(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
製品を形成する方法であって、当該方法が、
複数のナノ粒子（１０４）とマトリックス材料（１０８）とを準備する工程と、
磁場を作用させることによってマトリックス材料（１０８）中で複数のナノ粒子（１０４）を所定のパターン（３０２）に配列させる工程と、
マトリックス材料（１０８）を硬化させることによってナノ粒子（１０４）の少なくとも一部分の位置を固定する工程と
を含んでおり、前記磁場をアプリケーター（１０６）に作用させることによって複数のナノ粒子（１０４）の少なくとも一部分をアプリケーター（１０６）内に配置し、アプリケーター（１０６）がマトリックス材料（１０８）中で複数のナノ粒子（１０４）を配列する、方法。
【請求項２】
さらに、所定のパターン（３０２）を有するマトリックス材料（１０８）をコーティングとして適用することを含む、請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記コーティングをアラミド繊維に適用する、請求項２記載の方法。
【請求項４】
前記マトリックス材料（１０８）がセラミックマトリックス複合材、有機マトリックス複合材、熱可塑性ポリマー、熱硬化性ポリマー及びこれらの組合せからなる群から選択される、請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載の方法。
【請求項５】
複数のナノ粒子（１０４）の少なくとも一部分が磁性である、請求項１乃至請求項４のいずれか１項記載の方法。
【請求項６】
複数のナノ粒子（１０４）の少なくとも一部分が磁化される、請求項１乃至請求項４のいずれか１項記載の方法。
【請求項７】
前記磁場をマトリックス材料（１０８）とナノ粒子（１０４）とのブレンドに作用させる、請求項１乃至請求項４のいずれか１項記載の方法。
【請求項８】
所定のパターン（３０２）が、ナノ粒子（１０４）の少なくとも一部分が平行又は線状であることを含む、請求項１乃至請求項７のいずれか１項記載の方法。
【請求項９】
所定のパターン（３０２）が、ナノ粒子（１０４）の少なくとも一部分が、回路パターン、非線形パターン、曲線状パターン、正方形、長方形、円形及び長円形から選択される所定のパターンを形成することを含む、請求項１乃至請求項７のいずれか１項記載の方法。
【請求項１０】
ナノ粒子（１０４）を、第１の磁場及び第２の磁場を作用させることによって配列させる、請求項１乃至請求項９のいずれか１項記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、材料及び材料を形成する方法に関する。より具体的には、本発明は、ナノ粒子を含む材料を形成する方法及びナノ粒子を含む材料に関する。
【背景技術】
【０００２】
製造品がより極端な環境やより過激な用途に供されるにつれて、材料の性質の制限がより重要な問題となる。それに応じて、材料の性質が常に改良され続けている。材料内で所定のパターンに粒子を配列することで所望の性質を得ることができる。
【０００３】
公知の材料を強化するには、ナノ粒子をマトリックスと共にブレンドして強化されたブレンドを形成する。この強化されたブレンドは増大した粘度とより大きい強度を含む。しかし、この強化されたブレンドは費用がかかる可能性があり、脆性のような望ましくない性質を有する可能性がある。加えて、強化されたブレンドは全体を通してランダムに配向されたナノ粒子を含んでおり、秩序化されたナノ粒子を必要とする用途に利用することができない。
【０００４】
公知の方法では、マトリックスを引き伸ばし、このマトリックスの引き伸ばしにより創成される空隙内にナノ粒子を配置することによって、秩序化されたナノ粒子をマトリックス内に配置する。これらのナノ粒子は一般にマトリックスの空隙内に一列に並べられる。この方法には、ナノ粒子が実質的に同じ大きさでなければならないので、追加のコストがかかるという難点がある。さらにまた、ナノ粒子の整列は、マトリックス内でどこに空隙が形成されるかによって制限され、そのためナノ粒子の配列を妨げるので、予測ができない。
