溶液、および（ｃ）１００ｍＭのＦｅ溶液による化学蒸着（ＣＶＤ）を介して、鉄触媒材料で被覆されたＡｌ２Ｏ３繊維のＳＥＭ画像、および（ｄ）１００ｍＭのＦｅ溶液中の急速加熱ＣＶＤ順序によって形成された、被覆繊維のＳＥＭ画像を示す。
【図１９Ａ】図１９Ａは、エポキシ基質に埋め込まれた、整列したカーボンナノチューブ柱の配設のＳＥＭ画像を示し、エポキシによる柱の効果的な湿潤を示す。
【図１９Ｂ】図１９Ｂは、ナノチューブ／エポキシ界面を示す、埋め込まれたカーボンナノチューブ柱の接近像を示す。
【図２０Ａ】図２０Ａは、浸水プロセスによってカーボンナノチューブ「森林」によって浸透されたエポキシのＳＥＭ画像を示し、カーボンナノチューブ湿潤の有効性が示された。
【図２０Ｂ】図２０Ｂは、カーボンナノチューブ／エポキシアセンブリの断面図を示す。
【図２０Ｃ】図２０Ｃは、約５％の体積分率を伴うカーボンナノチューブ／ＳＵ−８複合材料のＳＥＭ画像を示す。
【図２０Ｄ】図２０Ｄは、より大きい倍率における、約５％の体積分率を伴うカーボンナノチューブ／ＳＵ−８複合材料の別のＳＥＭ画像を示す。
【図２０Ｅ】図２０Ｅは、１０％体積分率のカーボンナノチューブ／ＲＴＭ６複合材料のＳＥＭ画像を示す。
【図２０Ｆ】図２０Ｆは、より大きい倍率における、１０％体積分率のカーボンナノチューブ／ＲＴＭ６複合材料の別のＳＥＭ画像を示す。
【図２１】図２１は、（ａ）２００ミクロンおよび（ｂ）２０ミクロン縮尺における、その表面上にカーボンナノチューブの森林を含有するプリプレグのＳＥＭ画像を示す。
【図２２Ａ】図２２は、（ａ）２００ミクロンおよび（ｂ）１０ミクロン縮尺における、黒鉛／エポキシプリプレグの２つの合板層の間にカーボンナノチューブ層を含有する、複合材料のＳＥＭ画像、および（ｃ）複合材料の破壊靱性の増加を示すグラフを示す。
【図２２Ｂ】図２２は、（ａ）２００ミクロンおよび（ｂ）１０ミクロン縮尺における、黒鉛／エポキシプリプレグの２つの合板層の間にカーボンナノチューブ層を含有する、複合材料のＳＥＭ画像、および（ｃ）複合材料の破壊靱性の増加を示すグラフを示す。
【図２２Ｃ】図２２は、（ａ）２００ミクロンおよび（ｂ）１０ミクロン縮尺における、黒鉛／エポキシプリプレグの２つの合板層の間にカーボンナノチューブ層を含有する、複合材料のＳＥＭ画像、および（ｃ）複合材料の破壊靱性の増加を示すグラフを示す。
【図２３】図２３は、複合構造の真空支援硬化を図示する。
【図２４Ａ】図２４Ａは、カーボンナノチューブ／アルミナ／エポキシナノ加工積層の写真を示す。
【図２４Ｂ】図２４Ｂは、カーボンナノチューブ／アルミナ／エポキシナノ加工積層の切断サンプルの写真を示す。
【図２５Ａ】図２５Ａは、ショートビームせん断（ＳＢＳ）装置の中に配置されたカーボンナノチューブを備える、複合構造を示す。
【図２５Ｂ】図２５Ｂは、カーボンナノチューブを伴う複合構造および伴わない複合構造のＳＢＳ試験の結果を示す。
【図２６Ａ】図２６は、黒鉛繊維上で成長させられたカーボンナノチューブのＳＥＭ画像を示す。
【図２６Ｂ】図２６は、黒鉛繊維上で成長させられたカーボンナノチューブのＳＥＭ画像を示す。
【図２６Ｃ】図２６は、黒鉛繊維上で成長させられたカーボンナノチューブのＳＥＭ画像を示す。
【図２７Ａ】図２７Ａ−Ｄは、シリコン基材から黒鉛／エポキシプリプレグへと移植されたカーボンナノチューブのＳＥＭ画像を示す。
【図２７Ｂ】図２７Ａ−Ｄは、シリコン基材から黒鉛／エポキシプリプレグへと移植されたカーボンナノチューブのＳＥＭ画像を示す。
【図２７Ｃ】図２７Ａ−Ｄは、シリコン基材から黒鉛／エポキシプリプレグへと移植されたカーボンナノチューブのＳＥＭ画像を示す。
【図２７Ｄ】図２７Ａ−Ｄは、シリコン基材から黒鉛／エポキシプリプレグへと移植されたカーボンナノチューブのＳＥＭ画像を示す。
【図２８Ａ】図２８Ａ−Ｃは、完全湿潤カーボンナノチューブ／エポキシ柱のＳＥＭ画像を示す。
【図２８Ｂ】図２８Ａ−Ｃは、完全湿潤カーボンナノチューブ／エポキシ柱のＳＥＭ画像を示す。
【図２８Ｃ】図２８Ａ−Ｃは、完全湿潤カーボンナノチューブ／エポキシ柱のＳＥＭ画像を示す。
【図２９】図２９は、カーボンナノチューブ／アルミナ繊維／エポキシ薄層内構造のＳＥＭ画像を示し、繊維の完全湿潤および規則的分布が観察された。
【図３０Ａ】図３０は、（ａ）非被覆アルミナ布、（ｂ）触媒材料の塗布後のアルミナ布、（ｃ）調整済み触媒を伴うアルミナ布、および（ｄ）布の繊維の表面上で成長させられたカーボンナノチューブを含む、カーボンナノチューブ成長の種々の段階におけるアルミナ布のサンプルを示す。
【図３０Ｂ】図３０は、（ａ）非被覆アルミナ布、（ｂ）触媒材料の塗布後のアルミナ布、（ｃ）調整済み触媒を伴うアルミナ布、および（ｄ）布の繊維の表面上で成長させられたカーボンナノチューブを含む、カーボンナノチューブ成長の種々の段階におけるアルミナ布のサンプルを示す。
【図３０Ｃ】図３０は、（ａ）非被覆アルミナ布、（ｂ）触媒材料の塗布後のアルミナ布、（ｃ）調整済み触媒を伴うアルミナ布、および（ｄ）布の繊維の表面上で成長させられたカーボンナノチューブを含む、カーボンナノチューブ成長の種々の段階におけるアルミナ布のサンプルを示す。
【図３０Ｄ】図３０は、（ａ）非被覆アルミナ布、（ｂ）触媒材料の塗布後のアルミナ布、（ｃ）調整済み触媒を伴うアルミナ布、および（ｄ）布の繊維の表面上で成長させられたカーボンナノチューブを含む、カーボンナノチューブ成長の種々の段階におけるアルミナ布のサンプルを示す。
【図３１Ａ】図３１Ａは、複合材料が２つの銀塗料電極の間に配置され、その電気的性質が測定された、電気伝導度試験用の実験装置を図式的に示す。
【図３１Ｂ】図３１Ｂは、電気抵抗率測定からの結果を示す。
【図３２Ａ】図３２は、（ａ）カーボンナノチューブの成長条件への暴露の間隔時における、成長基材上で成長させられた、整列したカーボンナノチューブのフィルムの厚さのリアルタイム測定と、（ｂ）産生されたカーボンナノチューブフィルムのＳＥＭ画像と、（ｃ）各層が１間隔あたりのカーボンナノチューブの成長を表す、カーボンナノチューブ層の分離とを示す。
【図３２Ｂ】図３２は、（ａ）カーボンナノチューブの成長条件への暴露の間隔時における、成長基材上で成長させられた、整列したカーボンナノチューブのフィルムの厚さのリアルタイム測定と、（ｂ）産生されたカーボンナノチューブフィルムのＳＥＭ画像と、（ｃ）各層が１間隔あたりのカーボンナノチューブの成長を表す、カーボンナノチューブ層の分離とを示す。
【図３２Ｃ】図３２は、（ａ）カーボンナノチューブの成長条件への暴露の間隔時における、成長基材上で成長させられた、整列したカーボンナノチューブのフィルムの厚さのリアルタイム測定と、（ｂ）産生されたカーボンナノチューブフィルムのＳＥＭ画像と、（ｃ）各層が１間隔あたりのカーボンナノチューブの成長を表す、カーボンナノチューブ層の分離とを示す。
【図３３】図３３は、（ａ）蒸着後であるが熱または化学処理前、（ｂ）アルゴン雰囲気中での加熱および後続の冷却後、および（ｃ）アルゴン／Ｈ２雰囲気中での加熱および後続の冷却後の、シリコン基材上のＦｅ／Ａｌ２Ｏ３（１／１０ｎｍ）支持触媒フィルムの表面地形のＡＦＭ画像を示す。
【図３４Ａ】図３４Ａは、転動電気接点を使用して抵抗加熱される、成長基材の概略図を示す。
【図３４Ｂ】図３４Ｂは、成長基材上でのナノ構造の成長を可能にするように、成長基材の縁のみに接触する最上接点を示す。
【図３５】図３５は、差圧および流動シールを使用して隔離される隣接大気区域を備え、その上でナノ構造が成長させられる構造の表面からガスが供給される、成長基材の概略図を示す。
【図３６】図３６は、差圧および流動シールを使用して隔離される隣接大気区域を備え、基材の細孔または穴を通してガスが供給される、成長基材の概略図を示す。
【図３７Ａ】図３７Ａは、実質的に平面の基材から、（ｉ）プラスチックローラ上に配置されたプリプレグへと移動させられたカーボンナノチューブの写真を示す。
【図３７Ｂ】図３７Ｂは、シリンダに及ぼされた制御可能な圧力で、実質的に平面の基材から、（ｉｉ）アルミニウムシリンダ上に配置されたプリプレグへと移動させられたカーボンナノチューブの写真を示す。
【００２２】
本発明の他の側面、実施形態、および特徴は、添付図面と併せて考慮すると、以下の発明を実施するための形態から明白となるであろう。添付図は、概略的であり、一定の縮尺で描かれることを目的としていない。明確にする目的で、当業者が本発明を理解できるようにするために、図示が必要でない場合は、全ての構成要素が全ての図で標識化されているわけではなく、本発明の各実施形態の全ての構成要素が示されているわけでもない。参照することにより本明細書に組込まれる全ての特許出願および特許は、それらの全体で参照することにより組み込まれる。対立する場合は、定義を含む、本明細書が優位となる。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
本発明は、概して、ナノチューブを含むナノ構造の合成および処理と、ナノ構造を備える複合材料と、関連システムおよび方法とに関する。
【００２４】
概して、本発明は、基材の表面上でのナノチューブ（例えば、カーボンナノチューブ）等のナノ構造の均一な成長のための方法を提供し、ナノ構造の長軸は、実質的に整列させられてもよい。ナノ構造はさらに、複合材料等の種々の用途で使用するために処理されてもよい。例えば、一式の整列したナノ構造が、まとめて、または別の表面へと、別の材料に形成および移動させられて材料の性質を強化してもよい。場合によっては、ナノ構造は、材料の機械的性質を強化してもよく、例えば、２つの材料または合板層の間の界面における機械的補強を提供する。場合によっては、ナノ構造は、材料の熱的および／または電子的性質を強化してもよい。場合によっては、整列したナノ構造は、機械的、熱的、電子的、および／または他の性質を含む、材料の１つ以上の異方性を調整する能力を提供してもよい。本発明はまた、バッチプロセスおよび連続プロセスを含む、ナノ構造の成長のためのシステムおよび方法も提供する。
【００２５】
本発明は、材料の上または内側に配設された時に材料の性質を強化するのに十分な長さおよび／または直径を有する、実質的に整列したナノ構造を産生するためのシステムおよび方法を有利に提供する。また、本明細書で説明されるナノ構造は、向上した機械的、熱的、電気的、または他の性質を有する複合材料の形成を促進してもよい、種々の基質材料内で均一に分散されてもよい。本発明の方法はまた、場合によっては、移動基材上で、ナノチューブ、ナノワイヤ、ナノ繊維、および同等物を含む、ナノ構造の連続的かつ拡張可能な産生を可能にしてもよい。本明細書で使用されるような、「ナノ構造」という用語は、約数ナノメートルの直径および約数ミクロンから数ミリメートルの長さを有し、１０、１００、１，０００、１０，０００、またはそれ以上より大きいアスペクト比をもたらす、細長い化学構造を指す。場合によっては、ナノ構造は、１μｍ未満、１００ｎｍ未満、５０ｎｍ未満、２５ｎｍ未満、１０ｎｍ未満、または場合によっては、１ｎｍ未満の直径を有してもよい。典型的には、ナノ構造は、円筒形状または疑似円筒形状を有してもよい。場合によっては、ナノ構造は、カーボンナノチューブ等のナノチューブであってもよい。
【００２６】
本発明の方法は概して、成長基材の表面上のナノ構造の成長を含んでもよく、成長基材は、成長基材の表面の上または中に配置された触媒材料を備える。成長基材は、実質的に平面の表面を備える基材または非平面の表面を備える基材を含む、任意の形状を有してもよい。いくつかの実施形態では、成長基材は、正方形、長方形、三角形、円形、楕円形、または同等物を含む、広範な断面形状を有する、細長い構造であってもよい。場合によっては、成長基材は、繊維、トウ、細片、織物、またはテープであってもよい。場合によっては、成長基材は、繊維等の円筒形基材であってもよい。例えば、図１Ａは、直径１０１を有する繊維１００を図示する。触媒材料は、成長基材１０２を形成するように、例えば、その金属ナノ粒子または前駆体として、繊維の表面上に形成されてもよい。成長基材の表面上でのナノ構造の触媒的形成および／または形成を引き起こすように選択される一式の条件への、成長基材の暴露は、長さ１０４を有し、成長基材の表面上の隣接ナノ構造から距離１０５を置いて配置される、一式の実質的に整列したナノ構造１０３を産生してもよい。
【００２７】
図１Ｂは、成長基材上の触媒ナノ粒子（例えば、ナノ粒子）から成長するナノ構造の概略図を示す。触媒材料１０７は、成長基材１０６の表面上に配置され、ナノ構造成長を促進するように選択される一式の条件下に置かれると、ナノ構造１０８が触媒材料１０７から成長してもよい。ナノ構造前駆体材料１０９（例えば、炭化水素ガス、アルコール蒸気分子、または他の炭素含有種）が、成長基材１０６に送達され、成長基材表面、触媒材料表面、および／または触媒材料と成長基材との間の界面に接触または浸透してもよい。カーボンナノチューブの成長では、例えば、ナノ構造前駆体材料が炭素を備えてもよいため、炭素は、前駆体分子から解離し、持続的な成長により一般的方向１０８ａに成長基材から押し上げられる、成長しているカーボンナノチューブに組み込まれてもよい。
【００２８】
いくつかの実施形態では、表面上に形成される一式の実質的に整列したナノ構造は、ナノ構造の長軸が成長基材の表面に対して実質的に非平面であるように、配向されてもよい。場合によっては、ナノ構造の長軸は、成長基材の表面に対して実質的に垂直方向に配向され、ナノ構造「森林」を形成する。以下でさらに十分に説明されるように、本発明のいくつかの実施形態の有利な特徴は、後続の処理時においてさえも（例えば、他の表面への移動、および／またはポリマー等の２次材料との森林の組み合わせ）、ナノ構造「森林」におけるナノ構造の整列が実質的に維持されてもよいことである。
【００２９】
本発明は、材料層の界面を形成する、第１の材料層と、第１の材料層に一体化して接続される第２の材料層とを備える、種々の複合品を提供する。界面は、一式のナノ構造を備えてもよく、ナノ構造の長軸は、材料層の界面に実質的に整列させられ、かつ非平行である。場合によっては、ナノ構造は、界面の少なくとも１０％、または界面の少なくとも２０％、３０％、４０％、５０％、６０％、７０％、８０％、９０％、９５％、あるいは１００％の全体にわたって均一に分散されてもよい。本明細書で使用されるような、「界面の少なくとも１０％の全体にわたって均一に分散される」とは、界面の面積の少なくとも１０％にわたるナノ構造の実質的に均一な配設を指す。つまり、ナノ構造は、束またはペレットの不均質配設よりもむしろ、主に界面の面積一面に均一に配設される。
【００３０】
場合によっては、ナノ構造は、第１の材料層と関連付けられたナノ構造が第２の材料層の少なくとも一部分に貫入してもよいように配設されてもよい。同様に、第２の材料層と関連付けられてもよいナノ構造も、第１の材料層の少なくとも一部分に貫入してもよい。この配設では、第１の材料層と第２の材料層との間に形成される界面は、第１および第２の材料層から離散した層および／または離れた層を形成しない。むしろ、第１の材料層と第２の材料層との間の結合は、両方の材料層からのナノ構造の相互貫入によって増強される。例えば、図９Ｂは、基材９３０と、基材９４０とを備える、複合品を示し、基材９４０の構成要素（例えば、繊維）と関連付けられたナノ構造９４１は、基材９３０と基材９４０との間の界面に浸透して、基材９３０の少なくとも一部分に接触する。異なる基材のナノ構造間のこの絡み合いは、基材の間の界面を補強してもよい。例示的実施形態では、図９Ｆは、界面９５６を形成するように接合された、第１の材料層９５２および第２の材料層９５４を有する複合品９５０を示し、異なる材料層のナノ構造は、基材の間の界面に絡んで補強してもよい。
