(57)【要約】【課題】  水を制限領域内に閉じ込めることができる新規な物質を提供し、その物質が呈する特徴的な物理特性に基づいて、種々の応用的な用途を提供する。【解決手段】  少なくとも２つの炭素片を所定の間隔で隣接して配置し、前記炭素片の間隙中に前記炭素片に水を吸着するようにして存在させる。このとき、前記炭素片は前記水の吸着によって活性化され、所定のガス雰囲気中に配置した場合に、前記雰囲気中のガスと前記空隙の水とが反応することによってガスハイドレートが形成されることを利用し、ガスセンサ、圧力センサ及び分子ふるいなどの実用的なデバイスを提供することができる。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の間隔で隣接して配置された少なくとも２つの炭素片と、前記炭素片の間隙中に前記炭素片に吸着するようにして存在する水とを具え、前記炭素片は前記水の吸着によって活性化され、所定のガス雰囲気中に配置された際に、前記水が前記ガス雰囲気中のガス成分と反応して、前記炭素片の前記間隙中に所定のガスハイドレートを生成することを特徴とする、ガスハイドレート生成用炭素片。
【請求項２】
前記炭素片の前記空隙は０．３−１００ｎｍであることを特徴とする、請求項１に記載のガスハイドレート生成用炭素片。
【請求項３】
前記炭素片の大きさが１ｎｍ以上であることを特徴とする、請求項１又は２に記載のガスハイドレート生成用炭素片。
【請求項４】
所定の間隔で隣接して配置された少なくとも２つの炭素片と、前記炭素片の間隙中に前記炭素片に吸着するようにして存在する水とを具え、前記炭素片は前記水の吸着によって活性化されていることを特徴とする炭素片。
【請求項５】
前記炭素片の前記空隙は０．３−１００ｎｍであることを特徴とする、請求項４に記載の炭素片。
【請求項６】
前記炭素片の大きさが１ｎｍ以上であることを特徴とする、請求項４又は５に記載の炭素片。
【請求項７】
少なくとも２つの炭素片を所定の間隔で隣接して配置する工程と、前記炭素片の間隙中に前記炭素片に水を吸着するようにして存在させる工程とを具え、前記炭素片は前記水の吸着によって活性化されていることを特徴とする、炭素片の製造方法。
【請求項８】
前記炭素片の前記空隙は０．３−１００ｎｍであることを特徴とする、請求項７に記載の炭素片の製造方法。
【請求項９】
前記炭素片の大きさが１ｎｍ以上であることを特徴とする、請求項７又は８に記載の炭素片の製造方法。
【請求項１０】
前記炭素片に前記水を吸着させる以前に、前記炭素片を加熱処理する工程を具えることを特徴とする、請求項７〜９のいずれか一に記載の炭素片の製造方法。
【請求項１１】
前記加熱処理は、乾燥又は湿気を含む空気中において、２００−５００℃に加熱して行うことを特徴とする、請求項１０に記載の炭素片の製造方法。
【請求項１２】
請求項１〜３のいずれか一に記載のガスハイドレート生成用炭素片の使用方法であって、
前記ガスハイドレート生成用炭素片を所定のガス雰囲気中に配置し、前記炭素片の前記空隙中に前記ガス雰囲気中のガスと前記水とが反応してなるガスハイドレートを形成し、前記ガスを前記炭素片の前記空隙へ吸着させることにより、前記ガスに対するセンサとして使用することを特徴とする、ガスハイドレート生成用炭素片の使用方法。
【請求項１３】
前記ガス雰囲気は室温以下の温度に設定することを特徴とする、請求項１２に記載のガスハイドレート生成用炭素片の使用方法。
【請求項１４】
前記ガスの種類に応じて、前記ガスハイドレートを含む前記炭素片の電気抵抗が異なる値を示し、この電気抵抗をモニタリングすることによって、前記ガスの前記種類を検知するセンサとして機能させることを特徴とする、請求項１２又は１３に記載のガスハイドレート生成用炭素片の使用方法。
【請求項１５】
前記ガスハイドレートを含む前記炭素片の電気抵抗が所定の臨界温度を境にして増減する温度依存性を呈し、前記ガスの圧力に応じた前記臨界温度の変化をモニタリングすることにより、前記ガスの圧力を検知して圧力センサとして機能させることを特徴とする、請求項１２又は１３に記載のガスハイドレート生成用炭素片の使用方法。
【請求項１６】
前記ガスハイドレートの生成解離圧が０．１ＭＰａ以下であることを特徴とする、請求項１２〜１５のいずれか一に記載のガスハイドレート生成用炭素片の使用方法。
【請求項１７】
請求項４〜６のいずれか一に記載の炭素片の使用方法であって、前記炭素片を所定のガス雰囲気中に配置し、前記炭素片の前記空隙中に前記ガス雰囲気中のガスと前記水とが反応してなるガスハイドレートを形成し、前記ガスを前記炭素片の前記空隙へ吸着させることにより、前記ガスに対するセンサとして使用することを特徴とする、炭素片の使用方法。