【０００５】
別の公知の方法では、ナノ繊維を所定の位置に配置し、マトリックスと共に接合して、所望のデザインのナノ繊維を有する平坦なプライ層を形成する。この平坦なプライ層をあるパターンに切断し、追加の平坦なプライ層と共に積み重ねるか及び／又は折り曲げて所望の形状を形成する。この方法には、トリミングに起因する繊維端部の予測できない破損、トリミングに起因する空隙の予測できない破損、層間剥離、ナノ繊維の望ましくない移動及びナノ繊維の望ましくないスクラップが生じるという難点がある。
【０００６】
ミクロ繊維を配列することは公知である。本明細書で使用する場合、用語「ミクロ繊維」とは、直径約１５μｍ〜約１００μｍを有する視覚的に識別できる繊維をいう。従来、ミクロ繊維は、繊維を配向させるための機械的システムにより、また磁場をかけることによって、配列されている。例えば、ある公知の方法では、直径約２０μｍ、厚さ約１μｍを有するディスク形状の強磁性フレークを、磁場を作用させることによって配列させた。これらのフレークは視覚的に識別できるように充分な大きさであり、実質的に一貫した大きさに分離するのに充分な大きさである。これらのミクロ繊維は、ナノ粒子で利用可能な性質を有していない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】米国特許第７７１８７３８号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
所定のパターンに配列されたナノ粒子を含む材料及びナノ粒子を所定のパターンに配列する方法は当技術分野で望ましいであろう。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
代表的な実施形態によると、製品を形成する方法は、複数のナノ粒子とマトリックス材料を準備し、場を作用させることによってマトリックス材料中で複数のナノ粒子を所定のパターンに配列することを含む。
【００１０】
別の代表的な実施形態によると、製品は、複数のナノ粒子を含むマトリックス材料に磁場をかけることによって複数のナノ粒子を配列して所定のパターンを形成する方法によって形成される。
【００１１】
別の代表的な実施形態によると、製品は、マトリックス材料とマトリックス材料中の所定のパターンとを含み、この所定のパターンは複数のナノ粒子を含む。
【００１２】
本発明のその他の特徴と利点は、本発明の原理を例として示す添付の図面を参照した好ましい実施形態に関する以下のより詳細な説明から明らかになる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】図１は、本開示の一実施形態による配列されたナノ粒子を含む代表的な材料を概略的に示す。
【図２】図２は、本開示の一実施形態による配列されたナノ粒子を含む代表的な材料を概略的に示す。
【図３】図３は、本開示の一実施形態による代表的な方法の前のナノ粒子のランダムな配列を概略的に示す。
【図４】図４は、本開示の一実施形態による代表的な方法に従ってランダムな配列のナノ粒子に沿って配置された正に帯電したプローブと負に帯電したプローブを概略的に示す。
【図５】図５は、本開示の一実施形態による代表的な方法に従って磁場の印加により配向されたナノ粒子の配列を概略的に示す。
【図６】図６は、本開示の一実施形態による代表的な方法に従って磁場の印加により配置されたナノ粒子の配列を概略的に示す。
【図７】図７は、本開示の一実施形態による代表的な方法に従って第２の位置における磁場の印加により配置されたナノ粒子の配列を概略的に示す。
【図８】図８は、本開示の一実施形態による代表的な方法に従って所定のパターンに配置されたナノ粒子の配列を概略的に示す。
【図９】図９は、本開示の一実施形態による代表的な方法に従って所定のパターンに配置される前のナノ粒子の配列を概略的に示す。