【００３１】
いくつかの実施形態では、本発明は、結束構造を形成するように相互に関連付けられた複数の繊維を有する基材と、複数の繊維と関連して配設される一式のナノ構造とを備える、複合品を提供する。図９Ａに示されるように、基材９２２は、繊維の表面にわたって実質的に均一配設されるナノ構造９２０を有する、複数の繊維９２１を備えてもよい。場合によっては、ナノ構造は、繊維の表面の実質的大部分の周囲で放射状に、かつ均一に配設されてもよい。隣接する繊維のナノ構造は、繊維の間の相互作用を補強するように相互作用し、強化された性質を生じさせてもよい。場合によっては、ナノ構造は、構造の全体を通して本質的に均一に分散される。例えば、構造は、繊維のトウ、織り合わされた、または編まれた繊維を備える構造、または結束構造を形成するように相互と接触している複数の繊維を備える他の構造であってもよい。隣接する繊維からのナノ構造の相互作用は、複合品の性質を強化し、個々の繊維の間の相互作用を補強してもよい。場合によっては、構造は、基材の表面において露出される一式の繊維と、基材の表面において露出されない一式の繊維とを備え、すなわち、該繊維は、基材内の内部場所に配置される。他の場合では、基材は、個々の繊維が基材の表面において露出される１つ以上の部分と、基材の表面において露出されない１つ以上の部分とを備えてもよいように、繊維の配設を備える場合がある。例えば、図９Ｇに示されるように、個々の繊維が、部品９６０の表面において露出される一部分と、表面において露出されないように別の繊維と接触するか、または覆われる別の部分とを備えてもよい時に、部品９６０は、織物パターンで配設された複数の繊維を備える。図９Ｇに示されるように、繊維９６６は、繊維９６６のナノ構造が隣接する繊維９６８のナノ構造と相互作用してもよいように、表面にわたって本質的に均一に分散されるナノ構造を備えてもよい。
【００３２】
複数の繊維を有する構造の全体にわたって本質的に均一にナノ構造を配設する能力は、全体的な強化された構造の機械的強度を可能にする。例えば、結束構造を形成する複数の繊維を備える、他の既知のシステムでは、ナノ構造または他の補強材料が、構造の内部の中ではなく、構造の表面上のみに配設されてもよい。１つ以上の繊維が基材としての結束構造を形成するように相互に関連付けられる実施形態では、基材の「表面」とは、基材の外側端において画定される最外の連続境界を指す。例えば、基材は、上連続境界と、下連続境界とを備えてもよいため、繊維のメッシュまたは繊維の複数部分が上下の連続境界の間に配置され、上下の連続境界を越えて延在しない。つまり、基材の表面とは、場合によっては、基材の位相的表面を指さなくてもよく、すなわち、基材の表面に垂直な方向から基材に導入される種によって最初に接触させられてもよい基材の部分を指さない。むしろ、「表面」とは、基材の最外側端において画定される平面を指してもよい。例えば、図９Ｆに示されるように、部品９５０の「表面」は、平面９５０Ａによって示されている。同様に、図９Ｇに示されるように、部品９６０の「表面」は、平面９６０Ａによって示されている。
【００３３】
本発明はまた、複合品を形成するための方法も提供し、複合品は、複合品の１つ以上の性質の強化のために複合品内に配置される、ナノチューブまたは他のナノ構造を備える。例えば、ナノ構造は、２つの基材または基材内の２つの構成要素等の、部品の少なくとも２つの構成要素に接触するように配置されてもよい。場合によっては、部品は、第１の構成要素と、第２の構成要素とを備えてもよく、各構成要素がナノ構造を備えるために、異なる構成要素のナノ構造の相互作用が部品の性質を強化してもよい。場合によっては、ナノ構造は、材料または基材内の構成要素の薄層間相互作用を強化するように配設されてもよい。場合によっては、ナノ構造は、複合構造内の２つの基材または合板層の薄層間相互作用を強化するように配設されてもよい。いくつかの実施形態では、ナノ構造は、２つの基材の間の界面において配置されてもよく、ナノ構造は、２つの基材の間の結合を機械的に増強するか、または他の方法で強化してもよい。
【００３４】
いくつかの実施形態では、方法は、各々が接合面を有する第１および第２の基材を提供するステップと、一式の実質的に整列したナノ構造を、第１および第２の基材のうちの少なくとも一方の接合面の上または中に配設するステップとを含んでもよい。次いで、第１および第２の基材は、基材の界面を形成するように、それぞれの接合面を介して相互に結合されてもよく、界面は、一式の実質的に整列したナノ構造を備える。場合によっては、ナノ構造は、接合面の少なくとも１０％、または場合によっては、接合面の少なくとも２０％、３０％、４０％、５０％、６０％、７０％、８０％、９０％、９５％、あるいは１００％の上または中に均一に分散される。本明細書で使用されるような、「接合面の少なくとも１０％の上または中に均一に分散される」とは、接合面の面積の少なくとも１０％にわたるナノ構造の実質的に均一な配設を指す。
【００３５】
場合によっては、配設するステップは、第１および第２の基材のうちの少なくとも一方の表面上にナノ構造を触媒的に形成するステップを含む。ナノ構造は、単独で、または１つ以上の支持材料と組み合わせて、基材の表面上に配設されてもよい。例えば、一式のナノ構造は、成長基材上に提供されてもよく、かつ一式の実質的に整列したナノ構造が基材の接合面の上または中に配設されてもよいように、第１および第２の基材の少なくとも一方と接触させられてもよい。成長基材は、独立ナノ構造として、または、ポリマー材料、炭素繊維、あるいは同等物等の支持材料と組み合わせて、ナノ構造を備えてもよい。成長基材は、任意的に、第１および第２の基材の相互への結合の前に、接合面の上または中の一式の実質的に整列したナノ構造から分離されてもよい。場合によっては、基材は、繊維、プリプレグ、樹脂フィルム、乾燥織物、またはトウであってもよい。一実施形態では、第１および第２の基材の少なくとも一方は、繊維と、ポリマー材料（例えば、エポキシ）とを備える、プリプレグであってもよい。基材はさらに、基材の全体を通して分散される、伝導材料、繊維、織物、またはナノ構造（例えば、ナノチューブ）等の種々の材料を備えてもよい。
【００３６】
場合によっては、配設するステップは、以下でさらに十分に説明されるように、実質的に平面の表面から非平面の表面へのナノ構造の移動を含む。場合によっては、配設するステップは、非平面の表面から実質的に平面の表面へのナノ構造の移動を含む。
【００３７】
場合によっては、複合材料は、本質的に同一の条件下で、一式の実質的に整列したナノ構造が欠けている本質的に同一の複合材料と比較すると、より高い機械的強度／靱性を示してもよい。場合によっては、複合材料は、本質的に同一の条件下で、一式の実質的に整列したナノ構造が欠けている本質的に同一の複合材料と比較すると、より高い熱および／または電気伝導度を示してもよい。場合によっては、熱伝導度、電気伝導度、および／または他の性質（例えば、電磁的性質、比熱等）は、異方性であってもよい。
【００３８】
１つ以上の接合面上にナノ構造を配設する際に、方法はさらに、接合面上のナノ構造に１つ以上の支持材料を追加するステップを含んでもよい。支持材料は、一式のナノ構造用の機械的、化学的、または他の安定化支持を提供してもよい。場合によっては、支持材料は、モノマー、ポリマー、繊維、または金属であってもよく、ナノ構造を支持するようにさらに処理されてもよい。例えば、モノマー種の混合物がナノ構造に追加されてもよく、モノマー種の後続の重合は、その中に配置されたナノ構造を備えるポリマー基質を産生してもよい。図９Ｃに示されるように、成長基材１０は、ナノ構造１２を備えてもよい。ナノ構造が支持材料１４内に分散されるように支持材料（例えば、基質）を形成するように、１つ以上の支持材料がナノ構造に追加されてもよい。次いで、ナノ構造の当初の整列を保持するとともに、構造の全体にわたって分散されるナノ構造を有する自己支持構造を産生するように、成長基材１０が除去されてもよい。本明細書で使用されるような、「自己支持構造」とは、構造の表面に沿った外部支持なしで、その構造的完全性（例えば、形状）を維持するのに十分な安定性および剛性を有する構造（例えば、固体、非固体）を指す。当然ながら、自己支持構造を形成するために、支持材料は必要とされなくてもよいことを理解されたい。場合によっては、カーボンナノチューブ森林等の一式のナノ構造が、支持材料の必要なしで自己支持構造を形成してもよく、かつフィルムとして操作されてもよい。
【００３９】
例示的実施形態では、図９Ｄは、本発明の種々の複合材料を形成するための方法を示す。成長基材１０は、一式のナノ構造１２を備えてもよく、基材１６は、接合面１８Ａを備えてもよく、接合面は、エポキシ等のポリマー材料を備える。成長基材１０は、ナノ構造１２が接合面１８Ａのポリマー材料を貫通するように、基材１６と接触させられてもよい。場合によっては、エポキシ材料は、毛細管作用を介してナノ構造と相互作用してもよいため、ナノ構造１２の長さの少なくとも一部分、または場合によっては実質的に全部が、接合面１８Ａに貫入し、ポリマー材料およびナノ構造の両方を備える界面１８Ｂを形成する。このことが、一種の複合材料を形成してもよい。他の実施形態では、界面層１８Ｂの形成時に、成長基材１０は、ナノ構造から分離されてもよく、新しい基材２０が、ハイブリッド複合構造２２を形成するように層１８Ｂに結合されてもよく、ナノ構造は、両方の基材に接触してもよい。場合によっては、図９Ｆに示されるように、第１の基材３０および第２の基材３４はそれぞれ、ナノ構造と、接合面３１および２５においてそれぞれ配置されるポリマー材料とを備えてもよいため、それぞれの接合面を介した第１および第２の基材の結合が、界面３８を備える複合材料３６を産生してもよく、界面は、一式の実質的に整列したナノ構造と、ポリマー材料とを備える。
【００４０】
他の実施形態では、ナノ構造は、第１および第２の基材の少なくとも一方の接合面上に配設されるか、あるいは第１と第２の基材との間に配置されてもよく、その後にエポキシ等の結合材料の追加が続く。結合材料は、第１と第２の基材との間の界面に導入されてもよく、または、第１および／または第２の基材の大部分にわたる界面へと拡散されてもよい。
【００４１】
場合によっては、第１および／または第２の基材は、例えば、炭素繊維等の繊維を備える、プリプレグ材料であってもよい。場合によっては、ナノ構造の長さは、ほぼプリプレグ内の繊維の直径以上であってもよく、または、隣接合板層の間に十分な補強を付与するように、複合材料中の隣接繊維または合板層の間の距離の半分より大きくてもよい。
【００４２】
本発明の方法はまた、結束構造を形成するように相互と関連付けられた複数の繊維を備える基材（例えば、成長基材）を提供するステップを含んでもよい。基材は、本明細書で説明されるような触媒材料を備えてもよいため、一式のナノ構造は、ナノ構造が構造の全体にわたって本質的に均一に分散されるように、複数の繊維と関連して配設されてもよい。本明細書で使用されるような、「構造の全体にわたって実質的に均一に分散される」とは、基材の位相的表面および基材の内部の両方を含む、構造の大部分にわたってナノ構造の実質的に均一な配設を指す。例えば、構造は、繊維のトウまたは織物であってもよい。場合によっては、繊維の少なくとも１０％が、それらの表面にわたって実質的に均一に付着されるナノ構造を有する。場合によっては、繊維の少なくとも２０％、３０％、４０％、５０％、６０％、７０％、８０％、９０％、９５％、または実質的に全体（例えば、実質的に全部）が、それらの表面にわたって実質的に均一に付着されるナノ構造を有する。このことは、表面または位相的表面のみにおけるよりもむしろ、基材の内部位置内に配設されるナノ構造を備える、基材を有利に産生する。場合によっては、カーボンナノチューブは、繊維のトウまたはマットが種々の複合材料処理経路内（例えば、フィラメント巻装または樹脂注入成形、ＲＴＭ）で使用される前に、繊維のトウまたはマットの上に成長させられてもよい。別の実施形態では、基材は、単一の繊維であってもよく、繊維の複数部分または他の繊維が、結束構造（例えば、結び目、撚繊維等）を形成するように配設されてもよい。
【００４３】
例示的実施形態では、図３０は、（ａ）非被覆アルミナ布、（ｂ）触媒材料の塗布後のアルミナ布、（ｃ）調整済み触媒を伴うアルミナ布、および（ｄ）布の繊維の表面上で成長させられたカーボンナノチューブを含む、カーボンナノチューブ成長の種々の段階におけるアルミナ布のサンプルを示す。
【００４４】
本発明の方法は、機械的強度等の強化された性質を有する複合材料を産生するのに有用であってもよい。補強の完全性は、図１０のナノ構造半径の関数としての抵抗比のグラフによって示されるように、ナノ構造（例えば、ナノチューブ）の直径および／または長さに依存してもよい。本発明のナノ構造は、そのような材料の性質を強化するように適切な寸法を有してもよい。場合によっては、ナノ構造は、１００ｎｍ以下、または場合によっては１０ｎｍ以下の直径を有してもよく、例えば、５０％、１００％、２５０％、５００％、１０００％、２０００％、３，０００％、またはそれ以上に、材料の有意な靭性を生じさせる。例示的実施形態では、せん断強度の７０％増加が薄層内カーボンナノチューブ相互作用を有する材料に観察され、薄層間カーボンナノチューブ相互作用を有する材料に対する破壊靱性の１６０％増加が、以下でさらに十分に説明されるように観察されている。ナノ構造の長さはまた、支持材料を組み込む際に相互と相互作用する（例えば、絡まる）ことが可能なナノ構造を生成するように、成長動態にわたって制御することができる。このようにして、複合構造の構成要素の間の界面層が補強されてもよく、複合構造の機械的性質（例えば、弾性および強度／靱性）が有意に増加させられてもよい。場合によっては、複合構造の電気伝導度、熱伝導度、および他の性質もまた、本発明の構造および方法によって、強化されるか、または異方性となってもよい。このことは、例えば、非伝導性の先端複合材料の避雷用途を含む、航空機の製造において有用であってもよい。
【００４５】
本発明の別の有利な特徴は、ナノ構造が、エポキシ等のポリマー材料を含む、種々の材料によって均一に湿潤されてもよいことである。例えば、一式の整列したナノ構造が、硬化または未硬化エポキシ層と接触させられると、強力な毛細管相互作用が、エポキシをナノ構造の間の空間の中へ急速かつ均一に「吸い上げ」させる一方で、ナノ構造の間の整列を維持してもよい。場合によっては、走査プローブ先端を使用して基質からナノ構造を引っ張ることによって、１００ＭＰａ以上の接着強度が測定されており、それは既知のシステムにおける界面強度を超える。例示的実施形態では、本明細書で説明される方法によって製造される、整列した炭素ナノ構造の２重量％を備えるＳＵ−８の複合微細構造は、純ＳＵ−８に対する３．７ＧＰａと比較して、１１．８ＧＰａの剛性を有してもよく、５００ＧＰａを超える炭素ナノ構造剛性による有意な補強を示す（図３１）。