【請求項１８】
前記ガス雰囲気は室温以下の温度に設定することを特徴とする、請求項１７に記載のガスハイドレート生成用炭素片の使用方法。
【請求項１９】
前記ガスの種類に応じて、前記ガスハイドレートを含む前記炭素片の電気抵抗が異なる値を示し、この電気抵抗をモニタリングすることによって、前記ガスの前記種類を検知するセンサとして機能させることを特徴とする、請求項１７又は１８に記載の炭素片の使用方法。
【請求項２０】
前記ガスハイドレートを含む前記炭素片の電気抵抗が所定の臨界温度を境にして増減する温度依存性を呈し、前記ガスの圧力に応じた前記臨界温度の変化をモニタリングすることにより、前記ガスの圧力を検知して圧力センサとして機能させることを特徴とする、請求項１７又は１８に記載の炭素片の使用方法。
【請求項２１】
前記ガスハイドレートの生成解離圧が０．１ＭＰａ以下であることを特徴とする、請求項１７〜２０のいずれか一に記載の炭素片の使用方法。
【請求項２２】
請求項１〜３のいずれか一に記載のガスハイドレート生成用炭素片の使用方法であって、
前記ガスハイドレート生成用炭素片を複数のガスを含む雰囲気中に配置し、前記炭素片の前記空隙中に前記ガス雰囲気中の少なくとも一種のガスと前記水とが反応してなるガスハイドレートを形成し、前記少なくとも一種のガスを前記炭素片の前記空隙へ吸着して選別する分子ふるいとして機能させることを特徴とする、ガスハイドレート生成用炭素片の使用方法。
【請求項２３】
前記ガスの吸着は、ガスの種類に応じて前記炭素片の前記空隙における吸着温度が異なることを利用することを特徴とする、請求項２２に記載のガスハイドレート生成用炭素片の使用方法。
【請求項２４】
前記ガスハイドレートの生成解離圧が０．１ＭＰａ以下であることを特徴とする、請求項２２又は２３に記載のガスハイドレート生成用炭素片の使用方法。
【請求項２５】
請求項４〜６いずれか一に記載の炭素片の使用方法であって、
前記炭素片を複数のガスを含む雰囲気中に配置し、前記炭素片の前記空隙中に前記ガス雰囲気中の少なくとも一種のガスと前記水とが反応してなるガスハイドレートを形成し、前記少なくとも一種のガスを前記炭素片の前記空隙へ吸着して選別する分子ふるいとして機能させることを特徴とする、炭素片の使用方法。
【請求項２６】
前記ガスの吸着は、ガスの種類に応じて前記炭素片の前記空隙における吸着温度が異なることを利用することを特徴とする、請求項２５に記載の炭素片の使用方法。
【請求項２７】
前記ガスハイドレートの生成解離圧が０．１ＭＰａ以下であることを特徴とする、請求項２５又は２６に記載の炭素片の使用方法。
【請求項２８】
請求項１〜３のいずれか一に記載のガスハイドレート生成用炭素片を具えることを特徴とする、ガスセンサ。
【請求項２９】
請求項４〜６のいずれか一に記載の炭素片を具えることを特徴とする、ガスセンサ。
【請求項３０】
請求項１〜３のいずれか一に記載のガスハイドレート生成用炭素片を具えることを特徴とする、圧力センサ。
【請求項３１】
請求項４〜６のいずれか一に記載の炭素片を具えることを特徴とする、圧力センサ。
【請求項３２】
請求項１〜３のいずれか一に記載のガスハイドレート生成用炭素片を具えることを特徴とする、分子ふるい。
【請求項３３】
請求項４〜６のいずれか一に記載の炭素片を具えることを特徴とする、分子ふるい。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガスハイドレート生成用炭素片、炭素片、及び炭素片の製造方法に関し、さらには前記ガスハイドレート生成用炭素片の使用方法及び前記炭素片の使用方法、並びに前記ガスハイドレート生成用炭素片又は前記炭素片を具えたガスセンサ、圧力センサ及び分子ふるいに関する。
【背景技術】
【０００２】
制限された領域内に閉じ込められた水は、バルク状態の水において観察することができないような特殊な特性を示すことが期待される。このような状態の水は、我々の日常の環境内や我々の体内において実際に存在するが、その物理的な特性に関してはあまり知られていない。これは、ある意味においては、前記水を狭空間などの制限された領域内に閉じこめることができる容器や物質が十分に開発されておらず、前述した制限領域内に閉じ込められた水に対する十分な研究が行われていないためである。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
本発明は、水を制限領域内に閉じ込めることができる新規な物質を提供し、その物質が呈する特徴的な物理特性に基づいて、種々の応用的な用途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】
