(57)【要約】【課題】  ＣＮＴを効率良く断片化することが可能なカーボンナノチューブの加工方法、加工装置、及びそれによって得られるカーボンナノチューブの分散液、カーボンナノチューブ粉末を提供する。【解決手段】  断片化対象となるカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）原料５が溶媒４中に懸濁された被処理液２を用い、被処理液２を収容する処理チャンバ３と、処理チャンバ３内に収容された被処理液２に対して、溶媒４中にあるＣＮＴを断片化するための所定波長のパルス光を照射するパルス照射光源１０とによってＣＮＴの加工装置１Ａを構成する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
カーボンナノチューブの加工方法であって、
原料となるカーボンナノチューブが溶媒中に懸濁された被処理液を準備する準備ステップと、
前記被処理液に対して所定波長のパルス光を照射することによって、前記溶媒中にある前記カーボンナノチューブを長さ方向に断片化する断片化ステップと
を備えることを特徴とするカーボンナノチューブの加工方法。
【請求項２】
前記パルス光の波長は、前記カーボンナノチューブの直径の２０倍以上の波長であることを特徴とする請求項１記載の加工方法。
【請求項３】
前記パルス光の照射光強度は、０．０１Ｊ／ｃｍ２・ｐｕｌｓｅ以上２．０Ｊ／ｃｍ２・ｐｕｌｓｅ以下の強度であることを特徴とする請求項１または２記載の加工方法。
【請求項４】
前記溶媒に可溶な高分子を添加することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項記載の加工方法。
【請求項５】
前記溶媒に界面活性剤を添加することを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項記載の加工方法。
【請求項６】
前記断片化ステップにおいて、前記被処理液を冷却した状態で前記パルス光の照射を行うことを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項記載の加工方法。
【請求項７】
前記カーボンナノチューブは、前記パルス光の照射領域において前記パルス光の偏波面に対して所定の方向に揃えられていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項記載の加工方法。
【請求項８】
前記溶媒を除去して断片化された粉末状の前記カーボンナノチューブを得る溶媒除去ステップを備えることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項記載の加工方法。
【請求項９】
カーボンナノチューブの加工装置であって、
原料となるカーボンナノチューブが溶媒中に懸濁された被処理液を収容する処理チャンバと、
前記処理チャンバ内に収容された前記被処理液に対して、前記溶媒中にある前記カーボンナノチューブを断片化するための所定波長のパルス光を照射する照射光源と
を備えることを特徴とするカーボンナノチューブの加工装置。
【請求項１０】
前記パルス光の波長は、前記カーボンナノチューブの直径の２０倍以上の波長であることを特徴とする請求項９記載の加工装置。
【請求項１１】
前記パルス光の照射光強度は、０．０１Ｊ／ｃｍ２・ｐｕｌｓｅ以上２．０Ｊ／ｃｍ２・ｐｕｌｓｅ以下の強度であることを特徴とする請求項９または１０記載の加工装置。
【請求項１２】
前記被処理液を冷却するための冷却手段を備えることを特徴とする請求項９〜１１のいずれか一項記載の加工装置。
【請求項１３】
前記処理チャンバは、前記カーボンナノチューブが、前記パルス光の照射領域において前記パルス光の偏波面に対して所定の方向に揃えられるように構成されていることを特徴とする請求項９〜１２のいずれか一項記載の加工装置。
【請求項１４】
前記処理チャンバは、前記被処理液を層流状態として前記カーボンナノチューブの方向を揃えるように構成されていることを特徴とする請求項１３記載の加工装置。
【請求項１５】
前記処理チャンバは、前記被処理液に対して電場を加えて前記カーボンナノチューブの方向を揃えるように構成されていることを特徴とする請求項１３記載の加工装置。
【請求項１６】
請求項１〜７のいずれか一項記載の加工方法により加工され、断片化された前記カーボンナノチューブが前記溶媒中に分散された分散液。
【請求項１７】