【００４６】
他の実施形態では、一式の整列したナノ構造はまた、２つの材料を接続する界面または接合部を補強するために使用されてもよい。図８は、例示的実施形態を示し、２つの材料の間の界面におけるナノ構造「柱」の配置が２つの材料を補強する。例えば、ナノ構造「柱」８００のパターンは、基材８０１および８０２を接合するために使用される２つの材料の厚さの合計であってもよい、高さｈまで、基材上で成長させられてもよい。基材８０１および８０２は、接合部８１０を使用して、ともに接合されてもよい。両方の材料は、ナノ構造柱が穴に嵌入できるようにする方式で整列および離間される、穴（または他の特徴）８２０を有してもよい。次いで、穴は、ナノ構造柱を両方の材料８０１および８０２に接着してもよい、基質（例えば、ポリマー樹脂）８３０で充填されてもよい。
【００４７】
本明細書で説明されるように、本発明は、ナノチューブを含む、ナノ構造の成長および製造のための方法を提供する。図１Ｃは、成長基材上で、カーボンナノチューブの「森林」等のナノ構造のフィルムを製造するプロセスにおける段階の概略図を示す。第１の段階１１０では、触媒材料（例えば、金属触媒材料）が、フィルム１１３として成長基材１１１上に蒸着されてもよい。フィルム１１３は、成長基材１１１上に直接形成されてもよく、または、成長基材１１１上に形成される中間層１１２の上に形成されてもよく、かつフィルム１１３は、触媒材料ナノ粒子１２１を形成するように処理されてもよい。代替として、ナノ粒子は、中間層１１２の有無を問わず、基材１１１上に直接蒸着されてもよい。第２の段階１２０では、ナノ粒子１１２は、ナノ構造の成長に備えて、熱および化学処理されてもよい。処理は、高温での酸化（例えば、不活性またはＯ２含有）および還元（Ｈ２含有）への順次暴露を含んでもよい。金属触媒のフィルムが段階１１０で蒸着される場合、フィルムは、段階１２０の間にナノ粒子に粗大化してもよい。段階１３０では、成長基材は、ナノ構造１３１（例えば、カーボンナノチューブ）が形成し始めるか、または触媒材料から「核生成」するように、一式の条件下でナノ構造前駆体材料に暴露されてもよい。段階１４０では、ナノ構造１３１が所望の高さｈ１４２まで、フィルムまたは「森林」１４１に成長するにつれて、一式の条件が維持されてもよい。
【００４８】
本明細書で使用されるような、「一式の条件」への暴露は、例えば、特定の温度、ｐＨ、溶媒、化学試薬、雰囲気の種類（例えば、窒素、アルゴン、酸素等）、電磁放射または同等物への暴露を含んでもよい。場合によっては、一式の条件は、ナノ構造の核生成、成長、安定化、除去、および／または他の処理を促進するように選択されてもよい。場合によっては、一式の条件は、触媒材料の再活性化、除去、および／または交換を促進するように選択されてもよい。場合によっては、一式の条件は、触媒材料の触媒活性を維持するように選択されてもよい。いくつかの実施形態は、外部エネルギー源への暴露を含む、一式の条件であってもよい。エネルギー源は、電磁放射、電気エネルギー、音響エネルギー、熱エネルギー、または化学エネルギーを含んでもよい。例えば、一式の条件は、熱または電磁放射への暴露、抵抗加熱、レーザへの暴露、または赤外光への暴露を含む。いくつかの実施形態では、一式の条件は、特定の温度、化学種、および／またはナノ構造前駆体材料への暴露を含む。場合によっては、一式の条件は、５００〜１３００℃の温度への暴露を含む。
【００４９】
場合によっては、外部エネルギー源は、エネルギーを提供して、成長部位を成長のために必要な温度に到達させるように、成長装置と連結されてもよい。外部エネルギー源は、例えば、成長部位（例えば、触媒材料）に近接しているワイヤコイルを抵抗加熱することによって、または伝導性成長基材に電流を通過させることによって、熱エネルギーを提供してもよい。場合によっては、外部エネルギー源は、成長基材に電場および／または磁場を提供してもよい。場合によっては、外部エネルギー源は、レーザを介して、または成長基材の直接抵抗加熱を介して、またはこれらのうちの１つ以上の組み合わせを介して、提供されてもよい。例示的実施形態では、一式の条件は、成長基材表面の温度、成長基材を包囲する大気の化学組成、基材表面を包囲し、周囲大気内にある反応性ガス（例えば、ナノ構造前駆体）の流量および圧力、成長面の表面上の触媒材料または他の蒸着または除去、および／または任意的に、基材の運動率を含んでもよい。
【００５０】
場合によっては、ナノ構造は、成長基材自体の形成中に成長基材上で成長させられてもよい。例えば、Ｋｅｖｌａｒおよび黒鉛等の繊維が、本明細書で説明されるナノ構造の製造と組み合わせて、連続プロセスで形成されてもよい。例示的実施形態では、典型的には高温で応力を受ける、炭素繊維前駆体材料（ピッチまたはＰＡＮ）を最初に安定化させ、その後に、繊維を形成するように非常に高い温度（例えば、１，０００℃を上回る）で炭化および／または黒鉛化熱分解を行うことによって、繊維の表面上にナノ構造を備える炭素繊維が高温で形成されてもよい。ナノ構造は、繊維の表面上で成長させられてもよく、その後に、表面処理、サイズ決定、スプーリング、または他の処理技法が続く。
【００５１】
場合によっては、本発明の方法は、基材からナノ構造を除去する行為を含んでもよい。例えば、除去する行為は、第１の基材の表面から第２の基材の表面へとナノ構造を移動させるステップは、すなわち、基材を受容するステップを含んでもよい。第１および第２の基材は、実質的に平面の表面を備えてもよく、または非平面の表面を備えてもよい。例えば、ナノ構造は、１つの実質的に平面の基材から別の実質的に平面の基材へと移動させられてもよい。いくつかの実施形態では、ナノ構造は、１つの非平面基材から別の非平面基材へと移動させられてもよい。いくつかの実施形態では、ナノ構造は、第１の基材の実質的に平面の表面から第２の基材の非平面の表面へと移動させられてもよい。いくつかの実施形態では、ナノ構造は、第１の基材の非平面の表面から第２の基材の実質的に平面の表面へと移動させられてもよい。ナノ構造の移動は、以下でさらに十分に説明されるように、１つ以上の基材への外力の印加を含んでもよい。
【００５２】
場合によっては、除去する行為は、直接、成長基材の表面から受容基材の表面へとナノ構造を移動させるステップを含んでもよい。受容基材は、例えば、ポリマー材料または炭素繊維材料であってもよい。場合によっては、受容基材は、ポリマー材料、金属、または、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２、炭素、あるいはポリマー材料を備える、繊維を備える。場合によっては、受容基材は、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２、炭素、またはポリマー材料を備える、繊維を備える。いくつかの実施形態では、受容基材は、繊維織物である。
【００５３】
ナノ構造の除去は、ナノ構造および／または成長基材の表面への機械的工具、機械的または超音波振動、化学試薬、熱、または他の外部エネルギー源の適用を含んでもよい。場合によっては、ナノ構造は、例えば、圧縮ガスの適用によって除去されてもよい。場合によっては、ナノ構造は、ナノ構造を受容基材に取り付けることなく、除去され（例えば、分離され）、まとめて収集されてもよく、ナノ構造は、成長基材からの除去後に、当初または「成長したままの」配向および立体構造（例えば、整列した「森林」）のままであってもよい。
【００５４】
例えば、図６Ａは、実質的に平面の表面を有する第１の基材５６０から非平面の表面を備える円筒形状を有する第２の基材５５０への、ナノ構造５７０の移動を示す。基材５５０は、ポリマーまたはプリプレグ等の材料を備えてもよく、または基材５５０は、基材の表面上に配置される材料等の層を備えてもよい。基材５５０は、基材５６０と接触して配置されてもよく、かつ、ナノ構造５７０が基材５６０の実質的に平面の表面から基材５５０の非平面の表面へと移動させられるように、方向５５４に回転させられてもよい。ナノ構造５７０の移動を促進するように、回転中に、圧力が方向５５２に基材５５０に及ぼされてもよい。場合によっては、基材５５０が基材５６０上で転動されている間に、基材５６０は、基材５５０に対して静止していてもよい。場合によっては、基材５６０は、直線的に動かされ、基材５５０と接触して、基材５５０の回転を引き起こしてもよい。例示的実施形態では、カーボンナノチューブがプリプレグ材料に機械的に移植されてもよいように、プリプレグ材料が、シリコンウエハの表面上に配置された一式のカーボンナノチューブを含有するシリコンウエハ（例えば、基材５６０）上において、圧力によって転動されてもよい、円筒形基材５５０に取り付けられてもよい。移動前に、ナノ構造５７０は、基材５６０上で直接成長させられてもよく、すなわち、基材５６０は、成長基材であってもよく、または、ナノ構造５７０は、本明細書で説明されるような方法によって基材５６０に移動させられてもよい。
【００５５】
他の実施形態では、ナノ構造は、非平面の表面を有する基材から実質的に平面の表面を有する基材へと移動させられてもよい。例えば、ナノ構造が円筒形基材から受容基材へと機械的に移植されてもよいように、円筒形基材の非平面の表面上に配置された一式のナノ構造を備える円筒形基材は、受容基材の実質的に平面の表面と接触して配置されてもよい（例えば、任意的に、圧力により平面上で転動される）。本明細書で説明されるような、１つの基材から別の基材へのナノ構造の移動のための方法は、バッチプロセスで、および／または、連続プロセスによって、行われてもよい。
【００５６】
例示的実施形態では、図６Ｂは、本発明の一実施形態による、成長基材から受容基材へのナノ構造の連続移動を示す。ナノ構造６００の層は、成長基材６１０から分離され、受容基材６２０上に配置されてもよく、基材の一方または両方の運動、および／または機械、化学、または熱プロセスからの作用が、移動を促進してもよい。例えば、成長基材６１０は、方向６１５に回転させられてもよい。移動させる行為の前に、または同時に、ナノ構造の層は、成長基材の一部分６３５上でも成長させられてもよい。成長基材は、ローラまたは円筒形ドラムであってもよく、その場合、成長基材の複数部分が、成長部位の配設、成長部位の処理、およびローラ表面上のナノ構造の成長を促進するように、異なる熱および大気「区域」で処理されてもよい一方で、成長基材の異なる領域中で移動が発生してもよい。成長基材は、ナノ構造が移動プロセスによって除去された成長基材の表面上で、ナノ構造の新しい層の成長を可能にするように連続的に回転させられてもよい。図６に示されるように、方向６１５での成長基材の回転運動は、この場合は平坦である、第２の基材の平行移動に一致させられてもよい。
【００５７】
第１の基材からの層の剥離を開始し、継続するために、および第２の基材に向かって層を方向付けるために、外力が使用されてもよい。例えば、「擦過」（「医師用」）または剥離ブレード、および／または電場等の他の手段が、層剥離を開始し、継続するために使用されてもよい。場合によっては、層は、剥離され、および／またはフィルム、テープ、またはウェブとして取り扱われてもよい。層は、第１の基材から分離される前、またはその瞬時に、第２の基材に接触するので、懸架部分がなく、したがって、第１の基材は、第２の基材の上に層を「圧延」してもよい。接触時に層を湿潤させる接着材または樹脂、または層と第２の基材との間に印加される電場等の、層と第２の基材との間の誘引力が、移動を支援してもよい。代替として、フィルムは、第２の基材に移動させられる前に連続的に、懸架され、取り扱われ、かつ任意的に、機械的処理（例えば、圧延、凝集、高密度化）、熱処理、または化学処理（例えば、精製、焼鈍）されてもよい。いくつかの実施形態では、第２の基材は、炭素またはポリマー繊維の織物等の、複合合板層である。ナノ構造の層と第２の基材との間の界面６２１は、例えば、ナノ構造と第２の基材との間で均一かつ強力な付着を確立する、結合材または接着材料の同時または後続塗布によって増強されてもよい。代替として、界面は、熱焼鈍、誘導加熱、マイクロ波または電場あるいは磁場における処理を使用する照射、または流圧および／または機械的圧力の適用、およびこれらの方法または他の関連方法のうちの１つ以上の組み合わせ等による、エネルギーの適用によって増強されてもよい。第２の基材は、ポリマーフィルム（例えば、可撓性支持材を付与するため）、金属箔（例えば、ナノ構造の層への電気接触を達成するため）等の任意の好適な材料でできていてもよく、および／または、第２の基材は、前もって別のナノ構造の層で被覆することができ、および／または、このプロセスは、多層構造を付与するように、同じまたは異なる性質の層で何回も繰り返されてもよい。
【００５８】
場合によっては、ナノ構造は、バッチプロセスで成長または製造されてもよい。つまり、一式のナノ構造が、成長基材の表面の大部分の上で成長させられてもよく、基材の表面上に配設された一式のナノ構造を産生するように、本明細書で説明されるような１つ以上のステップでさらに処理されてもよい。バッチプロセスでは、一式のナノ構造が、本明細書で説明されるような一連の製造ステップで成長基材ごとに産生されてもよく、成長基材は、後に再利用されてもよく、または、別の一式のナノ構造を形成するように、触媒材料が再生または交換されてもよい。
【００５９】
本発明の別の側面は、カーボンナノチューブ等のナノ構造の連続形成のための方法を提供する。本明細書で使用されるような、「連続」という用語は、ナノ構造の成長および除去、またはナノ構造の成長および触媒材料の再活性化等の、単一成長基材の異なる部分の上で１つ以上の異なるプロセスを同時に行う能力を指す。「連続」という用語はまた、ナノ構造を成長させる、処理する、および分離または移動させる一連のステップの２回以上の反復を通した、単一成長基材の再循環を指してもよい。場合によっては、システム中の各領域が、動作中に常に、すなわち、成長基材がシステム内で再循環される（例えば、回転させられる）際に、成長基材の少なくとも一部分と相互作用してもよいように、本発明の成長基材は、「位相的連続」の表面を有するものとして説明されてもよい。本明細書で説明されるような、「位相的連続」とは、成長基材上の特定の表面が、構造の周辺にある、または構造を通る連続経路を形成するという意味で、連続を意味する。位相的連続の表面を有する成長基材の例は、シリンダ、可撓性ベルトまたはバンド、または閉曲線あるいはループ構造を形成する表面を有する構造を含むが、それらに限定されない。
【００６０】
方法は、本明細書で説明されるように、成長基材に触媒材料を備える表面を提供するステップを伴ってもよい。成長基材は、成長基材上でのナノ構造の連続成長および成長基材からのナノ構造の除去を促進するように構築および配設される装置を介して、連続的に動かされてもよい。場合によっては、成長基材の第１の部分は、表面上でのナノ構造の触媒的形成を引き起こすように選択される一式の条件に暴露されてもよい。例えば、一式の条件は、ナノ構造前駆体および／または外部エネルギー源への暴露を含んでもよい。一式の条件に成長基材の第１の部分を暴露させている間に、成長基材の第２の部分は、成長基材の表面からナノ構造を除去するように処理されてもよい。該成長基材についての暴露行為および除去行為は、場合によっては、少なくとも１回、少なくとも２回、少なくとも１０回、少なくとも１００回、少なくとも１０００回、またはそれ以上繰り返されてもよい。