【０００４】
上記目的を達成すべく、本発明は、所定の間隔で隣接して配置された少なくとも２つの炭素片と、前記炭素片の間隙中に前記炭素片に吸着するようにして存在する水とを具え、
前記炭素片は前記水の吸着によって活性化されていることを特徴とする、炭素片に関する。
【０００５】
本発明者らは、所定の方法で形成した炭素片を隣接して配置し、その空隙内に水を吸着させて保持するようにすることによって、前記水がある意味で活性化され、前記水を吸着した前記炭素片を所定のガスを含む雰囲気中に配置することにより、前記水が前記ガスと反応して所定のガスハイドレートを形成することを見出した。すなわち、微細な空隙を有し、この空隙内に水が吸着して存在するような新規な炭素片を提供することによって、この炭素片がガスに対して反応性を呈し、所定のガスハイドレートを有することを見出した。
【０００６】
一方、前記炭素片をガス雰囲気中に配置することにより、前記炭素片はガスを吸着する機能を呈するようになり、その際に、前記炭素片の電気抵抗が変化することを見出した。そして、その電気抵抗は吸着するガスの種類によって異なるようになることを見出した。したがって、前記炭素片のこのような特性を利用することによって、前記炭素片をガスセンサとして使用できることに想到した。
【０００７】
また、前記電気抵抗は温度に依存し、ある臨界温度を境に大きく増減することを見出すとともに、前記臨界温度が吸着するガスの圧力に依存することを見出した。したがって、前記臨界温度をモニタリングすることにより、前記ガスに対する圧力センサとして使用できることを想到した。
【０００８】
さらに、前記炭素片の、水を吸着した前記空隙において、ガス吸着及びガスハイドレートの生成は、ガスの種類に応じて異なる温度範囲で生じる。したがって、前記炭素片を複数のガスを含む雰囲気中に配置し、温度を制御して少なくとも一種のガスを吸着し、ガスハイドレートを生成するようにすれば、前記炭素片は所定のガスのみを吸着及び選別して分子ふるいとして使用できることを想到した。
【０００９】
なお、本発明の一態様において、前記炭素片の前記空隙は、０．３−１００ｎｍであることが好ましく、さらには０．５−５０ｎｍであることが好ましい。これによって、前記炭素片の前記空隙中に水を吸着させて存在させた場合にその活性度合いが増大し、ガスの吸着度合いを増大させることができる。
【００１０】
また、本発明の他の態様においては、前記炭素片の前記空隙中に前記水を吸着させる以前に、所定の雰囲気下で前記炭素片を加熱処理する。これによって、前記炭素片の前記空隙への水の吸着を短時間で簡易に行うことができるようになる。
【００１１】
前記炭素片は、例えば、一般的な多層カーボンナノチューブや単層カーボンチューブの束（バンドル）を作製する方法を使用できる。このような方法によれば、１ｎｍ以上の大きさの微細な炭素片を簡易に作製することができ、上述したような狭小な空隙を簡易に形成することができるようになる。
【発明の効果】
【００１２】
以上説明したように、本発明によれば、水を隣接した存在する際に生じる空隙内に閉じ込めることができ、したがって水を所定の制限領域内に閉じ込めることができる新規な物質としての炭素片を提供することができる。そして、前記炭素片を所定のガス雰囲気中に配置した場合に、前記雰囲気中のガスと前記空隙の水とが反応することによってガスハイドレートが形成されることを利用し、ガスセンサ、圧力センサ及び分子ふるいなどの実用的なデバイスを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明の詳細、並びにその他の特徴及び利点について、最良の形態に基づいて詳細に説明する。
【００１４】
本発明においては、最初に所定の炭素片を準備する。この炭素片として、例えば、多層カーボンナノチューブや単層カーボンナノチューブの束（バンドル）を使うことができ、一般的な、多層カーボンナノチューブや単層カーボンナノチューブを作製する方法を使うことができる。これによって、例えば１ｎｍ以上の大きさの微細な炭素片を簡易に作製することができ、以下に示すように水を吸着させた際にその活性度合いを増大させることができ、ガスの吸着度合いを増大させることができる。
【００１５】
次いで、上述のようにして得た炭素片を少なくとも２つ隣接して配置する。図１は、２つの炭素片を隣接して配置した状態を示す。このとき、２つの炭素片間の空隙の大きさ（炭素片の間隔）ｄは、０．３−１００ｎｍであることが好ましく、さらには０．５−５０ｎｍであることが好ましい。これによって、前記炭素片の前記空隙中に水を吸着させて存在させた場合にその活性度合いが増大し、ガスの吸着度合いを増大させることができる。
【００１６】