請求項８記載の加工方法により加工されたカーボンナノチューブ粉末。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、カーボンナノチューブの加工方法、加工装置、及びそれによって得られるカーボンナノチューブの分散液、カーボンナノチューブ粉末に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）は、ナノテクノロジーの有力な素材として広範囲の分野で応用の可能性が検討され、一部ではその実用化が始まっている。最近、ＣＶＤ法の発展によってＣＮＴの量産が可能となってきているが、通常、その原料はＣＮＴが絡まった状態である。このような状態のＣＮＴでは、バルク的なＣＮＴの特性しか活かせないという問題がある。これに対して、ＣＮＴの応用の発展に伴って、その利用法がバルク的なものから単一的なものへと向かいつつあり、ＣＮＴの絡みをほぐすための断片化を施す加工のニーズが高まっている（特許文献１〜４参照）。
【特許文献１】特開平７−１７２８０７号公報
【特許文献２】特開２００３−１５９７００号公報
【特許文献３】特開２００４−２１５６号公報
【特許文献４】特開２００１−１４６４０９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ＣＮＴを断片化するための加工方法として、特許文献１〜４に記載された方法がある。例えば、文献１、２では、ＣＮＴに対してイオン線や電子線を照射して切断加工を行っている。しかしながら、このような方法では、ＣＮＴの任意位置を切断する能力に優れているが、照射可能な表面付近に切断処理が限られることや、切断だけではＣＮＴが絡まった状態を改善できないなどの問題がある。
【０００４】
また、文献３には、ＣＮＴに対して共役系重合体の溶液中で超音波照射して、絡まった状態のＣＮＴから個々のＣＮＴを剥離する加工方法が記載されている。しかしながら、このような方法では、ＣＮＴのバンドル状態の改善に効果があるものの、チューブの切断能力は低く、ＣＮＴの断片化には長時間を要する。また、ＣＮＴの破断制御性が低いため、破断で得られるＣＮＴ断片の長さに大きなバラツキがあるという問題がある。また、文献４には、未精製のＣＮＴにレーザビームを用いて物理的エネルギーを印加し、ＣＮＴのチップ部分を除去することが記載されている。しかしながら、このような方法においても、照射スポットの大きさを破損しながら特定位置でＣＮＴを切断することは可能であるが、ＣＮＴ全体の断片化を照射スポットの大きさ以下で実施するには不充分である。
【０００５】
本発明は、以上の問題点を解決するためになされたものであり、ＣＮＴを効率良く断片化することが可能なカーボンナノチューブの加工方法、加工装置、及びそれによって得られるカーボンナノチューブの分散液、カーボンナノチューブ粉末を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本願発明者は、上記したＣＮＴの断片化について検討を行った。その結果、カーボン類と光との相互作用に関する相性の良さ、物質と光との相互作用が物質の大きさに依存することなどにより、パルス光照射によってＣＮＴの長さ方向の選択的な断片化が可能であることを見出し、本発明に到達した。
【０００７】
すなわち、本発明によるカーボンナノチューブの加工方法は、原料となるカーボンナノチューブが溶媒中に懸濁された被処理液を準備する準備ステップと、被処理液に対して所定波長のパルス光を照射することによって、溶媒中にあるカーボンナノチューブを長さ方向に断片化する断片化ステップとを備えることを特徴とする。
【０００８】
また、本発明によるカーボンナノチューブの加工装置は、原料となるカーボンナノチューブが溶媒中に懸濁された被処理液を収容する処理チャンバと、処理チャンバ内に収容された被処理液に対して、溶媒中にあるカーボンナノチューブを断片化するための所定波長のパルス光を照射する照射光源とを備えることを特徴とする。
【０００９】
上記したカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）の加工方法及び装置によれば、断片化対象のＣＮＴ原料を含む被処理液を処理対象とし、この被処理液に対してパルス光を照射することによって、ＣＮＴの断片化処理を行っている。これにより、ＣＮＴ原料を効率良く断片化することが可能となる。
【００１０】