【００６１】
いくつかの実施形態では、第１の一式の条件に成長基材の第１の部分を暴露させている間に、方法は、第１の触媒材料を再活性化するように選択される第２の一式の条件に対して、成長基材の第２の部分を処理するステップを含んでもよい。例えば、方法は、第１の触媒材料を再活性化する（例えば、酸化させる、還元する等）ように、１つ以上の化学種を第１の触媒材料と接触させるステップを含んでもよい。場合によっては、第１の一式の条件に成長基材の第１の部分を暴露させている間に、方法は、第１の触媒材料を第２の触媒材料と交換するように選択される第２の一式の条件に対して、成長基材の第２の部分を処理するステップを含んでもよい。第１の触媒材料は、第２の触媒材料と交換される前に、複数回（例えば、少なくとも２回、少なくとも１０回、少なくとも１００回、またはそれ以上）使用されてもよい。
【００６２】
場合によっては、暴露させる行為は、円筒形成長基材の連続回転、多孔質成長基材を通してナノ構造前駆体材料を流すステップ、または触媒材料を処理するように多孔質成長基材を通して化学種を流すステップを含む。化学種は、ナノ構造の成長前に触媒材料を活性化させてもよく、または、ナノ構造の成長後に触媒材料を再活性化させてもよい。場合によっては、化学種は、ナノ構造の成長後に触媒材料を還元または酸化させる。
【００６３】
触媒材料の除去は、成長基材の表面から第１の触媒材料を掻爬または粉砕する機械的工具による処理を含んで、機械的に行われてもよい。場合によっては、第１の触媒材料は、化学種による処理（例えば、化学エッチング）によって、または熱的に（例えば、触媒を蒸発させる温度までの加熱）除去されてもよい。第２の触媒材料は、成長基材上の触媒前駆体溶液の焼付／噴霧によって蒸着されてもよい。例えば、金属塩溶液が、成長触媒上に噴霧または印刷されてもよい。他の場合では、成長基材は、事前成形された金属ナノ粒子を含有する溶液で処理されてもよい。例えば、成長基材は、Ｂｅｎｎｅｔｔ，ｅｔ  ａｌ．，“Ｐａｔｔｅｒｎｉｎｇ  ｏｆ  Ｂｌｏｃｋ  Ｃｏｐｏｌｙｍｅｒ  Ｍｉｃｅｌｌａｒ  Ｔｈｉｎ  Ｆｉｌｍｓ  Ｕｓｉｎｇ  Ｍｉｃｒｏｃｏｎｔａｃｔ  Ｐｒｉｎｔｉｎｇ  ａｎｄ  Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ  ｉｎ  Ｃａｒｂｏｎ  Ｎａｎｏｔｕｂｅ  Ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ，”Ｌａｎｇｍｕｉｒ  ２００６，２２，８２７３−８２７６で説明されているように、金属ナノ粒子で処理されてもよい。
【００６４】
例示的実施形態では、ナノスケールのＦｅおよびＡｌ２Ｏ３粉末を焼結することによって製作されてもよい複合Ｆｅ／Ａｌ２Ｏ３基材が、機械的に研磨されて新しい触媒の層を暴露することができる。代替として、成長基材は、Ｆｅが蒸発する温度を超えて加熱されてもよく、成長基材は、後に、例えば、密着焼付によって、新しい触媒材料の層によって被覆されてもよい。場合によっては、触媒材料を交換する必要がなくてもよいことを理解されたい。つまり、触媒材料の活性は、ナノ構造の成長および除去の複数反復を介して連続触媒活性を維持するように選択される、一式の条件下に置かれてもよい。
【００６５】
図２は、成長基材上の触媒粒子（「成長部位」）からのナノ構造の連続成長のための、成長基材の再循環の概略図を示す。成長基材２００は、任意的に、成長基材２０５Ａを形成するための中間層２０７および触媒材料２０８によって被覆されるか、または成長基材２０５Ｂを形成するために触媒ナノ粒子２０９によって被覆される。次に、基材が、成長基材２１０上で、ナノ構造の成長のための成長部位を調製するように、熱および／または化学処理されてもよい。次に、ナノ構造２２１が、成長基材２２０の成長部位から成長させられてもよい。次いで、基材上に十分な量の触媒を残しながら、例えば、機械的工具２３１を使用して、ナノ構造２３２が成長基材２３０から除去されてもよい。個々のナノ構造が示されているが、除去プロセスは、物理的な絡み合いおよび表面相互作用によって一体に担持されたナノ構造のフィルム（例えば、「森林」）の除去を伴ってもよいことを理解されたい。次に、基材が、成長基材を成長基材２１０と同じ状態に戻すように熱および／または化学処理されてもよく、または、成長部位および／または中間層が、成長基材を成長基材２００と同じ状態に戻すように除去されてもよく、該サイクルは繰り返されてもよい。中間層の例は、例えば、参照することにより本明細書に組み込まれる、Ｈａｒｔ，ｅｔ  ａｌ．，Ｃａｒｂｏｎ  ２００６，４４（２），３４８−３５９において説明されている。
【００６６】
本発明はまた、ナノ構造を成長させるためのシステムも提供する。システムは、その上でナノ構造を成長させるために好適な表面を伴う成長基材と、成長基材の表面上でのナノ構造の触媒的形成を引き起こすように選択される一式の条件に、成長基材の表面またはその一部分を暴露させることが可能な領域と、場合によっては、成長基材からの触媒材料の実質的な除去がない、成長基材の表面からナノ構造を除去するように選択される一式の条件に、成長基材の表面またはその一部分を暴露させることが可能な領域とを備えてもよい。すなわち、ナノ構造が後続のプロセスで同じ成長基材上で成長させられてもよいように、ナノ構造の除去後に、十分な量の触媒材料が成長基材の表面上に残ってもよい。場合によっては、システムは、任意的に、第１の触媒材料を再活性化するか、または第１の触媒材料を第２の触媒材料と交換するように選択される一式の条件に、成長基材の表面またはその一部分を暴露させることが可能な領域を備える。システムはまた、成長基材の表面上の触媒材料を化学処理するように選択される一式の条件に、成長基材の表面またはその一部分を暴露させることが可能な領域を備えてもよい。
【００６７】
いくつかの実施形態では、ナノ構造は、成長基材が連続的に再循環されるにつれて除去されてもよい、ナノ構造の継目のないフィルムを産生するように、成長基材の表面（例えば、剛体リングの外面）の少なくとも一部分上で成長させられてもよい。
【００６８】
システムは、再循環基材として使用するために構築および配設される、成長基材を備えてもよい。場合によっては、剛体リングの連続回転によって方法が実行されるように、成長基材は、剛体リングを形成するように成形されてもよい。場合によっては、一式のローラの周囲での可撓性ベルトの回転が、成長基材の１つ以上の部分の上でのナノ構造の連続形成および／または移動を可能にしてもよいように、成長基材は、可撓性ベルト（例えば、金属箔、薄いセラミック）であってもよい。システムは、ナノ構造の連続産生を促進するように、付加的な構成要素を備えてもよい。場合によっては、システムは、少なくとも１つ以上の支持ローラおよび／または駆動ローラと、成長基材と関連付けられる少なくとも１つ一式の電気接点とを備える。
【００６９】
ナノ構造の連続成長のためのシステムおよび方法の有利な特徴は、成長基材が連続的に再循環されることであってもよい。つまり、成長基材は、移動構成要素上に配置される多数の個々の成長基材よりもむしろ、単一の移動型構成要素であってもよい。つまり、ナノ構造は、移動成長基材上に直接成長させられてもよく、移動成長基材の種々の部分における条件は、個別に監視および制御されてもよい。
【００７０】
したがって、場合によっては、ナノ構造の連続成長のための方法は、一連の領域に成長基材またはその一部分を暴露させるステップを伴ってもよく、各領域は、基材の再循環およびナノ構造の継続的成長を可能にするために、基材の必要な熱、機械、および化学処理とともに、同じ成長基材を使用して、ナノ構造の連続成長および除去を達成するように、プロセスにおける特定のステップを行う一式の条件を備える。一実施形態では、成長基材は、システムの種々の領域を通して動かされてもよい。例えば、第１の領域では、成長基材が最初に加熱されてもよく、および／または、触媒材料が処理されてもよい（例えば、触媒フィルムからナノ粒子を形成するように、および／または触媒材料を化学的に還元するように）。第２の領域では、ナノ構造前駆体材料への成長基材の暴露によって、ナノ構造が核生成されてもよく、ナノ構造の成長は、光学的に監視されてもよい。第３の領域では、特定の用途に好適な任意の方法によって、形成されたナノ構造が除去されてもよい。成長基材からのナノ構造の除去時に、成長基材が再循環されてもよく（例えば、成長基材の回転によって、成長基材の後方平行移動によって等）、ナノ構造の繰り返しの成長が行われてもよい。場合によっては、連続成長スキームは、成長基材の直線の平行移動を伴ってもよい。場合によっては、連続成長スキームは、成長基材の回転の平行移動を伴ってもよく、ナノ構造は、成長基材が回転するにつれて連続的に剥離されてもよい。場合によっては、成長基材またはその一部分は、抵抗加熱、レーザ加熱、または電磁放射（例えば、赤外光）への暴露によって、局所的に加熱されてもよい。他の場合では、基材は、熱および／または雰囲気制御のために、加熱炉または他のエンクロージャの中に配置されてもよい。
【００７１】
連続方法の１つの利点は、比較的大きい表面積にわたってナノ構造を均一に成長させ、かつまとめてナノ構造を収集する、および／またはこれらのナノ構造を他の基材（例えば、先端繊維のトウまたは織物）に移動させる能力であってもよい。このことは、ナノ構造材料および他のナノ構造の工業生産を可能にしてもよい。このことはまた、薄層間靱性、せん断強度、および熱伝導度等のバルク特性の有意な増加を示す、ナノ構造補強ハイブリッド材料の工業生産にとって有利であってもよい。
【００７２】
図３は、本発明のシステムの例示的実施形態の概略図を示す。ここでは中空シリンダとして断面図で示されている、成長基材３００は、任意的に、触媒ナノ粒子３０２とともに中間層３０１（例えば、Ａｌ２Ｏ３等のセラミック）で被覆されてもよい。ナノ構造３０３の層は、方向３０５に連続的に回転させられてもよい、成長基材の表面上で成長させられてもよい。成長基材が動かされるにつれて、触媒粒子は、選択された熱および大気条件で維持されてもよい、システムの２つ以上の領域を通過してもよい。触媒は、例えば、領域３１０、３１１、および３１２等の１つ以上の領域において化学的および熱的に前処理を施されてもよい。場合によっては、成長基材は、Ｈ２、またはＡｒあるいはＨｅ等の別の不活性キャリアガスを備える雰囲気中において、最高１３００℃まで加熱されてもよい。領域３２０では、ナノ構造は、最高１３００℃の温度において、場合によっては７００〜１３００℃の間で、本明細書で説明されるように成長させられてもよい。いくつかの実施形態では、成長基材は、導電性であってもよく、カーボンナノチューブの成長のために、例えば、Ｃ２Ｈ４およびＨ２の混合物の存在下で所望の温度に抵抗加熱されてもよい。
【００７３】
領域３３０において、ナノ構造は、例えば、ナノ構造を凝集または高密度化するために使用される機械的工具によって後処理を施されてもよい。代替として、ナノ構造は、放射熱の印加によってナノ構造を焼鈍するように加熱されてもよい。領域３４０では、ナノ構造は、表面波、音波、または超音波を含む、かみそりの刃または振動等の機械的手段によって、成長基材から除去されてもよい。ナノ構造は、化学プロセスによって、すなわち、酸素含有雰囲気を使用してナノ構造と成長基材との間の界面をエッチングすることによって、除去されてもよく、その場合、成長基材がこのエッチングを引き起こすのに十分な温度で維持される。場合によっては、これらのプロセスのうちの１つ以上の組み合わせが使用されてもよい。
【００７４】
領域３５０において、成長基材を化学雰囲気（例えば、ガスまたは液体）に暴露させて、成長基材から触媒および／または支持層を溶解または分離することによって、触媒材料が成長基材から除去されてもよい。代替として、成長基材は、触媒および／または支持層の蒸発を引き起こすのに十分な温度に加熱される（例えば、赤外線手段によって、または抵抗加熱によって）。触媒および／または支持層はまた、示されるような研磨車輪３５１との接触等の機械的手段によって除去されてもよく、その場合、車輪は成長基材と接触するように、および接触しないように動いてもよい。領域３６０では、触媒が、任意的に、本明細書で説明されるように再活性化されてもよい。領域３７０では、触媒材料および／または支持材料が、成長基材に塗布されてもよい。例えば、触媒材料は、真空雰囲気下での電子ビーム蒸着またはスパッタリングによって成長基材上に塗布されてもよい。代替として、材料は、本明細書で説明される方法によって、触媒ナノ粒子で被覆されてもよいローラ３７１を介して塗布されてもよい。
【００７５】
図３４Ａは、転動電気接点を使用して抵抗加熱されてもよい成長基材の概略図を示し、その場合、隣接する区域は、隣接区域の間の各電気接点に独立制御された電流を通すことによる、独立熱制御を有してもよい。８１０および８１１等の一連の回転接触要素とともに、連続成長基材８００の一部を示す。基材は、左から右へ動いてもよく、接触要素は、この運動を駆動および／または可能にするように回転してもよい。基材の底面上の接点は、導電性であってもよく、基材を通して好適な電流を駆動するように好適な電圧で保持されてもよく、それは基材の抵抗加熱を引き起こすことができる。例えば、接点８１１は、電圧Ｖ０で保持されてもよく、接点８１３は、電圧Ｖ１で保持されてもよく、接点８１５は、電圧Ｖ２で保持されてもよい。基材の各セクションを通る独立制御された電流の通過が、独立制御された温度における各区域中の基材の維持を可能にしてもよい、熱区域８０５および８０６も示されている。例えば、基材の特定の場所における温度を測定するために、８２０として示される赤外線センサ等の非接触温度センサが使用されてもよく（複数の場所で温度を測定するために、多くのセンサが使用および／または走査されてもよい）、このセンサの出力は、各区域において基材を加熱するように印加される電流を制御するために使用されてもよい。図３４Ｂは、最上接点が基材の縁のみに触れてもよいため、上部面８１０がこの表面上のナノ構造の成長のために覆われていないままであってもよいことを示す。
【００７６】