【図１０】図１０は、本開示の一実施形態による代表的な方法に従って所定のパターンに配置されたナノ粒子の配列を概略的に示す。
【００１４】
可能な限り、全図面を通じて同一の部分を表すには同一の参照番号を使用する。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
所定のパターンに配列されたナノ粒子を含む材料及びナノ粒子を所定のパターンに配列する方法が提供される。本開示の実施形態により、新しい性質を提供する複雑な所定のパターンにナノ粒子を配列することが可能になり、ナノ粒子の適用及び配列において一貫性をもたせ制御することによってナノ粒子のスクラップの量を低減又は削減することが可能になり、より広範囲の大きさのナノ粒子を線状のパターンのような一定のパターンに使用することが可能になり、マトリックス中の空隙の低減又は削減が可能になり、層間剥離の低減又は削減が可能になり、ナノ粒子の望ましくない移動の低減又は削減が可能になり、ナノ粒子の使用によってのみ利用可能な独特の性質が可能になり、またこれらの組合せが可能になる。
【００１６】
本開示の実施形態では、材料は、コーティング（例えば、セラミック系ＳｉＣ繊維ウィスカー、有機系炭素ウィスカー、有機系ガラスウィスカー及び／又はその他の形態のアラミド繊維上）又は複合材（例えば、セラミックマトリックス複合材、有機のマトリックス複合材及び／又は熱可塑性及び／又は熱硬化性ポリマー）の一部であるか又はこれらを形成する。
【００１７】
図１〜図２を参照して、代表的な実施形態では、材料１００はマトリックス材料１０８内に所定のパターン１０２を形成するように配列され配置された複数のナノ粒子１０４を含んでいる。本明細書で使用する場合、用語「ナノ粒子」とは、数ｎｍ（１０-9ｍ）程度の大きさを有するあらゆる構造体をいう。個々のナノ粒子１０４は視覚的に見分けられない。例えば、本開示の実施形態では、ナノ粒子１０４は、約１５００ｎｍ未満の直径、約１０ｎｍ〜約１５００ｎｍの直径範囲、約１０ｎｍ〜約１０００ｎｍの直径範囲、約２０ｎｍ〜約５００ｎｍの直径範囲、約５０ｎｍ〜約５００ｎｍの直径範囲、約１００ｎｍ〜約５００ｎｍの直径範囲、約２０ｎｍ〜約４００ｎｍの直径範囲又は約４０ｎｍ〜約２００ｎｍの直径範囲を有し、この直径は、例えば、電子顕微鏡と連結した画像解析器具によって測定して、中央の２０％、５０％、８０％又は全てのナノ粒子１０４に対して測定する。加えて又は代わりに、本開示の実施形態では、ナノ粒子１０４は、最も大きい分散の領域で、２０％未満の分散、５％未満の分散又は１％未満の分散を有する。
【００１８】
本開示の実施形態では、ナノ粒子１０４はナノスケールのグラフェンプレート、ナノチューブ、ナノ繊維、ナノクレー小板、ナノロッド、ナノスケール強化材、その他の適切なナノ構造体又はこれらの組合せである。一実施形態では、ナノ粒子１０４はナノ充填材である。適切なナノ充填材としては、例えば、ナノスケールグラフェンプレート、ナノ繊維及びナノチューブがある。
【００１９】
マトリックス材料１０８は有機、金属、セラミック、ガラス、炭素系、ポリマー又はこれらの組合せである。本明細書で使用する場合、用語「ポリマー」及びその文法上の変形は、限定されることはないが、ホモポリマー、コポリマー（例えば、ブロック、グラフト、ランダム及び交互コポリマー）、ターポリマー及びこれらのブレンドを指す。一実施形態では、マトリックス材料１０８はポリマー、例えば、ポリラクチド、ポリ乳酸、ポリオレフィン、ポリアクリロニトリル、ポリウレタン、ポリカーボネート、ポリカプロラクトン、ポリビニルアルコール、セルロース、キトサン  ナイロン、ポリスチレン、タンパク質及びこれらの組合せである。一実施形態では、マトリックス材料１０８はポリマー、例えば、ポリ（ジアリルジメチルアンモニウムクロリド）、ポリアクリル酸、ポリ（アリルアミンヒドロサルフェート）、ポリ（４−スチレンスルホン酸）、ポリ（硫酸ビニル）カリウム塩、４−スチレンスルホン酸ナトリウム塩水和物、ポリスチレンスルホネート、ポリスチレンイミン、その他適切なポリマー又はこれらの組合せである。