ここで、被処理液に照射する断片化処理用のパルス光については、パルス光の波長は、ＣＮＴの直径の２０倍以上の波長であることが好ましい。このように、パルス光の波長をＣＮＴの直径と比べて充分に大きい波長とすることにより、ＣＮＴの長さ方向の選択的な断片化の効率を向上することができる。また、このパルス光の波長については、ＣＮＴの直径の５０倍以上の波長とすることがさらに好ましい。また、パルス光の波長は、９００ｎｍ以上の波長であることが好ましい。
【００１１】
パルス光の照射光強度は、０．０１Ｊ／ｃｍ２・ｐｕｌｓｅ以上２．０Ｊ／ｃｍ２・ｐｕｌｓｅ以下の強度であることが好ましい。このような強度でパルス光を照射することにより、ＣＮＴの断片化を充分に行うことができる。また、このパルス光の照射光強度については、０．１Ｊ／ｃｍ２・ｐｕｌｓｅ以上０．７Ｊ／ｃｍ２・ｐｕｌｓｅ以下の強度とすることがさらに好ましい。
【００１２】
また、パルス光照射によるＣＮＴの断片化処理においては、処理対象として用いられる被処理液において、溶媒に可溶な高分子を添加することが好ましい。あるいは、溶媒に界面活性剤を添加することが好ましい。
【００１３】
また、加工方法は、断片化ステップにおいて、被処理液を冷却した状態でパルス光の照射を行うことが好ましい。同様に、加工装置は、被処理液を冷却するための冷却手段を備えることが好ましい。これにより、ＣＮＴの断片化を好適に実行することができる。
【００１４】
また、加工方法においては、ＣＮＴは、パルス光の照射領域においてパルス光の偏波面に対して所定の方向に揃えられていることが好ましい。パルス光の偏波面を揃える必要がある場合、その具体的な方法としては、偏光子、例えば偏光フィルタを通してパルス光の偏波面を揃える方法がある。同様に、加工装置においては、処理チャンバは、ＣＮＴが、パルス光の照射領域においてパルス光の偏波面に対して所定の方向に揃えられるように構成されていることが好ましい。
【００１５】
具体的には、例えば、流体的な作用を利用してＣＮＴの方向を揃える方法がある。この場合、処理チャンバは、被処理液を層流状態としてＣＮＴの方向を揃えるように構成されていることが好ましい。あるいは、電磁場的な作用を利用してＣＮＴの方向を揃える方法がある。この場合、処理チャンバは、被処理液に対して電場を加えてＣＮＴの方向を揃えるように構成されていることが好ましい。
【００１６】
また、本発明による分散液は、上記した加工方法により加工され、断片化されたＣＮＴが溶媒中に分散された分散液である。このような分散液によれば、効率良く加工された良好な状態のＣＮＴ断片の分散液を得ることができる。
【００１７】
ＣＮＴの加工方法においては、溶媒を除去して断片化された粉末状のＣＮＴを得る溶媒除去ステップを備えることとしても良い。この場合、被処理液に対して添加剤が加えられていれば、その添加剤も溶媒とともに除去することが好ましい。具体的な溶媒等の除去方法としては、例えば、スプレードライ法、凍結乾燥法などがある。
【００１８】
また、本発明によるＣＮＴ粉末は、上記した加工方法により加工され、溶媒等が除去されたＣＮＴ粉末である。このような粉末によれば、効率良く加工された良好な状態のＣＮＴ断片の粉末を得ることができる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、断片化対象のＣＮＴ原料を含む被処理液を処理対象とし、この被処理液に対してパルス光を照射してＣＮＴの断片化処理を行うことにより、ＣＮＴを効率良く断片化することが可能なカーボンナノチューブの加工方法、加工装置、及びそれによって得られるカーボンナノチューブの分散液、カーボンナノチューブ粉末が実現される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、図面とともに本発明によるカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）の加工方法、加工装置、及びそれによって得られるＣＮＴの分散液、ＣＮＴ粉末の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明においては同一要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。また、図面の寸法比率は、説明のものと必ずしも一致していない。
【００２１】