図３５は、隣接大気区域が差圧および流動シールを使用して隔離されてもよい、成長基材の概略図を示し、その場合、その上でナノ構造が成長させられる構造の表面からガスが供給されてもよい。基材９００より上側で、３つのチャンバが維持されてもよく、チャンバ９１０は、開口部の均一な配設を介して、第１の圧力駆動流を提供してもよく、その流動は、主に第１の領域９０５中の基材表面に到達してもよい。チャンバ９２０からの流動は、主に第２の領域９０６中の基材表面に到達してもよい。チャンバの間において、基材表面付近からチャンバ９３０の中へ流動が引き出されてもよく、その場合、チャンバ９３０は、基材表面付近で両方の領域から流動を引き出すように、減圧状態で得られてもよい。９３０への進入時に、両方の領域からの流動は、狭い基材域９０７中で混合するが、領域９０５中の基材と相互作用した流動は、領域９０６と相互作用しなくてもよく、したがって、これらの隣接領域の間での処理大気を隔離する。例えば、チャンバ９１０は、カーボンナノチューブ成長のために、Ｆｅ／Ａｌ２Ｏ３の担持触媒に前処理を施すためのＨ２／Ｈｅの雰囲気９１２を有してもよく、チャンバ９２０は、基材表面上に示されるようなカーボンナノチューブ９０９を成長させるために、Ｃ２Ｈ４／Ｈ２の雰囲気を有してもよい。カーボンナノチューブは、基材表面がチャンバ９２０の出口の下を通る時に成長し始めてもよく、それにより、炭素含有の反応性雰囲気に暴露されてもよい。いくつかの実施形態では、基材は、図３４に示されるように抵抗加熱されてもよい。
【００７７】
図３６は、隣接大気区域が差圧および流動シールを使用して隔離されてもよい、成長基材の概略図を示し、その場合、基材の細孔または穴を通してガスが供給されてもよい。基材１０００は、細孔または穴１００５を有することができ、流動は、基材の反対側からこれらの空洞を通して方向付けられてもよく、基材の上部面１００６は、ナノ構造の成長および本発明による他のステップのために処理されてもよい。独立雰囲気１０２０および１０３０は、基材の裏側において隔離されてもよく、雰囲気は、接点と分割器との間の運動を可能にするシール１０１６によって分割器１０１５と接触している転動接点１０１０によって隔離されてもよい。基材の上部面の上側では、流動は、流動１０４１としてチャンバ１０４０に引き込まれてもよい。
【００７８】
当業者であれば、ナノ構造の連続成長のためのシステムが、本明細書で説明されるような任意の数の処理空域を含有してもよいことを理解するであろう。場合によっては、特定の用途に応じて、２つ以上の区域が、同時に、および／または異なる条件下で操作されてもよい。例えば、基材の除去の前または後の触媒、基材、および／またはナノ構造の原位置での監視によって判定されるような、触媒および基材の条件は、成長基材の異なる部分において様々であってもよい。ナノ構造の連続成長のためのシステムおよび方法はまた、参照することにより本明細書に組み込まれる、Ｈａｒｔ，ｅｔ  ａｌ．，Ｊ．Ｐｈｙｓｉｃａｌ  Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ  Ｂ  ２００６，１１０（１６），８２５０−８２５７、Ｈａｒｔ，ｅｔ  ａｌ．，Ｓｍａｌｌ  ２００７，５，７７２−７７７、およびＨａｒｔ，ｅｔ  ａｌ．，Ｎａｎｏ  Ｌｅｔｔ．２００６，６（６），１２５４−１２６０で説明されているものを含む、他の方法と組み合わせて使用されてもよい。
【００７９】
場合によっては、ナノ構造、触媒材料、および／または成長基材表面の特性は、システムの操作中に監視されてもよく、それがナノ構造の産生のための条件を選択および／または制御することを促進してもよい。システムは、ナノ構造のラマンまたは赤外線分光法によって成長基材または触媒材料の電気伝導度またはインピーダンス測定することによって、ナノ構造、触媒、または基材からのＸ線散乱によって、および／または、ナノ構造層の厚さ、または基材表面上のナノ構造の長さあるいは直径の測定によって、監視されてもよい。
【００８０】
いくつかの実施形態では、方法は、各々が接合面を有する第１および第２のプリプレグ複合合板層を提供するステップと、本明細書で説明されるように、一式の実質的に整列したナノチューブを、第１および第２の複合合板層のうちの少なくとも一方の接合面の上または中に配設するステップとを含む。例えば、ナノチューブは、接合面の少なくとも１０％の上または中で均一に分散されてもよい。方法はさらに、合板層の界面を形成するように、それぞれの接合面を介して、第１および第２の複合合板層を相互に結合するステップを備えてもよく、界面は、一式の実質的に整列したナノチューブを備える。次いで、プリプレグは、ナノチューブおよびプリプレグ複合合板層を結合するように硬化させられてもよい。
【００８１】
本発明の方法は、特定の用途に合うように、付加的な処理ステップを含んでもよい。例えば、ナノ構造の長軸が基材の表面に非平行な配向で実質的に整列させられるように、ナノ構造は、本明細書で説明されるように基材上に形成されてもよい。ナノ構造および／または基材はさらに、ナノ構造の長軸が表面と平行な配向で実質的に整列させられるように、ナノ構造の配向を変化させる機械的工具で処理されてもよい。図７Ａ-Ｂは、繊維と整列し、かつ均等に分布したナノ構造とを備える、複合合板層を生成するためのプロセスを示す。図７Ａでは、高さｈの一式の整列したナノ構造７００は、成長基材７０１上で成長させられてもよく、ナノ構造の長軸は、成長基材７０１の表面と実質的に垂直に配向される。ナノ構造の長軸が成長基材７０１の表面に平行な配向で実質的に整列させられるように、ナノ構造７００を「倒す」ために、ローラ７１０または機械的工具が使用されてもよい。図７Ｂは、同様のプロセスを図示し、整列したナノ構造７２０のパターンが、ある高さまで基材７２１上に形成されてもよい。ローラ７１０は、ナノ構造を「倒す」ために使用されてもよく、従来の整列した短繊維複合合板層と同様である、整列し、かつ均等に分布したナノ構造を含有する基材を付与する。この実施形態では、せん断遅延応力転移によって、負荷がナノ構造の間で伝達されてもよい。例えば、このプロセスは、図３に示された固体リング基材の領域３３０中で、または成長基材からのナノ構造の剥離後に生じてもよい。
【００８２】
例えば、固体または他の完全自己支持構造を形成するように、１つ以上の支持材料が、成長基材上の一式の整列したナノ構造（例えば、ナノチューブ「森林」）、または他のナノ構造支持材料に追加されてもよい。支持材料またはその前駆体の追加は、例えば、成長基材の後続除去時に、整列したナノ構造を備える固体構造が形成されるように、一式の実質的に整列したナノ構造を硬化させる、粘着力を高める、または他の方法で増強してもよい。場合によっては、ポリマーの重合および／または架橋結合が、整列したナノ構造を備える硬化構造を形成してもよいように、支持材料は、モノマー種、および／または架橋基を備えるポリマーであってもよい。他の実施形態では、支持材料は、およそナノ構造の直径である直径、または基材のナノ構造の間の間隔を有する金属ナノ粒子等の、金属または金属粉末であってもよい。金属は、金属の冷却が、整列したナノ構造を備える金属構造を形成してもよいように、整列したナノ構造に追加されると、軟化、焼結、または融解されてもよい。本明細書で使用されるような、「完全自己支持構造」は、構造の表面に沿った外部支持なしで、その構造的完全性（例えば、形状）を維持するのに十分な安定性および剛性を有する非固体構造を指す。整列したナノ構造を備える、固体および／または自己支持構造は、本明細書で説明されるように、複合材料に対する基材または他の構成要素として有用であってもよい。
【００８３】
場合によっては、本発明の方法はさらに、ナノ構造を除去する行為の前に、ナノ構造を焼鈍または高密度化する行為を含んでもよい。
【００８４】
均一なナノ構造の成長に加えて、成長基材上で触媒材料をパターン化することによって、または機械力を使用して成長を物理的にテンプレート作成することによって、２次元または３次元形状ナノ構造のマクロ構造も製造されてもよい。触媒材料のリソグラフパターン化は、３ミクロン以下ほどの断面を有するナノ構造特徴の成長を可能にしてもよい。パターン化成長はまた、ブロック共重合体ミセルの溶液からの触媒材料の密着焼付によって達成されてもよい。ナノ構造は、成長を微細加工空洞内にとどめることによって、３次元形状マクロ構造に「成長成形」されてもよい。例えば、微細加工テンプレートは、成長基材に対して締め付けられ、ナノ構造成長後に剥離されて、独立ナノ構造形状を解放してもよい。
【００８５】
本明細書で使用されるような、「ナノチューブ」という用語には、当技術分野でのその通常の意味が付与され、主に六員芳香環の融合ネットワークを備える、実質的に円筒形の分子またはナノ構造を指す。場合によっては、ナノチューブは、継目のない円筒形構造に形成された黒鉛のシートと似ていてもよい。ナノチューブはまた、六員環以外の環または格子構造を備えてもよいことを理解されたい。典型的には、ナノチューブの少なくとも１つの端は、すなわち、湾曲または非平面の芳香族基で冠着されてもよい。ナノチューブは、約数ナノメートルの直径および約数ミリメートルまたは約１０分の数ミクロンの長さを有して、１００、１０００、１０，０００、またはそれ以上よりも大きいアスペクト比をもたらしてもよい。場合によっては、ナノチューブは、カーボンナノチューブである。「カーボンナノチューブ」という用語は、主に炭素分子を備えるナノチューブを指し、単層ナノチューブ（ＳＷＮＴ）、二重層ＣＮＴ（ＤＷＮＴ）、多層ナノチューブ（ＭＷＮＴ）（例えば、同心カーボンナノチューブ）、その無機誘導体、および同等物を含む。いくつかの実施形態では、カーボンナノチューブは、単層カーボンナノチューブである。場合によっては、カーボンナノチューブは、多層カーボンナノチューブ（例えば、二重層カーボンナノチューブ）である。場合によっては、ナノチューブは、１μｍ未満、１００ｎｍ未満、５０ｎｍ未満、２５ｎｍ未満、１０ｎｍ未満、または場合によっては１ｎｍ未満の直径を有してもよい。
【００８６】
一式の実施形態では、ナノチューブは、５０ｎｍ以下の平均直径を有し、本明細書で説明されるような複合品において配設される。
【００８７】
無機材料は、シリコン（Ｓｉ）ナノワイヤ、インジウム・ガリウム・ヒ化物（ＩｎＧａＡｓ）ナノワイヤ等の半導体ナノワイヤ、窒化ホウ素（ＢＮ）、窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、（ＷＳ２）等のジカルコゲナイド、二酸化チタン（ＴｉＯ２）および三酸化モリブデン（ＭｏＯ３）等の酸化物、ならびにＢＣ２Ｎ２およびＢＣ４Ｎ等のホウ素炭素窒素組成物を備える、ナノチューブを含む。
【００８８】
本明細書で説明されるように、ナノ構造は、ナノ構造前駆体材料を、例えば、成長基材の表面上に配置された触媒材料と接触させることによって、合成されてもよい。いくつかの実施形態では、ナノ構造前駆体材料は、ナノチューブ前駆体材料であってもよく、炭化水素ガス、水素、アルゴン、窒素、それらの組み合わせ、および同等物等の、１つ以上の流体を備えてもよい。当業者であれば、適切なナノチューブ前駆体材料を選択して特定のナノチューブを産生することが可能であろう。例えば、カーボンナノチューブは、Ａｌ２Ｏ３支持材上に配設されたＦｅのナノ粒子等の触媒材料とのＣ２Ｈ４／Ｈ２混合物の反応によって、合成されてもよい。ナノチューブの合成は、本明細書では一例として説明されているにすぎず、本明細書で説明される方法を使用して、他のナノ構造が製造されてもよいことを理解されたい。例えば、本明細書で説明されるような成長基材を使用して、高アスペクト比を有するナノワイヤまたは他の構造が製造されてもよい。例えば、少なくとも１０：１、少なくとも１００：１、少なくとも１０００：１、または場合によっては少なくとも１０，０００：１のアスペクト比を有するナノ構造が製造されてもよい。一式の実施形態では、本発明の方法は、１００ナノメートル未満の直径および少なくとも１ミクロンの長さを有するナノ構造を合成するために使用されてもよい。当業者であれば、特定のナノ構造の成長のために、ナノチューブ前駆体材料、触媒材料、および一式の条件の適切な組み合わせを選択することが可能であろう。
【００８９】
ナノ構造前駆体材料は、種々の方法によって、システムおよび／または成長基材に導入されてもよい。場合によっては、ナノ構造前駆体材料は、繊維の表面に接触してもよい。例えば、ナノ構造前駆体材料の流動が、成長基材の表面と実質的に垂直な方向に、または、連続的な方法で、システムを通した成長基材の動作の方向に、導入されてもよい。成長基材が、特にその軸方向に沿って動かされてもよい一方で、ナノ構造前駆体材料の流動は、成長基材の動作に垂直な方向に成長基材に影響を及ぼしてもよい。場合によっては、成長基材が装置を通して動かされると、触媒材料は、整列したナノ構造の層の核生成を引き起こしてもよく、それは、繊維が成長装置を通って動くにつれて、厚さが増加してもよい。
【００９０】
成長基材が、束、織物、トウ、または、触媒材料が成長基材の内部に位置してもよい他の構成等の、複数の繊維を備える場合、成長基材は、規則的に離間した繊維を備えてもよく、ナノ構造前駆体材料の流動は、繊維の間の空間に浸透して、構造の全体を通して本質的に均一に、整列したナノ構造の成長を生じさせることができる。
【００９１】
場合によっては、ナノ構造は、主に、繊維表面の周囲で放射状に配向されてもよく、ナノ構造の長軸は、成長基材の表面と非平面である方向に配向されてもよい。場合によっては、ナノ構造は、繊維表面上で、順序付けられて、または無秩序に成長させられてもよい。
【００９２】
触媒材料は、ナノチューブの成長を触媒することが可能な任意の材料であってもよい。材料は、高触媒活性と、任意的に、一式のナノチューブの成長後に再生される能力とを有するように選択されてもよい。材料はまた、触媒材料が成長基材の表面上に蒸着されるか、または他の方向で形成されてもよいように、成長基材に適合するよう選択されてもよい。例えば、触媒材料は、成長基材として好適な熱膨張係数を有して、剥離または亀裂を低減または防止するように選択されてもよい。触媒材料は、成長基材の表面の上または中に配置されてもよい。場合によっては、触媒材料は、リソグラフィ等の既知の方法を使用して、成長基材の表面上で被覆またはパターンとして形成されてもよい。他の実施形態では、成長基材の少なくとも一部分を、触媒材料またはその前駆体を備える、溶液、フィルム、またはテープと接触させることによって、成長基材が触媒材料で被覆またはパターン化されてもよい。場合によっては、成長基材は、繊維の表面を被覆してナノチューブの成長部位を提供してもよい、触媒材料またはその前駆体を含有する溶液を通して引き出されてもよい、繊維であってもよい。そのような方法は、成長基材への触媒材料の再塗布が必要とされてもよい、初期段階または後期段階等の、連続プロセスの種々の段階において、成長基材に触媒材料を導入するために使用されてもよい。
【００９３】
触媒材料として使用するために好適な材料は、金属、例えば、第１〜１７族金属、第２〜１４族金属、第８〜１０族金属、またはこれらのうちの１つ以上の組み合わせを含む。本発明で使用されてもよい第８族からの元素は、例えば、鉄、ルテニウム、またはオスミウムを含んでもよい。本発明で使用されてもよい第９族からの元素は、例えば、コバルト、レニウム、またはイリジウムを含んでもよい。本発明で使用されてもよい第１０族からの元素は、例えば、ニッケル、パラジウム、または白金を含んでもよい。場合によっては、触媒材料は、鉄、コバルト、またはニッケルである。例示的実施形態では、触媒材料は、成長基材の表面上でパターンに配設される、鉄ナノ粒子またはその前駆体であってもよい。触媒材料はまた、金属酸化物、金属窒化物等の、他の金属含有種であってもよい。当業者であれば、特定の用途に合うように、適切な触媒材料を選択することが可能であろう。
【００９４】