【００２０】
一実施形態では、マトリックス材料１０８は、直鎖ポリスチレンイミン骨格、直鎖ポリスチレンイミン骨格のブロックのブロックコポリマー、水溶性ポリマーブロック（例えば、ポリスチレングリコール、ポリプロピオニルスチレンイミン及び／又はポリアクリルアミド）、疎水性ポリマーブロック（例えば、ポリスチレン又はポリオキサゾリン、例えばポリフェニルオキサゾリン、ポリオクチルオキサゾリン及びポリドデシルオキサゾリン）又はポリアクリレート（例えば、ポリメチルメタクリレート及びポリブチルメタクリレート）のみからなるポリマーである。
【００２１】
複数のナノ粒子１０４は所定のパターン１０２に配列される。ナノ粒子１０４はマトリックス材料１０８内に配列された配向で適用され及び／又はマトリックス材料１０８とブレンドされた後に配列されて所定のパターン１０２を形成する。本明細書で使用する場合、用語「所定のパターン」とは、設計された配列をいう。設計された配列は、ナノ粒子１０４の配置及び配向を知ることによって形成される。設計された配列は、限定されることはないが、コンピューター支援設計（ＣＡＤ）プログラムの使用を始めとする任意の適切な方法によって形成される。用語「所定のパターン」は意図的に形成されたパターンを含み、不均一なランダムな配列、一貫しないで形成された配列又は予測できない配列を含まない。
【００２２】
図１を参照して、一実施形態では、所定のパターン１０２は実質的に平行な配向に配列される複数のナノ粒子１０４を含んでいる。図２を参照して、一実施形態では、所定のパターン１０２は、複数のナノ粒子１０４の一部分が実質的に線状の配向に配列し、複数のナノ粒子１０４の一部分が曲線状の配向に配列するように配列された複数のナノ粒子１０４を含んでいる。一実施形態では、所定のパターン１０２は複雑な所定のパターン（例えば、回路パターン、非線形のパターン、曲線状のパターン又は幾何学的なパターン、例えば正方形、長方形、円、長円又はその他適切な形状）である。
【００２３】
一実施形態では、ナノ粒子１０４は磁力の作用によって配列される。この実施形態では、ナノ粒子１０４は磁性であるか又は磁化される。この実施形態では、磁場を発生させ、この磁場を作用させることによってナノ粒子１０４を配列させ、マトリックス材料１０８を硬化させることによってナノ粒子１０４の位置を固定する。別の実施形態では、所定の温度より高く加熱することによってナノ粒子１０４から磁性を除く。代わりの実施形態では、所定の温度より高い熱をかけないでナノ粒子１０４の磁性を保持する。一実施形態では、ナノ粒子１０４をマトリックス材料１０８とブレンドした後配列させる。この実施形態では、ブレンドに磁場をかけることによってナノ粒子１０４を所定のパターン１０２に配列させる。ブレンド内でのナノ粒子１０４の配列は、ブレンドの外でナノ粒子１０４を配列させるよりも強い磁場を含んでいる。一実施形態では、磁場の強度はブレンドの粘度に相当する（例えば、より高い粘度のブレンドにはより高い強度の磁場を作用させる）。
【００２４】
図１〜図２を参照して、一実施形態では、ナノ粒子１０４はマトリックス材料１０８内で配列された配向に適用される。例えば、この実施形態では、ナノ粒子１０４はアプリケーター１０６内で配列される。アプリケーター１０６は磁場に基づいてナノ粒子１０４を配向させ、一貫した制御可能な配向でナノ粒子１０４を適用する。この実施形態では、一貫した制御可能な配向に適用することができるので、他の方法では配列させるのが困難な非常に小さいナノ粒子１０４を使用することができる。
【００２５】