図１は、本発明によるＣＮＴの加工装置の一実施形態を概略的に示す構成図である。本ＣＮＴの加工装置１Ａは、液相の溶媒中にＣＮＴ原料が懸濁された被処理液を処理対象とし、光加工によってＣＮＴを断片化する装置である。被処理液２は、液相の溶媒４と、溶媒４中に含まれる断片化対象のＣＮＴ原料５とから構成されている。また、図１に示すように、加工装置１Ａは、被処理液２を収容するための処理チャンバ３を備えている。
【００２２】
ＣＮＴ原料５が懸濁される溶媒４は、特に限定されないが、例えば、水、重水、エタノール、イソプロピルアルコール、ジメチルホルムアミドが挙げられる。一般には、溶媒４としては、常温の混合だけでＣＮＴ原料５と化学反応しないもので、かつ、ＣＮＴの貧溶媒であるものを用いることが好ましい。また、処理チャンバ３の素材としては、例えば、ガラスや石英が挙げられる。一般には、被処理液２への照射光に対して透明度が高く、かつ、溶媒４と化学反応しないものを用いることが好ましい。また、処理チャンバ３の形状については、特に限定されないが、球や円筒などのつなぎ目が少ない形状が、耐久性などの面で好ましい。
【００２３】
処理チャンバ３内には、被処理液２とともにマグネットスティック１１が収容されている。このマグネットスティック１１、及びマグネットスターラ１２は、処理チャンバ３内において被処理液２の溶媒４とＣＮＴ原料５とを攪拌して、溶媒４中でＣＮＴ原料５を分散させるために用いられる。
【００２４】
また、本加工装置１Ａは、処理チャンバ３内に収容された被処理液２に対して所定波長のパルス光を照射する照射光源１０を備えている。この照射光源１０は、被処理液２の溶媒４中にあるＣＮＴ原料５を断片化するために好適な波長のパルス光を供給する。パルス照射光源１０としては、ＣＮＴの断片化に必要な照射条件を満たすものであれば、レーザ光源、半導体ＬＤ、ＬＥＤ、ランプ光源など様々なものを用いることができる。
【００２５】
パルス光の波長については、具体的には後述するが、物質と光との相互作用が物質の大きさに依存すること等を考慮し、ＣＮＴ原料を断片化するために好適な波長とすることが好ましい。また、断片化に好適な波長を含む波長帯域の光を用いても良い。また、ＣＮＴの光化学反応の発生が問題となる場合には、光化学反応を防止するため、パルス光の波長を９００ｎｍ以上の波長とすることが好ましい。ただし、パルス光のエネルギーをＣＮＴの加工に有効に利用するため、溶媒４、処理チャンバ３等の赤外吸光帯にある波長の光は避けることが好ましい。
【００２６】
また、照射光源１０としてパルスレーザ光源を用いる場合、レーザ光源としては、レーザ光に設定すべき波長があらかじめ分かっている場合には、波長固定レーザ光源を用いることができる。あるいは、波長可変レーザ光源を用いても良い。この場合、ＣＮＴ原料を断片化する際の加工特性などに応じて、適切な波長のレーザ光を適宜に設定して照射することができる。また、必要に応じて、パルス照射光源１０に対して減衰フィルタや光減衰器などの光強度調整手段を設けても良い。
【００２７】
また、処理チャンバ３の外部には、被処理液２を冷却して低温に保持するための冷却手段である冷却装置４１が設置されている。ＣＮＴが溶媒４中に分散した被処理液２を冷却した状態で照射光源１０からのパルス光の照射を行うことにより、ＣＮＴ及び溶媒４の熱的な化学反応の発生を防止することができ、ＣＮＴの断片化を好適に実行することが可能となる。一般には、処理チャンバ３に対してパルス光を長時間照射しても被処理液２が常温以上にならないように冷却することが好ましい。なお、図１においては、冷却装置４１を模式的に図示している。
【００２８】
処理チャンバ３のうち、パルス照射光源１０と対向する前面側の部位は、パルス光入射部３ａとなっている。また、被処理液２及び処理チャンバ３を低温とした場合に、長期的にパルス光入射部３ａの外面が結露して良好な条件でのパルス光の照射が行えなくなることを防止するため、パルス光入射部３ａの外面に乾燥ガスを吹き付けるための結露防止用の乾燥ガス吹付装置４２が設置されている。乾燥ガスとしては、例えば、大気をポンプによって乾燥シリカゲル層を通過させた乾燥空気を用いることができる。あるいは、窒素ガス等を用いても良い。
【００２９】
照射光源１０は、コンピュータなどからなる制御装置１５に接続されている。また、本実施形態においては、この制御装置１５は、マグネットスターラ１２、冷却装置４１、及び乾燥ガス吹付装置４２に対しても接続されている。制御装置１５は、上記した加工装置１Ａの各部の動作を制御することにより、ＣＮＴ原料５の断片化処理を制御する。
【００３０】