次いで、隣接した配置した炭素片の空隙に対して水を吸着させる。これは、前記炭素片を飽和水蒸気下、あるいは水蒸気を含む１気圧以下程度の圧力下に配置し、数秒から１日程度放置することによって実施することができる。なお、放置時間は、前記炭素片の前記空隙の大きさや環境温度などに依存する。
【００１７】
なお、好ましくは、前記炭素片を上述した雰囲気中に配置した状態で、室温以上に加熱したり、真空中で加熱したりすることによって、前記炭素片の前記空隙への水の吸着を比較的短時間で行うことができるようになる。
【００１８】
さらに、前記炭素片の前記空隙に対して水を吸着させる以前に、前記炭素片に対して加熱処理を施すことが好ましい。この場合、前記炭素片の表面が活性化されて、前記空隙への水の吸着をより短時間で簡易に行うことができるようになる。前記加熱処理は、好ましくは乾燥又は湿気を含む空気中において２００−５００℃の温度で行う。
【００１９】
以上のようにして得た水吸着の炭素片は、ある意味で活性化され、所定のガス雰囲気中に配置された際に、前記空隙中に吸着された水と、前記雰囲気中のガスとが反応してガスハイドレートを形成するようになる。そして、前記ガスハイドレートの生成解離圧は、バルク状のものと比較して約１桁以上低くなる。すなわち、前記ガスハイドレートは前記炭素片間空隙煤中で極めて安定に存在することができるようになる。なお、図２において、隣接する炭素片の空隙において、ガスハイドレートが形成された状態を示す。
【００２０】
一方、前記炭素片は、空隙に生成したガスハイドレートの種類、すなわち雰囲気ガスの種類によって異なる電気抵抗を呈するようになる。したがって、前記ガスハイドレートを含む炭素片の電気抵抗、すなわち電流を測定することによって前記空隙内に生成されているガスハイドレートの種類を特定することができ、前記炭素片が置かれている雰囲気中に含まれるガスの種類を特定することができる。この結果、前記炭素片はガスセンサとして使用できる。なお、図３に、空隙にガスハイドレートが形成された炭素片をガスセンサとして使用する場合の概略図を示す。図では直流電源が書かれているが、交流電源であってもよい。
【００２１】
なお、前記雰囲気は室温以下に設定することが好ましい。これによって、前記水吸着の炭素煤に対して効率良くガスを吸着させてガスハイドレートを生成することができる。したがって、ガスセンサとしての機能を増大させることができる。
【００２２】
一方、前記水吸着の炭素片に対するガスの吸着は、ガスの種類に応じて異なる温度依存性を呈する。すなわち、前記炭素片に吸着するガスの種類は温度に依存して異なるようになる。例えば、ガスＡに対する吸着温度範囲が温度範囲ａであるとすると、ガスＢに対する吸着温度範囲が温度範囲ｂとなり、ガスＣに対する吸着温度範囲が温度範囲ｃとなる。したがって、複数のガス、例えばＡ、Ｂ及びＣが含まれている雰囲気中に前記炭素片を配置し、その温度範囲をａ、ｂ又はｃに設定することにより、前記炭素片はガスＡ、Ｂ又はＣのみを吸着できるようになる。
【００２３】
このように、炭素片を複数のガスを含む雰囲気中に配置し、その雰囲気温度を適宜に制御することによって、前記複数のガスの総てではなく、一つあるいは二以上を吸着することができるようになる。この場合、前記水吸着の炭素片は分子ふるいとしての機能を呈することになる。
【００２４】
さらに、前記水吸着の炭素片がガスを吸着してガスハイドレートを生成した場合、その電気抵抗は大きな温度依存性を示し、特定の温度を境にして急激に増減するようになる。また、前記電気抵抗の増減に対する臨界温度は前記ガスの生成解離圧、すなわち前記ガスの圧力に依存するようになる。したがって、前記臨界温度の変化をモニタリングすることにより、前記ガスの圧力を検知することができ、圧力センサとして機能するようになる。なお、一般的には、前記ガスの圧力が増大するにつれて、前記臨界温度も増大する。
【００２５】
以上、具体例を挙げながら発明の実施の形態に基づいて本発明を詳細に説明してきたが、本発明は上記内容に限定されるものではなく、本発明の範疇を逸脱しない限りにおいてあらゆる変形や変更が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の炭素片の一例の概観図である。
【図２】隣接する炭素片の空隙において、ガスハイドレートが形成された状態を示す図である。
【図３】空隙にガスハイドレートが形成された炭素片をガスセンサとして使用する場合の概略図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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