磁場は任意の適切な磁場である。一実施形態では、磁場は磁場である。この実施形態では、ナノ粒子１０４は磁性であるか又は磁化されている。磁場は磁場内のナノ粒子１０４を推進し、引き付け、はね返し、回転させ又はその他の方法で粒子の配向を調節する。一実施形態では、磁場は所定の持続時間及び／又はナノ粒子１０４が所定のパターン１０２に配列されるまでかけられる。一実施形態では、複数の磁場を使用して、ナノ粒子１０４を複雑な所定のパターンに配列する。一実施形態では、第１の強度を有する第１の磁場がかけられ、第２の強度を有する第２の磁場をかけるが、第１の強度は第２の強度とは異なる。他の実施形態では、偏向性の力線に同調させた同調ナノ粒子に対して他の場（例えば、イオン場又は電場）を使用する。
【００２６】
図３〜図８は、ナノ粒子１０４を所定のパターン１０２に配列する代表的な方法の工程を示す。一実施形態では、代表的な方法はナノ粒子１０４をマトリックス材料１０８内に配列することを含んでいる。別の実施形態では、代表的な方法はナノ粒子１０４をマトリックス材料１０８に適用する前にナノ粒子１０４をアプリケーター１０６内で配列することを含んでいる。
【００２７】
図３を参照して、第１の工程では、所定の経路３０２に近接してランダムな配列のナノ粒子１０４を準備する。所定の経路３０２は曲線状のラインとして示されているが、所定のパターン１０２に対するあらゆる適切な前駆体であることができる。図４を参照して、第２の工程では、正に帯電したプローブ４０２と負に帯電したプローブ４０４を所定の経路３０２に沿って配置する。図５を参照して、第３の工程において、正に帯電したプローブ４０２と負に帯電したプローブ４０４を作動させることによって場（例えば、磁場、イオン場、電場又はこれらの組合せ）を発生させて、ナノ粒子１０４の一部分５０４の配向を調節する（例えば、一実施形態では、配向の調節はナノ粒子１０４の一部分５０４を整列させることを含む）。図６を参照して、第４の工程において、ナノ粒子１０４の一部分５０４の位置を調節する（例えば、一実施形態では、この一部分５０４の配置は実質的に所定の経路３０２に沿っている）。図７を参照して、任意の第５の工程において、正に帯電したプローブ４０２と負に帯電したプローブ４０４をナノ粒子１０４の第２の一部分７０２に近接して所定の経路３０２に沿って配置するる。図８は代表的な方法に従って所定のパターン１０２に配列されたナノ粒子１０４を示す。
【００２８】
図９〜図１０を参照して、一実施形態では、ナノ粒子１０４は繊維複合材内の穴又は節のような構造９０２の回りに配置され配列されている。図９は、場の印加前に構造９０２を通って延びるナノ粒子１０４を示す。図１０は、ナノ粒子１０４の所定のパターン１０２を形成するように配置され作動する正に帯電したプローブ４０２と負に帯電したプローブ４０４を示す。この実施形態では、所定のパターン１０２は硬材合板製品に似ている。他の実施形態では、所定のパターン１０２は任意の適切な木理パターン、任意の適切な大理石パターン、その他任意の天然の図案、任意の適切な非天然の図案、審美デザイン又はその他任意の適切なパターンに似ている。
【００２９】
好ましい実施形態に関連して本発明を説明して来たが、当業者には理解されるように、本発明の範囲から逸脱することなく、様々な変更をなすことができ、またその要素に代えて等価物を使用することができる。さらに、特定の状況又は材料を本発明の教示に適合させるために、本発明の本質的な範囲から逸脱することなく多くの改変をなすことができる。従って、本発明は、本発明を実施するために考えられる最良の態様として開示された特定の実施形態に限定されることはなく、特許請求の範囲に入る全ての実施形態を包含するものである。
【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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【図９】
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【図１０】
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