次に、図１に示したＣＮＴの加工装置１Ａを用いた、本発明によるＣＮＴの加工方法について説明する。
【００３１】
まず、水などの液相の溶媒４と、断片化処理の対象となるＣＮＴ原料５とを混合、調製して、ＣＮＴ原料５が溶媒４中に懸濁された被処理液２を準備し、処理チャンバ３内に被処理液２を導入する（準備ステップ）。次に、被処理液２を低温に保持する必要がある場合には、冷却装置４１によって所定の温度まで冷却する。また、乾燥ガス吹付装置４２によって処理チャンバ３に乾燥ガスを吹き付け、パルス光入射部３ａの結露を防止する。そして、マグネットスターラ１２を動作させ、マグネットスティック１１によって被処理液２を攪拌して、溶媒４中においてＣＮＴ原料５を分散させる。
【００３２】
続いて、制御装置１５によってパルス照射光源１０が制御され、ＣＮＴ原料５の大きさなどに応じて設定された波長を有するパルス光が、照射光源１０から被処理液２へと照射される。このパルス光照射により、処理チャンバ３内の被処理液２において溶媒４中にあるＣＮＴが断片化される（断片化ステップ）。
【００３３】
本実施形態によるＣＮＴの加工方法及び加工装置の効果について説明する。
【００３４】
上記したＣＮＴの加工方法及び装置によれば、断片化対象のＣＮＴ原料５を溶媒４中に含む被処理液２を処理対象とし、処理チャンバ３内に収容された被処理液２に対してパルス光を照射することによって、ＣＮＴの断片化処理を行っている。これにより、ＣＮＴを効率良く断片化することが可能となる。
【００３５】
すなわち、このような加工方法では、断片化処理用のパルス光の波長をＣＮＴの直径よりも充分に長い所定波長とすることにより、ＣＮＴ原料５と光との相互作用がＣＮＴの長さ方向だけに大きくなる。このような作用により、パルス光照射によってＣＮＴの長さ方向の選択的な断片化が可能となる。また、上記した加工方法により加工され、断片化されたＣＮＴが溶媒中に分散された分散液によれば、効率良く加工された良好な状態のＣＮＴの分散液（ＣＮＴ断片の懸濁液）を得ることができる。
【００３６】
上記したパルス光の波長については、ＣＮＴの直径の２０倍以上の波長であることが好ましい。これにより、上記したＣＮＴの断片化の効率を向上することができる。また、このパルス光の波長については、ＣＮＴの直径の５０倍以上の波長とすることがさらに好ましい。
【００３７】
また、パルス光の照射光強度については、０．０１Ｊ／ｃｍ２・ｐｕｌｓｅ以上２．０Ｊ／ｃｍ２・ｐｕｌｓｅ以下の強度であることが好ましい。このような強度でパルス光を照射することにより、ＣＮＴの断片化を充分に行うことができる。また、このパルス光の照射光強度については、０．１Ｊ／ｃｍ２・ｐｕｌｓｅ以上０．７Ｊ／ｃｍ２・ｐｕｌｓｅ以下の強度とすることがさらに好ましい。なお、この照射光強度範囲は、パルス光のパルス幅が５ｎｓ程度の場合に特に有効である。被処理液２に照射するパルス光の照射光強度については、そのパルス幅などの他の条件を考慮して、好適な強度または強度範囲を設定することが好ましい。
【００３８】
また、上記したＣＮＴの加工方法においては、溶媒４を除去して断片化された粉末状のＣＮＴを得る溶媒除去ステップを備えることとしても良い。この場合、被処理液２に対して添加剤が加えられていれば、その添加剤も溶媒４とともに除去することが好ましい。また、上記した加工方法により加工され、溶媒等が除去されたＣＮＴ粉末によれば、効率良く加工された良好な状態のＣＮＴ断片の粉末を得ることができる。
【００３９】
具体的な溶媒等の除去方法としては、例えば、スプレードライ法、凍結乾燥法などがある。スプレードライ法は、被処理液２を噴霧して乾燥させる方法である。また、凍結乾燥法は、被処理液２を凍結して昇華させる方法である。また、添加剤の除去については、例えば、被処理液２に溶媒４を追加して添加剤を希釈し、遠心分離によってＣＮＴと溶媒とを分離するとともに、希釈・分離操作を複数回繰り返すことによって達成できる。
【００４０】
また、パルス光照射によるＣＮＴの断片化処理においては、処理対象として用いられる被処理液２において、溶媒４に界面活性剤を添加することが好ましい。ＣＮＴの溶媒４として貧溶媒を用いた場合、ＣＮＴの凝集の可能性があるが、ＣＮＴが凝集状態となると、パルス光照射による加工を充分に行うことが困難となる。このような場合には、溶媒４に界面活性剤を添加することにより、ＣＮＴの凝集を防止することができる。
【００４１】