場合によっては、順次独占的反応物流（例えば、ナノチューブ前駆体材料を備える）を送達することによって、または、複数種類のナノ構造の成長を引き起こし、かつ基材上に配設された成長部位の性質（例えば、元素組成およびサイズ）に選択的である、混合反応物流を使用することによって、ナノチューブ前駆体および／または触媒材料の適切な組み合わせを使用して、ナノチューブが合成されてもよい。
【００９５】
触媒材料は、例えば、化学蒸着を含む、種々の方法を使用して、成長基材の表面上に形成されてもよい。例示的実施形態では、繊維は、触媒材料またはその前駆体を含有する溶液を通して引き出されてもよく、その表面上の触媒材料の被覆とともに溶液から退出してもよい。被覆は、繊維の表面からのカーボンナノチューブ等のナノ構造の成長のために、金属ナノ粒子（例えば、Ｆｅ、Ｃｏ、および／またはＮｉ）等の成長部位を備えてもよく、または、成長部位の形成の前駆体であってもよい。場合によっては、繊維は、触媒材料を含有する溶液を通して連続的に引き出されてもよく、溶液の表面（例えば、液気界面または液液界面）において、触媒材料は、溶液の表面に接触すると繊維の表面上に引き出されてもよい、凝集ナノ粒子であってもよい。
【００９６】
成長基材上に触媒材料を蒸着するために、ラングミュア・ブロジェット技法、磁性流体等の事前形成ナノ粒子の溶液からの蒸着、および、基材を被覆し、加熱されるとナノ粒子を形成するように分解する、金属塩の溶液（例えば、１５０〜１９０℃の金属窒化物）等の、他の方法が使用されてもよい。場合によっては、成長基材上に組織化触媒材料をテンプレート作成するために、ブロック共重合体が使用されてもよい。
【００９７】
本発明で使用するために好適な基材は、プリプレグ、ポリマー樹脂、乾燥織物およびトウ、炭素（例えば、黒鉛）、金属、合金、金属間化合物、金属酸化物、金属窒化物、セラミック、および同等物等の無機材料を含む。場合によっては、基材は、繊維、繊維のトウ、織物、および同等物であってもよい。基材はさらに、伝導性繊維、織物、またはナノ構造等の伝導材料を備えてもよい。
【００９８】
場合によっては、本明細書で説明されるような基材は、プリプレグ、つまり、炭素繊維等の埋め込まれた、整列した、および／または織り合わせた（例えば、織られた、または編組された）繊維を含有する、ポリマー材料（例えば、熱硬化性または熱可塑性ポリマー）であってもよい。本明細書で使用されるような、「プリプレグ」という用語は、埋め込まれた繊維、例えば、炭素、ガラス、炭化ケイ素、および同等物の繊維を含有する、熱硬化性または熱可塑性樹脂の１つ以上の層を指す。いくつかの実施形態では、熱硬化性材料は、エポキシ、ゴム増強エポキシ、ＢＭＩ、ＰＭＫ−１５、ポリエステル、ビニルエステル、および同等物を含み、好ましい熱可塑性材料は、ポリアミド、ポリイミド、ポリアリーレンスルフィド、ポリエーテルイミド、ポリエステルイミドポリアリーレンポリスルホンポリエーテルスルホンポリフェニレンスルフィド、ポリエーテルイミド、ポリプロピレン、ポリオレフィン、ポリケトン、ポリエーテルケトン、ポリエーテルケトンケトン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエステル、ならびにそれらの類似体および混合物を含む。典型的には、プリプレグは、整列した、および／または織り合わせた（織られた、または編組された）繊維を含み、プリプレグは、多くの層の繊維が他の層の繊維と整列しないように配設され、該配列は、方法によって形成される部品の方向性の剛性要件によって決定される。繊維は、概して、感知できるほどに縦方向に伸展させることができず、したがって、各層は、その繊維が沿って配設される方向に、感知できるほどに伸展させることができない。例示的なプリプレグは、ＴＯＲＬＯＮ熱可塑性積層、ＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン、Ｉｍｐｅｒｉａｌ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｉｎｄｕｓｔｒｉｅｓ，ＰＬＣ，Ｅｎｇｌａｎｄ）、ＰＥＫＫ（ポリエーテルケトンケトン、ＤｕＰｏｎｔ）熱可塑性プラスチック、Ｔｏｒａｙ（日本）によるＴ８００Ｈ／３９００−２熱硬化性樹脂、およびＨｅｒｃｕｌｅｓ（Ｍａｇｎａ，Ｕｔａｈ）によるＡＳ４／３５０１−６熱硬化性樹脂を含む。
【００９９】
成長基材は、本明細書で説明されるような触媒材料および／またはナノ構造を支持することが可能な任意の材料であってもよい。成長基材は、ナノ構造成長条件、ナノ構造除去条件、および同等物等の、特定のプロセスで使用される一式の条件に対して不活性であるように、および／または一式の条件下で安定するように選択されてもよい。例えば、成長基材は、カーボンナノチューブの高温（例えば、最高で１３００℃）ＣＶＤ成長下で安定していてもよい。場合によっては、成長基材は、アルミナ、シリコン、炭素、セラミック、または金属を備えてもよい。場合によっては、成長基材は、実質的平面を備える。場合によっては、成長基材は、実質的非平面を備える。例えば、成長基材は、例えば、０．１ｍから１０ｍに及ぶ直径を有してもよい、繊維等の任意的に回転可能な円筒形基材であってもよい。場合によっては、成長基材は、ナノチューブの形成／除去中に連続的に回転させられてもよい、剛体リング（例えば、円筒形剛体リング）であってもよい。場合によっては、成長基材は、可撓性材料を備えてもよく、成長基材は、本明細書で説明されるように、装置を通した連続循環のために１つ以上のローラの上に配置されてもよい、可撓性リングまたはベルトを形成してもよい。いくつかの実施形態では、成長基材は、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２、または炭素を備える繊維である。いくつかの実施形態では、成長基材は、金属またはセラミック等の基礎材料の表面上に形成される、遷移金属酸化物（Ａｌ２Ｏ３）層等の層を備えてもよい。
【０１００】
場合によっては、成長基材は、中空および／または多孔質であってもよい。いくつかの実施形態では、成長基材は、多孔質Ａｌ２Ｏ３等の多孔質である。本明細書で使用されるような、「多孔質」材料とは、例えば、流体または流体の混合物（例えば、液体、ガス）によって、材料が容易に横断または浸透されるように、十分な数の細孔を有する材料として定義される。本発明では、多孔質成長基材は、成長基材を通した、触媒材料へのガス（例えば、ナノチューブ前駆体材料）の拡散を有利に促進することによって、ナノチューブの成長を向上させてもよい。図４は、本発明によって使用される多孔質成長基材の概略図を示し、図中、基材６７０は、細孔または穴６７１、および基材の一表面上で成長させられるナノ構造６７２を含有する。細孔または穴は、基材表面の面積にわたって反応雰囲気の均一な送達を可能にする。これは、例えば、基材の前処理のため、ナノ構造の成長のため、または触媒の再活性化のための雰囲気である。
【０１０１】
例示的実施形態では、図５は、ローラ上でのナノ構造の成長のために、成長基材に反応性材料を供給することが可能な構成要素（例えば、ローラ）上に配設された成長基材を示す。構成要素は、成長基材上での整列したナノ構造の層の成長のために、反応および非反応の化学種を供給してもよく、化学種は、成長基材へと半径方向に流れてもよい。成長基材は、その表面を通るガス流を可能にするように多孔質であってもよい、中空シリンダ５００であってもよい。化学種の流動５１０は、シリンダと流体連通している入力パイプ５０１に沿って軸方向に導入されてもよく、成長基材を通って表面へと半径方向５１１に分配され、流されてもよい。場合によっては、流動は、ナノ構造前駆体材料を供給してもよく、それは次いで、成長基材の表面上の成長部位（例えば、触媒材料）と相互作用してもよい。代替として、触媒材料前駆体は、成長基材の表面上で触媒ナノ構造の層を形成するように、流動の中に供給されてもよい。
【０１０２】
いくつかの実施形態では、成長基材は、Ａｌ２Ｏ３またはＳｉＯ２を備え、触媒材料は、鉄、コバルト、またはニッケルを備える。場合によっては、成長基材は、Ａｌ２Ｏ３を備え、触媒材料は、鉄を備える。
【０１０３】
本明細書で使用されるように、「ナノ構造前駆体材料」とは、適切な一式の条件下でナノ構造を形成するように反応させられてもよい、任意の材料または材料の混合物を指す。ナノ構造前駆体材料は、炭素含有種（例えば、Ｃ２Ｈ４およびＣＨ４等の炭化水素、アルコール等）、１つ以上の流体（例えば、Ｈ２、Ｏ２、ヘリウム、アルゴン、窒素等のガス）、またはナノ構造の形成を促進してもよい他の化学種を備えてもよい。
【０１０４】
本明細書で説明されるように、本発明は、１つ以上の結合材料または支持材料の使用または追加を含んでもよい。結合または支持材料は、本明細書で説明されるポリマー材料、繊維、金属、または他の材料であってもよい。本明細書で説明されるような、結合材料および／または支持材料として使用するためのポリマー材料は、ナノ構造に適合する任意の材料であってもよい。例えば、ポリマー材料は、ナノ構造を均一に「湿潤させる」ように、および／または１つ以上の基材を結合するように選択されてもよい。場合によっては、ポリマー材料は、５０，０００ｃＰｓ以下、１０，０００ｃＰｓ以下、５，０００ｃＰｓ以下、１，０００ｃＰｓ以下、５００ｃＰｓ以下、２５０ｃＰｓ以下、１００ｃＰｓ以下等の、特定の粘度を有するように選択されてもよい。いくつかの実施形態では、ポリマー材料は、１５０〜２５０ｃＰｓ等の粘度を有するように選択されてもよい。場合によっては、ポリマー材料は、熱硬化性または熱可塑性であってもよい。場合によっては、ポリマー材料は、任意的に、伝導性繊維、織物、またはナノ構造を含む、伝導材料を備えてもよい。
【０１０５】
熱硬化性樹脂の例は、Ｍｉｃｒｏｃｈｅｍ  ＳＵ−８（紫外線硬化エポキシ、２０００．１〜２１００の等級、および３ｃＰｓから１０，０００ｃＰｓに及ぶ粘度）、Ｂｕｅｈｌｅｒ  Ｅｐｏｔｈｉｎ（〜１５０ｃＰｓの低粘度、室温硬化エポキシ）、Ｗｅｓｔ  Ｓｙｓｔｅｍｓ  ２０６＋１０９  Ｈａｒｄｅｎｅｒ（約２００ｃＰｓの低粘度、室温硬化エポキシ）、Ｌｏｃｔｉｔｅ  Ｈｙｓｏｌ  １Ｃ（２０分硬化伝導性エポキシ、粘度２００，０００−５００，０００ｃＰｓ）、Ｈｅｘｃｅｌ  ＲＴＭ６（樹脂注入成形エポキシ、約１０ｃＰｓのプロセス中の粘度）、Ｈｅｘｃｅｌ  ＨｅｘＦｌｏｗ  ＶＲＭ  ３４（構造的ＶＡＲＴＭまたは真空支援樹脂注入成形エポキシ、約５００ｃＰｓのプロセス中の粘度）を含む。熱可塑性プラスチックの例は、ポリスチレン、またはＭｉｃｒｏｃｈｅｍ  ＰＭＭＡ（紫外線硬化熱可塑性プラスチック、１０ｃＰｓから約１，０００ｃＰｓに及ぶ等級）を含む。一実施形態では、ポリマー材料は、ＰＭＭＡ、ＥｐｏＴｈｉｎ、ＷｅｓｔＳｙｓｔｅｍｓ  ＥＰＯＮ、ＲＴＭ６、ＶＲＭ３４、９７７−３、ＳＵ８、またはＨｙｓｏｌ１Ｃであってもよい。
【実施例】
【０１０６】
以下の実施例は、本発明のある側面の実施形態を図示する。本明細書で説明されるプロセスは、当業者に公知であるように、大量バッチまたは連続様式での操作のために修正および／または拡大縮小されてもよいことを理解されたい。
【０１０７】
（実施例１）
以下の実施例は、基材上に整列したカーボンナノチューブの層を成長させるための例示的プロセスを説明する。ＦＤＣ−８０００フィルム蒸着コントローラとともにＴｅｍｅｓｃａｌ  ＶＥＳ−２５５０を使用する、単一ポンプダウンサイクルにおける電子ビーム蒸着によって、１／１０ｎｍのＦｅ／Ａｌ２Ｏ３のパターン化触媒フィルムを、平面（１００）６”シリコンウエハ（ｐ型、１〜１０Ω−ｃｍ、Ｓｉｌｉｃｏｎ  Ｑｕｅｓｔ  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ、標準「ピラニア」（３：１のＨ２ＳＯ４：Ｈ２Ｏ２）溶液を使用して清浄化した）上に蒸着した。フォトリソグラフィによってパターン化された画像反転フォトレジスト（ＡＺ−５２１４Ｅ）の１μｍ層のリフトオフによって、触媒パターンを製造した。ウエハ表面全体を覆って触媒を蒸着し、軽度の超音波処理とともに、アセトンに５分間浸すことによって、フォトレジスト上に蒸着された触媒の領域を除去した。水晶モニターを使用して、蒸着中に触媒のフィルム厚さを測定し、ラザフォード後方散乱分光（ＲＢＳ）によって後で確認した。
【０１０８】
アルゴン（Ａｒ、９９．９９９％、Ａｉｒｇａｓ）、エチレン（Ｃ２Ｈ４、９９．５％、Ａｉｒｇａｓ）、および水素（Ｈ２、９９．９９９％、ＢＯＣ）の流動を使用して、２２ｍｍの内径および３０ｃｍの長さの加熱区域を有する単一区域大気圧石英管炉（Ｌｉｎｄｂｅｒｇ）の中で、ＣＮＴ成長を行った。炉温は、３０分で設定点温度まで上昇させられ、４００ｓｃｃｍのＡｒ下でさらに１５分間保持された。１５〜６０分の成長期間にわたって、Ｃ２Ｈ４／Ｈ２／Ａｒ混合物を維持した。最後に、Ｈ２およびＣ２Ｈ４の流動を中断し、加熱炉が１００℃以下に冷却している間に滴に還元される前に、管から反応性ガスを変位させるように、４００ｓｃｃｍのＡｒを１０分間以上維持する。
【０１０９】
カーボンナノチューブ構造は、７５０℃において１００／５００／２００ｓｃｃｍのＣ２Ｈ４／Ｈ２／Ａｒ中で処理されたＦｅ／Ａｌ２Ｏ３フィルムから成長させられた。図１１−１３に示されるように、カーボンナノチューブは、主に基材と垂直に配向され、隔離されるか、または０．１μｍほどの大きさの直径の「束」で集められ、その場合、カーボンナノチューブは、表面力によって密接に結合される。図１１Ａが、１００／５００／２００ｓｃｃｍのＣ２Ｈ４／Ｈ２／アルゴン（縮尺６５０μｍ）から６０分間で成長させられた、高さ約１．８ｍｍの整列したＣＮＴ森林の斜位像（７０°傾斜台）ＳＥＭ画像を示す一方で、図１１Ｂは、側面から見たフィルム内のカーボンナノチューブカーボンナノチューブの整列を示す（縮尺０．５μｍ）。
【０１１０】
代替として、Ａｒの代わりにＨｅのキャリアガスが使用され、加熱炉は、設定点（成長）温度まで上昇させられ、４００／１００ｓｃｃｍのＨｅ／Ｈ２の流動の下で安定化され、１００／４００／１００ｓｃｃｍのＣ２Ｈ４／Ｈｅ／Ｈ２の流動が成長期間中に導入される。
【０１１１】
図１２Ａ−Ｂは、リソグラフィでパターン化したＦｅ触媒部位を有するＡｌ２Ｏ３基材から成長させられた、カーボンナノチューブ微細構造を示す。同一の断面を有するカーボンナノチューブ構造を大型配列で成長させることができ、複雑な形状を画定することができる。図１２Ａが、１５分間で成長させられた、高さ約１ｍｍのカーボンナノチューブ柱の配列を示す（縮尺５００μｍ）一方で、図１２Ｂは、その中心付近でより高く成長し、高解像度リソグラフィマスクから複製された鋭い特徴を有する、カーボンナノチューブの複雑パターンを示す（縮尺５０μｍ）。
【０１１２】