また、被処理液２において、溶媒４に可溶な高分子を添加することが好ましい。このような高分子を添加することにより、光加工によるＣＮＴの側面の損傷を低減することができる。また、必要があれば、溶媒４に界面活性剤及び高分子の両者を添加しても良い。
【００４２】
界面活性剤の例としては、溶媒４が水の場合、脂肪酸塩、アルファスルホ脂肪酸エステル塩、アルキルベンゼンスルホン酸塩、アルキル硫酸塩、アルキルエーテル硫酸エステル塩、アルキル硫酸トリエタノールアミン、脂肪酸ジエタノールアミド、ポリオキシエチレンアルキルエーテル、ポリオキシエチレンアルキルフェニルエーテル、アルキルトリメチルアンモニウム塩、ジアルキルジメチルアンモニウムクロリド、アルキルピリジニウムクロリド、アルキルカルボキシベタイン、ポリオキシエチレンソルビタン脂肪酸エステル、ラウリル硫酸ナトリウム（ＳＤＳ）などが挙げられる。
【００４３】
また、高分子の例としては、同様に溶媒４が水の場合、ポリビニルアルコール、ポリアクリル酸系ポリマー、ポリアクリルアミド、ポリエチレンオキシド、ポリエチレングリコール、ポリビニルビロリドン、グリセリンなどが挙げられる。
【００４４】
また、被処理液２にパルス光を照射することによってＣＮＴの断片化を行う場合、ＣＮＴは、パルス光の照射領域においてパルス光の偏波面に対して所定の方向に揃えられていることが好ましい。ここで、上記した加工方法では、図２に示すように、パルス光の偏波の振動方向とＣＮＴの長さ方向とが平行の場合に、パルス光とＣＮＴとの相互作用が最も大きくなる。すなわち、偏波の振動方向とＣＮＴの向きとの関係により、上記したパルス光照射による断片化の作用も異なってくる。したがって、パルス光の偏波面に対してＣＮＴを所定の方向に揃えることにより、断片化処理の効率を向上することができる。
【００４５】
この場合、図１に示した加工装置１Ａにおいて、ＣＮＴがパルス光の照射領域においてパルス光の偏波面に対して所定の方向に揃えられるように構成された処理チャンバ３を用いることが好ましい。具体的には、例えば、流体的な作用を利用してＣＮＴの方向を揃える方法がある。この場合、処理チャンバ３は、被処理液２を層流状態としてＣＮＴの方向を揃えるように構成されていることが好ましい。あるいは、電磁場的な作用を利用してＣＮＴの方向を揃える方法がある。この場合、処理チャンバ３は、被処理液２に対して電場を加えてＣＮＴの方向を揃えるように構成されていることが好ましい。
【００４６】
図２は、図１に示したＣＮＴの加工装置の一変形例を部分的に示す構成図である。本変形例は、流体的な作用を利用してＣＮＴの方向を揃える場合の構成の一例を示すものである。図２においては、パルス光の照射領域においてＣＮＴの方向を揃えるため、処理チャンバ３を光照射用処理チャンバ３１と、回収・循環用処理チャンバ３２とに分けて構成している。また、これらの処理チャンバ３１、３２に対し、処理チャンバ３１、３２を含む循環流路で被処理液２を循環させるための流体ポンプ３３が接続されている。
【００４７】
光照射用処理チャンバ３１は、流路断面の形状及び流速で決定するレイノルズ数が２３００以下の層流状態で使用される。このような層流状態では、溶媒４中のＣＮＴは、流体的な作用によって図２に示すように流れ方向に向きを揃える。光照射用処理チャンバ３１で断片化処理が施されたＣＮＴは、後段の回収・循環用処理チャンバ３２に送られる。また、複数回の光加工が必要な場合には、流体ポンプ３３によって被処理液２を循環させて再度処理を行えば良い。
【００４８】
図３は、図１に示したＣＮＴの加工装置の他の変形例を部分的に示す構成図である。本変形例は、電磁場的な作用を利用してＣＮＴの方向を揃える場合の構成の一例を示すものである。図３においては、図２に示した構成と同様に、処理チャンバ３を光照射用処理チャンバ３６と、回収・循環用処理チャンバ３７とに分けて構成している。また、これらの処理チャンバ３６、３７に対し、処理チャンバ３６、３７を含む循環流路で被処理液２を循環させるための流体ポンプ３８が接続されている。
【００４９】
光照射用処理チャンバ３６には、その流れ方向に対向する位置に、一対の電極５１、５２が設けられている。また、これらの電極５１、５２には、高周波電源５３が接続されている。このような構成において、処理チャンバ３６内の被処理液２に対して高周波電源５３によって電場を加えることにより、電磁場的な作用でＣＮＴの向きを揃えることができる。この場合、高周波電源５３の周波数は、電気分解的な作用を回避する観点から、１Ｍ〜１０ＭＨｚの高周波とすることが好ましい。