図１３は、主に多層かつ管状であった、カーボンナノチューブのＨＲＴＥＭ検査を示す。カーボンナノチューブは、平均して約８ｎｍの外径および５ｎｍの内径となり、ほとんどが３〜７枚の同心平行壁を有する。図１４Ａは、１００／５００／２００ｓｃｃｍのＣ２Ｈ４／Ｈ２／Ａｒで１５分の均等成長時間にわたって異なる温度で成長させられた、整列したカーボンナノチューブフィルムの最終的な厚さを示す。図１４Ｂは、７５０℃で１５分の均等成長時間にわたって（５００／２００ｓｃｃｍのＨ２／Ａｒに加えて）異なるＣ２Ｈ４流で成長させられた、整列したカーボンナノチューブフィルムの最終的な厚さを示す。図１４Ａ−Ｂに示されるように、カーボンナノチューブフィルムの成長速度および厚さは、反応温度を制御することによって（図１４Ａ）、または原料中のＣ２Ｈ４の濃度を調整することによって（図１４Ｂ）調整することができる。当業者に公知の方法による、触媒粒径、触媒材料、反応物および／または添加物種、流動順序、温度、圧力、および他のパラメータの調整は、そのような層内の整列したＣＮＴの形態（直径、結晶化度）および密度を好適に制御することができる。
【０１１３】
（実施例２）
以下の実施例は、繊維の表面上にカーボンナノチューブを含有するセラミック繊維の産生を説明する。繊維ストランドを、市販の（ＭｃＭａｓｔｅｒ−Ｃａｒｒ）酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）繊維布から切り取り、イソプロパノール中のＦｅ（ＮＯ３）３・９Ｈ２Ｏの１０ｍＭ溶液（撹拌および超音波処理によって調製した）に５分間浸した。次いで、繊維ストランドを空気中で乾燥させた。図１５は、（ａ）１００ミクロン縮尺および（ｂ）２０ミクロン縮尺における、鉄触媒材料が装填されたＡｌ２Ｏ３繊維のＳＥＭ画像を示す。Ａｌ２Ｏ３繊維は、直径約２０μｍであり、各ストランドが数百の繊維を備えた。２２ｍｍの内径および３０ｃｍの長さの加熱区域を有する単一区域大気圧石英管炉（Ｌｉｎｄｂｅｒｇ）の中で、カーボンナノチューブ成長を行った。手動ニードル弁ロータメータを使用して、Ａｒ（９９．９９９％、Ａｉｒｇａｓ）、Ｃ２Ｈ４（９９．５％、Ａｉｒｇａｓ）、Ｈ２（９９．９９９％、ＢＯＣ）の流動を測定した。炉温は、１００／５００／２００ｓｃｃｍのＣ２Ｈ４／Ｈ２／Ａｒで７５０℃に保持した。
【０１１４】
２つのプロセスを検討した。第１に、Ｃ２Ｈ４／Ｈ２／Ａｒガスの混合物とともに繊維を加熱炉の中に入れ、次いで、加熱炉をナノチューブ成長温度まで加熱することによって、Ａｌ２Ｏ３繊維を「バッチ」ＣＶＤ順序で処理した。次いで、カーボンナノチューブの整列した被覆をＡｌ２Ｏ３繊維の表面上に形成した。代替的プロセス（例えば、「急速加熱」順序）では、加熱炉がナノチューブ成長温度まで加熱された後に、Ａｌ２Ｏ３繊維を加熱炉の高温区域に急速に導入した。次いで、１〜２分後に、Ｃ２Ｈ４／Ｈ２／Ａｒ成長混合物を導入した。両方のプロセスからの結果として生じた繊維を図１５−１８に示す。
【０１１５】
図１６Ａは、１５分の成長時間および１００／５００／２００ｓｃｃｍのＣ２Ｈ４／Ｈ２／Ａｒ後の、カーボンナノチューブ被覆したＡｌ２Ｏ３繊維のＳＥＭ画像を示す（１０ｍＭ解像度、２０ミクロン縮尺）。図１６Ｂは、カーボンナノチューブ被覆内のカーボンナノチューブの整列のＳＥＭ画像を示す（１ミクロン縮尺）。図１７は、（ａ）５０倍率および（ｂ）２５０倍率における、カーボンナノチューブ被覆したＡｌ２Ｏ３繊維束のＳＥＭ画像を示し、トウの全体を通した繊維上で、かつトウの外面の遥かに下で発生した、整列したナノチューブの成長を示す。図１８は、（ａ）１ｍＭのＦｅ溶液、（ｂ）１０ｍＭのＦｅ溶液、および（ｃ）１００ｍＭのＦｅ溶液中で被覆された、被覆繊維のＳＥＭ画像を示す。図１８Ｄは、１００ｍＭのＦｅ溶液中の急速加熱ＣＶＤ順序によって形成された、被覆繊維のＳＥＭ画像を示す。図１８に示されるように、Ａｌ２Ｏ３繊維上の整列したカーボンナノチューブの被覆率の増加が、より高い濃度のＦｅ溶液に浸された、および／または急速加熱ＣＶＤ順序によって産生された繊維に観察された。
【０１１６】
図１８によって明示されるように、カーボンナノチューブの整列した成長形態が達成され、加熱炉の高温区域中の繊維の滞留時間（供給速度）は、繊維表面上のＣＮＴ層の所望の厚さを付与するように選択することができる。ＣＮＴ被覆の均一性は、Ｆｅ溶液の濃度の影響を受けてもよいが、溶液中の繊維のバッチ浸漬における不均等な蒸発面の影響も受け手もよい。触媒前駆体の均一な被覆は、本発明の関連実施形態による、触媒または触媒前駆体溶液からの基材の連続離脱によって達成することができる。
【０１１７】
（実施例３）
以下の実施例は、垂直に整列したカーボンナノチューブを含有する複合薄膜の産生を説明する。実施例１で説明されるプロセスに従って、カーボンナノチューブを含有する長方形の「柱」のパターンをシリコンウエハ上で成長させた。カーボンナノチューブは、垂直に整列し、基材と実質的に垂直であり、かつ表面力によって柱の形で結合された。反応チャンバ中のＣ２Ｈ４の濃度または反応温度のいずれかを調整することによって、カーボンナノチューブ柱の成長速度および高さを制御することが可能であった。この実施例では、カーボンナノチューブの高さは、１００μｍと測定された。
【０１１８】
次いで、複合薄膜を形成するように、シリコンウエハ上のカーボンナノチューブを第２の基材と組み合わせた。カーボンナノチューブとして高さとほぼ同じ厚さを有する薄膜の形で、速硬性（例えば、２０分）室温伝導性エポキシをガラス基材（例えば、「第２の」基材）上に蒸着した。次いで、カーボンナノチューブおよび伝導性エポキシが相互に接触するように、カーボンナノチューブパターンを含有するシリコンウエハをガラス基材上に配置し、１００ｇの荷重をアセンブリに適用した。アセンブリを周囲温度および湿度で保ち、伝導性エポキシを２４時間かけて硬化させた。荷重によって及ぼされた機械的圧力によって支援された毛細管作用が、エポキシをカーボンナノチューブ柱に浸透させた。２４時間後、エポキシが完全に硬化された。エポキシとカーボンナノチューブとの間の接着は、機械的手段によってシリコンウエハの除去を可能にするのに十分であった。図１９Ａは、エポキシ基質に埋め込まれた、整列したカーボンナノチューブ柱の配設のＳＥＭ画像を示し、エポキシによる柱の効果的な湿潤を示す。図１９Ｂは、ナノチューブ／エポキシ界面を示す、埋め込まれたカーボンナノチューブ柱の接近像を示す。
【０１１９】
代替として、カーボンナノチューブの柱および密集した「森林」を効果的に湿潤するために、浸水プロセスも使用されてもよく、毛細管作用が、カーボンナノチューブ森林へのエポキシの浸透を支援することができる。図２０Ａ−Ｂは、浸水プロセスによってカーボンナノチューブ「森林」によって浸透されたエポキシのＳＥＭ画像を示し、カーボンナノチューブ湿潤の有効性が示された。図２０Ｂのナノチューブ／エポキシアセンブリの断面図に示されるように、エポキシポリマーは森林の厚さに完全に浸透し、ＣＮＴの整列が維持された。図２０Ｃは、約５％の体積分率を伴うカーボンナノチューブ／ＳＵ−８複合材料のＳＥＭ画像を示し、湿潤が効果的で空隙が全く観察されず、図２０Ｄは、複合材料の接近像を示す。図２０Ｅは、１０％体積分率のカーボンナノチューブ／ＲＴＭ６複合材料を示し、より高い体積分率でさえも、湿潤のための浸水方法の有効性を観察することができ、図２０Ｆは、複合材料の接近像を示す。
【０１２０】
（実施例４）
以下の実施例は、受容基材へのカーボンナノチューブ森林の移動、および「ナノ縫合」複合構造の産生を説明する。実施例１で説明される方法を使用して、カーボンナノチューブ「森林」をシリコンウエハ上で約１５０μｍの高さまで成長させた。図２７Ａ−Ｄは、機械的手段を使用して、その基材からプリプレグへと移植されたカーボンナノチューブのＳＥＭ画像を示し、カーボンナノチューブの整列の保持が移動時に観察された。
【０１２１】
「ナノ縫合」複合構造を産生するために、市販の黒鉛繊維／エポキシプリプレグ（ＡＳ４／３５０１−６またはＩＭ７／９７７−３）のの長方形の断片を切断し、機械的手段を使用して、ＣＮＴ森林をプリプレグの表面に移植し、すなわち、図９Ｅに図示されるように、成長基材から受容基材へと移動させられた。カウルプレートをカーボンナノチューブ「森林」の最上部の上に配置し、次いで、シリコンウエハ上に配置された１００ｇの荷重の形で圧力を適用した。プリプレグの表面上のエポキシが軟化するまで、アセンブリを加熱した（または室温にした）。機械的圧力およびエポキシの軟化は、カーボンナノチューブをプリプレグのエポキシに浸透させた。ナノチューブの浸透深度は、表面の温度および／またはカーボンナノチューブ基材に適用された荷重の大きさを調整することによって制御した。ＣＮＴがプリプレグに十分に埋め込まれると、荷重を除去し、エポキシを完全に硬化させた。図２１は、（ａ）２００ミクロンおよび（ｂ）２０ミクロン縮尺における、その表面上にカーボンナノチューブの森林を含有する結果のプリプレグを示す。この構成は、本明細書で説明されるように、補強多層複合材料の生成に使用することができる。
【０１２２】
代替として、カーボンナノチューブ層を、黒鉛／エポキシプリプレグの２つの合板層の間に配置した。図９Ｄに図式的に示されるように、カーボンナノチューブ森林を２つのプリプレグ合板層の一方の表面に移植し、第２の合板層を森林の最上部の上に追加した。オートクレーブを使用してアセンブリを完全に硬化させ、（ａ）２００ミクロンおよび（ｂ）１０ミクロン縮尺における、結果として生じたハイブリッド複合材料を図２２に示す。図２２Ｂで見られるように、界面におけるカーボンナノチューブは、領域に応じて、プリプレグ合板層に約５〜７μｍ（炭素繊維直径と同じ）浸透した。
【０１２３】
上記で説明されるプロセスを使用して製造された中央平面に整列したＣＮＴ層を含有する、二重カンチレバービーム試料が、モードＩ破壊試験を受けた。結果を、無補強複合材料の結果と比較した。図２２Ｃに示されるように、カーボンナノチューブは、複合材料の破壊靱性を６０％増加させる、すなわち、１６０％まで増加させることが示された。
【０１２４】
図２６Ｂ−Ｃは、（ａ）２００ミクロン縮尺および（ｂ）１０ミクロンにおける、カーボンナノチューブ／黒鉛／エポキシハイブリッド複合材料のＳＥＭ画像を示す。
【０１２５】
（実施例５）
以下の実施例は、カーボンナノチューブ、アルミナ繊維、およびエポキシを含有する、織物層状複合構造の産生を説明する。実施例２で説明される方法に従って、カーボンナノチューブ森林を６０μｍの高さまで成長させた。アルミナ繊維の表面上でカーボンナノチューブを成長させた後、ＣＮＴ／アルミナ布合板層を、ＢｕｅｈｌｅｒのＥｐｏＴｈｉｎエポキシに漬け、ハイブリッド複合積層を生成するように積み重ねた。図２３に図示されるように、複合構造を硬化させるために、真空支援硬化を使用した。積層を真空テーブル上に配置し、無孔テフロン（登録商標）の層を最上部の上に配置し、それに続いて、積層の同じ寸法のカウルプレートを配置した（積層がカウルプレートに付着することを回避するために、無孔テフロン（登録商標）を使用した）。硬化プロセスの間に過度のエポキシを除去するように、多孔質テフロン（登録商標）および浸出紙の層を、アセンブリの最上部の上に配置した。アセンブリならびに真空テーブルを覆って真空の均一な分布を確保するように、真空テーブルを覆ってガラス繊維のシートを配置した。最後に、アセンブリを封入するために真空バッグを使用し、３０ｐｓｉの圧力を硬化プロセス中に印加した。
【０１２６】
ＣＮＴ／アルミナ／エポキシナノ加工積層の写真を、図２４Ａに示す。硬化プロセス中に圧力（３０ｐｓｉ）を印加することによって、過度のエポキシをナノ加工複合積層から効果的に排除し、次いで、サンプルを糸鋸で切断した。例示的サンプルを図２４Ｂの写真によって示す。
【０１２７】
付加的な実施例では、同様の複合構造をアルミナ布で製造した。本明細書で説明されるプロセスを使用して、カーボンナノチューブを繊維の表面上で成長させた。薄層間せん断強度を判定するために、ショートビームせん断（ＳＢＳ）試験を薄層内試料に適用した（図２５Ａ）。結果を、カーボンチューブが欠けている同様の複合材料、すなわち、「無補強」複合材料の結果と比較し、図２５に示す。ＣＮＴ構造は、複合材料の薄層間せん断強度を７０％増加させた。
【０１２８】
また、実施例５で説明されるステップに従って、カーボンナノチューブ、アルミナ繊維、およびエポキシを含有する複合構造も製造した。図２９は、５０ミクロン縮尺における、カーボンナノチューブ／アルミナ／エポキシハイブリッド複合材料のＳＥＭ画像を示す。図２９によって示されるように、エポキシは、カーボンナノチューブおよびアルミナ繊維に完全に浸透し、湿潤する。繊維の均一な分布も観察することができる。
【０１２９】
次いで、カーボンナノチューブ、アルミナ繊維、およびエポキシを含有する複合構造の電気伝導度を検討した。図３１Ａは、複合材料が２つの銀塗料電極の間に配置され、その電気的性質が測定された、電気伝導度試験用の実験装置を図式的に示す。図３１Ｂは、電気抵抗率測定からの結果を示す。
【０１３０】
（実施例６）
以下の実施例では、黒鉛（例えば、炭素）繊維上で、本明細書で説明されるように、一式のカーボンナノチューブを成長させ、種々の複合材料の製造で利用した。図２６ＡのＳＥＭ画像に示されるように、カーボンナノチューブを黒鉛繊維上で成長させ、カーボンナノチューブの長軸は、繊維表面に垂直に配向されている。
【０１３１】
（実施例７）
浸水方法を使用して、カーボンナノチューブおよびエポキシを含有するナノ構造「柱」を製造した。図２８Ａ−Ｃは、完全湿潤に湿潤し、それらの形状およびＣＮＴ整列が維持されている、カーボンナノチューブ／エポキシ柱のＳＥＭ画像を示す。
【０１３２】
（実施例８）
以下の実施例は、本明細書で説明されるような連続プロセスを使用する、カーボンナノチューブの産生を説明する。
【０１３３】
図３２Ａは、反応性Ｃ２Ｈ４／Ｈ２雰囲気と不活性Ｈ２雰囲気との間で、成長基材を包囲する雰囲気を循環させることによって成長基材上で成長させられた、整列したカーボンナノチューブのフィルムの厚さのリアルタイム測定を示し、図中、画像の左縁に沿って配置された記号は、連続層の間の界面を示す。フィルムは、Ｆｅ触媒およびＡｌ２Ｏ３支持層で被覆された成長基材の暴露時に成長し、Ｃ２Ｈ４／Ｈ２に暴露され、基材がＨ２単独に暴露されると、成長を一時停止させた。回転円筒形基材を使用して、これを連続的に複製し、その場合、成長区域をＣ２Ｈ４／Ｈ２の雰囲気中で温度Ｔに維持し（「条件セット１」）、剥離および前処理区域を異なる温度で維持した（「条件セット２」）。同じ触媒が何度も再循環される、連続操作のこの段階中に、中間区域を条件セット２で維持し、もはやナノ構造の産生のために好適に活性ではなくなると、触媒を除去し、交換することができた。図３２Ｂは、このプロセスによって成長させられたカーボンナノチューブフィルムの走査電子顕微鏡写真を示し、図中、画像の左縁に沿って配置された記号は、連続層の間の界面を示す。層は、図３２Ｃに示されるように、はっきりと分離することができ、各層は、一間隔あたりのカーボンナノチューブの成長を表す。
【０１３４】
（実施例９）
図３３は、（ａ）蒸着後であるが熱または化学処理前、（ｂ）アルゴン雰囲気中での加熱および後続の冷却後、（ｃ）アルゴン／Ｈ２雰囲気中での加熱および後続の冷却後の、シリコン基材上のＦｅ／Ａｌ２Ｏ３（１／１０ｎｍ）支持触媒フィルムの表面地形のＡＦＭ画像を示す。図３３Ｃは、後でＣ２Ｈ４が反応雰囲気に添加されると、還元（Ｈ２含有）雰囲気中での触媒被覆基材の前処理が、カーボンナノチューブの成長部位であるＦｅナノ粒子の形成を支援してもよいことを示してもよい。
【０１３５】
（実施例１０）
第１の基材から第２の基材への一式のカーボンナノチューブの移動において、種々の基材材料を検討した。以下の実施例では、基材の表面上に配置されたカーボンナノチューブを備える、実質的に平面の基材の上で、円筒形基材を転動させた。場合によっては、カーボンナノチューブの移動は、第１および／または第２の基材として使用される材料の種類、ならびに、ナノ構造の移動を促進するために使用される、本発明で説明されるような任意の外力、化学試薬、機械的工具（例えば、エアナイフ）等の影響を受ける場合がある。図３７Ａは、実質的に平面の基材から、（ｉ）プラスチックローラ上に配置されたプリプレグへと移動させられたカーボンナノチューブを示す。カーボンナノチューブの小さな領域（全表面の約１５％）は、プラスチックローラ上のプリプレグに移植されなかった。図３７Ｂは、シリンダに及ぼされた制御可能な圧力で、実質的に平面の基材から、（ｉｉ）アルミニウムシリンダ（図３７に示される）上に配置されたプリプレグへと移動させられたカーボンナノチューブを示す。元の基材から（ｉｉ）シリンダに付着したプリプレグへのカーボンナノチューブへの本質的に完全な移植が達成された。
【０１３６】
本発明のいくつかの実施形態を本明細書で説明および図示したが、当業者であれば、本明細書で説明される、機能を果たし、および／または、結果および／または利点のうちの１つ以上を得るための種々の他の手段および／または構造を容易に想定し、そのような変化例および／または修正のそれぞれは、本発明の範囲内であると見なされる。より一般的には、当業者であれば、本明細書で説明される全てのパラメータ、寸法、材料、および構成は、例示的となるように意図されており、実際のパラメータ、寸法、材料、および／または構成は、本発明の教示が使用される、１つまたは複数の具体的用途に依存することを、容易に理解するであろう。当業者であれば、日常的にすぎない実験を使用して、本明細書で説明される本発明の具体的実施形態の多くの同等物を認識するか、または確認することができるであろう。したがって、先述の実施形態は、一例のみとして提示され、添付の請求項およびその同等物の範囲内で、具体的に説明および請求される以外の方法で本発明が実践されてもよいことを理解されたい。本発明は、本明細書で説明される、各個別特徴、システム、部品、材料、キット、および／または方法を対象とする。加えて、そのような特徴、システム、部品、材料、キット、および／または方法が相互に矛盾していなければ、２つ以上のそのような特徴、システム、部品、材料、キット、および／または方法の任意の組み合わせが、本発明の範囲内に含まれる。
【０１３７】
本明細書および本請求項で使用されるような、「１つの」という不定冠詞は、明確にそれとは反対に示されない限り、「少なくとも１つの」を意味すると理解されたい。
【０１３８】
本明細書および本請求項で使用されるような、「および／または」という語句は、そのように結合される要素、すなわち、ある場合では接合的に存在し、他の場合では離接的に存在する要素の「いずれか一方または両方」を意味すると理解されたい。明確にそれとは反対に示されない限り、「および／または」という節によって具体的に識別される要素と関係するか、無関係であるかにかかわらず、それらの具体的に識別される要素以外に、他の要素が任意的に存在してもよい。したがって、非限定的な例として、「Ａおよび／またはＢ」の参照は、「〜を備える」等の非制約的用語と併せて使用されると、一実施形態では、ＢのないＡ（任意的にＢ以外の要素を含む）を指し、別の実施形態では、ＡのないＢ（任意的にＡ以外の要素を含む）を指し、さらに別の実施形態では、ＡおよびＢの両方（任意的に他の要素を含む）等を指す。
【０１３９】
本明細書および本請求項で使用されるような、「または」は、上記で定義されるような「および／または」と同じ意味を有すると理解されたい。例えば、一覧中のアイテムを分離する時に、「または」あるいは「および／または」は、包括的であるとして解釈されるものであり、すなわち、少なくとも１つを含むが、多数の要素または要素の一覧のうちの２つ以上と、任意的に、付加的な非記載アイテムも含む。「〜のうちの１つのみ」または「〜のうちの正確に１つ」等の、明確にそれとは反対に示される用語のみ、または、請求項で使用される時に、「〜から成る」が、多数の要素または要素の一覧のうちの正確に１つの包含を指す。一般に、本明細書で使用されるような「または」という用語は、「いずれか一方」、「〜のうちの１つ」、「〜のうちの１つのみ」、または「〜のうちの正確に１つ」等の、排他性の用語が先行すると、排他的代替物（すなわち、「一方または他方であるが、両方ではない」）としてのみ解釈されるものである。「本質的に〜から成る」は、請求項で使用されると、特許法の分野で使用されるような、その通常の意味を有するものである。
【０１４０】
本明細書および本請求項で使用されるような、１つ以上の要素の一覧を参照した「少なくとも１つ」という語句は、要素の一覧中の要素のうちのいずれか１つ以上から選択される、少なくとも１つの要素を意味するが、要素の一覧内で具体的に記載される、あらゆる要素のうちの少なくとも１つを必ずしも含むとは限らず、要素の一覧中の要素の任意の組み合わせを除外しないことを理解されたい。この定義はまた、「少なくとも１つ」という語句が指す要素の一覧内で具体的に識別される要素と関係するか、無関係であるかにかかわらず、それらの具体的に識別される要素以外の要素が任意的に存在してもよいことも許容する。したがって、非限定的な例として、「ＡおよびＢのうちの少なくとも１つ」（または同等に、「ＡまたはＢのうちの少なくとも１つ」、または同等に、「Ａおよび／またはＢのうちの少なくとも１つ」）は、一実施形態では、Ｂが存在しない、任意的に２つ以上を含む、少なくとも１つのＡ（任意的にＢ以外の要素を含む）を指し、別の実施形態では、Ａが存在しない、任意的に２つ以上を含む、少なくとも１つのＢ（任意的にＡ以外の要素を含む）を指し、さらに別の実施形態では、任意的に２つ以上を含む、少なくとも１つのＡ、および、任意的に２つ以上を含む、少なくとも１つのＢ（任意的に他の要素を含む）等を指すことができる。
【０１４１】
請求項ならびに上記の明細書では、「〜を備える」、「〜を含む」、「〜を持つ」、「〜を有する」、「〜を含有する」、「〜を伴う」、「〜を担持する」、および同等物等の、全ての移行句は、非制約的である、すなわち、「〜を含むがそれらに限定されない」を意味すると理解されたい。「〜から成る」および「本質的に〜から成る」という移行句のみが、ｔｈｅ  Ｕｎｉｔｅｄ  Ｓｔａｔｅｓ  Ｐａｔｅｎｔ  Ｏｆｆｉｃｅ  Ｍａｎｕａｌ  ｏｆ  Ｐａｔｅｎｔ  Ｅｘａｍｉｎｉｎｇ  Ｐｒｏｃｅｄｕｒｅｓ，Ｓｅｃｔｉｏｎ  ２１１１．０３に規定されているように、それぞれ、制約的または半制約的な移行句となるものである。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図１Ｃ】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図８】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図９Ｃ】
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【図９Ｄ】
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【図９Ｅ】
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【図９Ｆ】
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【図９Ｇ】
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【図１０】
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【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５Ａ】
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【図１５Ｂ】
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【図１６Ａ】
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【図１６Ｂ】
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【図１７Ａ】
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【図１７Ｂ】
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【図１８Ａ】
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【図１８Ｂ】
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【図１８Ｃ】
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【図１８Ｄ】
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【図１９Ａ】
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【図１９Ｂ】
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【図２０Ａ】
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【図２０Ｂ】
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【図２０Ｃ】
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【図２０Ｄ】
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【図２０Ｅ】
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【図２０Ｆ】
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【図２１Ａ−２１Ｂ】
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【図２２Ａ】
0005473915.tif 000048
【図２２Ｂ】
0005473915.tif 000049
【図２２Ｃ】
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【図２３】
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【図２４Ａ】
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【図２４Ｂ】
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【図２５Ａ】
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【図２５Ｂ】
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【図２６Ａ】
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【図２６Ｂ】
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【図２６Ｃ】
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【図２７Ａ】
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【図２７Ｂ】
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【図２７Ｃ】
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【図２７Ｄ】
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【図２８Ａ】
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【図２８Ｂ】
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【図２８Ｃ】
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【図２９】
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【図３０Ａ】
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【図３０Ｂ】
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【図３０Ｃ】
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【図３０Ｄ】
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【図３１Ａ】
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【図３１Ｂ】
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【図３２Ａ】
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【図３２Ｂ】
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【図３２Ｃ】
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【図３３Ａ】
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【図３３Ｂ】
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【図３３Ｃ】
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【図３４Ａ】
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【図３４Ｂ】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７Ａ】
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【図３７Ｂ】
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