【００５０】
次に、実施例により本発明の内容をより具体的に説明するが、本発明は、以下の実施例に限定されるものではない。
【００５１】
本実施例においては、断片化対象となるＣＮＴとして、直径２ｎｍの単層カーボンナノチューブ（ＳＷＣＮＴ）、直径２０、６０、１００ｎｍの多層カーボンナノチューブ（ＭＷＣＮＴ）の４種類を用いた。液相の溶媒４としては水を用い、水温を１５℃に調整した。また、界面活性剤として０．１ｗｔ％のラウリル硫酸ナトリウム（ＳＤＳ：Sodium Dodecyl Sulfate）を添加した。そして、それぞれのＣＮＴサンプルを処理チャンバとなる円筒セル内で１ｍｇ／ｍＬの濃度で懸濁した。
【００５２】
円筒セル内には、１０ｍＬのサンプル液を入れた。また、ＣＮＴサンプルの沈殿を攪拌によって防止するため、マグネットスティックを入れ、マグネットスターラで常に攪拌してサンプルを懸濁している状態とした。なお、本実験においては、サンプルのＣＮＴの向きを制御する操作は行っていないが、上記したように物質と光との相互作用が大きさに依存することから、その向きを揃えた方が光加工の効率及び均一性が向上することは明らかである。
【００５３】
また、ＣＮＴ原料に対して断片化処理を行うためのパルス光の照射条件については、波長１０６４ｎｍ、パルス光のスポット直径φ５ｍｍ、パルス幅ＦＷＨＭ５ｎｓ、繰返し周波数１０Ｈｚとし、照射時間３０分、照射光強度０〜４Ｊ／ｃｍ２・ｐｕｌｓｅの範囲で上記した加工方法による光加工実験を行った。
【００５４】
図４は、パルス光照射によるＣＮＴの断片化の（ａ）処理前、及び（ｂ）処理後での被処理液の状態を示す図である。これらの状態（ａ）及び状態（ｂ）に示すように、０．０５Ｊ／ｃｍ２・ｐｕｌｓｅの照射光強度をしきい値として、処理前後で被処理液におけるＣＮＴの懸濁状態に大きな変化が見られた。また、上記した４種類のサンプルでは、直径が細いサンプルほど、照射光強度のしきい値がやや高くなる傾向があった。なお、図４においては、直径２０ｎｍのＭＷＣＮＴをサンプルとし、０．５Ｊ／ｃｍ２・ｐｕｌｓｅの照射光強度で断片化処理を行った例を示している。
【００５５】
次に、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）を用いて、処理前後の分散液に含まれるＣＮＴの状態を比較した。図５は、パルス光照射によるＣＮＴの断片化の（ａ）処理前、及び（ｂ）処理後でのＣＮＴサンプルのＳＥＭによる観察像を示す図である。ここで、ＳＥＭによるＣＮＴサンプルの観察は、各ＣＮＴ分散液を基板に滴下、乾燥させて行った。その結果、観察像（ａ）に示すように、断片化処理前ではＣＮＴ同士がバンドル（束）や絡まった状態であったものが、観察像（ｂ）に示すように、処理後では長さ２０〜１００ｎｍ、幅２０ｎｍの断片に変化していた。すなわち、パルス光照射によるＣＮＴの断片化が達成できていることが確認された。なお、図５においては、図４と同様に、直径２０ｎｍのＭＷＣＮＴをサンプルとし、０．５Ｊ／ｃｍ２・ｐｕｌｓｅの照射光強度で断片化処理を行った例を示している。
【００５６】
次に、ＳＥＭ及びラマン散乱分光法を用いて、パルス光の照射光強度に対するＣＮＴの形状や構造の影響を調査した。図６及び図７は、それぞれ、ＣＮＴサンプルについて得られたラマン散乱強度の波数依存性を示すグラフである。ここで、図６のグラフＡは、ＣＮＴ原料についてのラマン散乱スペクトルを示している。また、図６のグラフＢは、直径２０ｎｍのＭＷＣＮＴに対して０．５Ｊ／ｃｍ２・ｐｕｌｓｅの照射光強度で断片化処理を行った場合のＣＮＴサンプルについてのラマン散乱スペクトルを示している。また、図７のグラフＣは、直径２０ｎｍのＭＷＣＮＴに対して２．１７Ｊ／ｃｍ２・ｐｕｌｓｅの照射光強度で断片化処理を行った場合のＣＮＴサンプルについてのラマン散乱スペクトルを示している。
【００５７】
図６のグラフＢに示すように、良好な条件で断片化処理を行ったＣＮＴサンプルでは、ＣＮＴ原料のグラフＡと同様に、ＣＮＴ構造に由来した２つのラマン散乱ピークが観測された。一方、図７のグラフＣに示すように、２．０Ｊ／ｃｍ２・ｐｕｌｓｅを超える照射光強度で断片化処理を行ったＣＮＴサンプルでは、上記したＣＮＴ構造に由来する２つのラマン散乱ピークが消滅した。これらの傾向は、直径２ｎｍのＳＷＣＮＴにおいても同様であった。また、直径６０ｎｍ、及び直径１００ｎｍのＣＮＴサンプルでは、０．７Ｊ／ｃｍ２・ｐｕｌｓｅを超える照射光強度でラマン散乱ピークが消滅した。
【００５８】
以上のように、１０６４ｎｍの照射光を用いた場合、直径２ｎｍ及び２０ｎｍのＣＮＴサンプルについては、０．０５〜２．０Ｊ／ｃｍ２・ｐｕｌｓｅの照射光強度の範囲が好適な光加工条件となる。また、直径が大きいＣＮＴサンプルも含めると、０．１〜０．７Ｊ／ｃｍ２・ｐｕｌｓｅの照射光強度の範囲が好適な光加工条件となる。また、紫外光を用いた場合、サンプルの吸光度が増加し、断片化のしきい値が０．０１程度に低下するため、０．０１〜２．０Ｊ／ｃｍ２・ｐｕｌｓｅの照射光強度の範囲が好適な光加工条件となる。
【００５９】
次に、上記した光加工におけるＣＮＴ直径の影響を調査した。ＳＥＭを用いて各ＣＮＴサンプルの断片を詳細に観察した結果、波長１０６４ｎｍのパルス光では、ＣＮＴの長さ方向の断片化が直径２０ｎｍ以下で良好であった。すなわち、直径６０ｎｍ、１００ｎｍのＣＮＴサンプルでは、直径方向の光作用が強くなるため、長さ方向の断片化と並行してＣＮＴ側面の破砕が部分的に生じているものと考えられる。
【００６０】
以上のように、上記したＣＮＴの加工方法では、パルス光の波長を、ＣＮＴの直径の２０倍以上の波長とすることが好ましく、また、ＣＮＴの直径の５０倍以上の波長とすることがさらに好ましい。ただし、これよりも波長が短いパルス光を用いた場合であっても、ＣＮＴの断片化処理は可能である。
【００６１】
本発明によるカーボンナノチューブの加工方法、加工装置、及びカーボンナノチューブの分散液、カーボンナノチューブ粉末は、上記した実施形態及び実施例に限られるものではなく、様々な変形が可能である。例えば、図１に示した加工装置１Ａにおいて、冷却装置４１による被処理液２の冷却、及びマグネットスティック１１、マグネットスターラ１２による被処理液２の攪拌等については、不要であれば行わない構成としても良い。
【００６２】
また、図１に示した加工装置１Ａにおける冷却装置４１については、例えば図８に示す構成を用いることができる。図８は、図１に示した加工装置に用いられる冷却装置の一例を示す斜視図である。本構成例では、円筒状の処理チャンバ３を、熱伝導性が高い材質からなる冷却ホルダ６０に入れ、この冷却ホルダ６０の周囲に巻かれた冷却用ホース６５に冷却媒体を流すことにより、被処理液２の冷却を行っている。また、冷却ホルダ６０の所定位置には、パルス光の照射に用いられるパルス光入射用穴６１が設けられており、冷却しながらパルス光を被処理液２に照射することが可能な構造となっている。
【産業上の利用可能性】
【００６３】
本発明は、ＣＮＴ原料を効率良く断片化することが可能なカーボンナノチューブの加工方法、加工装置、及びそれによって得られるカーボンナノチューブの分散液、カーボンナノチューブ粉末として利用可能である。このようなＣＮＴの断片化処理によれば、材料の均一性を高め、かつ、単一ＣＮＴの特性を引き出すことが可能となるため、高度なＣＮＴ応用の材料提供に貢献できると期待される。
【図面の簡単な説明】
【００６４】
【図１】ＣＮＴの加工装置の一実施形態を概略的に示す構成図である。
【図２】図１に示したＣＮＴの加工装置の一変形例を部分的に示す構成図である。
【図３】図１に示したＣＮＴの加工装置の他の変形例を部分的に示す構成図である。
【図４】パルス光照射によるＣＮＴの断片化の（ａ）処理前、及び（ｂ）処理後での被処理液の状態を示す図である。
【図５】パルス光照射によるＣＮＴの断片化の（ａ）処理前、及び（ｂ）処理後でのＣＮＴサンプルのＳＥＭによる観察像を示す図である。
【図６】ＣＮＴサンプルについて得られたラマン散乱強度の波数依存性を示すグラフである。
【図７】ＣＮＴサンプルについて得られたラマン散乱強度の波数依存性を示すグラフである。
【図８】図１に示したＣＮＴの加工装置に用いられる冷却装置の一例を示す斜視図である。
【符号の説明】
【００６５】
１Ａ…ＣＮＴの加工装置、２…被処理液、３…処理チャンバ、４…溶媒、５…ＣＮＴ原料、１０…パルス照射光源、１１…マグネットスティック、１２…マグネットスターラ、１５…制御装置、４１…冷却装置、４２…乾燥ガス吹付装置、３１、３６…光照射用処理チャンバ、３２、３７…回収・循環用処理チャンバ、３３、３８…流体ポンプ、５１、５２…電極、５３…高周波電源。
【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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