(57)【要約】【課題】  壁面閉じ込め型の容器として高純度かつ単一壁面のカーボンナノチューブを利用し、前記カーボンナノチューブ内に水を吸蔵させ、閉じ込めるようにすることにより、新規な特性の構造体を得る。【解決手段】  所定のカーボンナノチューブを準備し、前記カーボンナノチューブを水に接触させることにより、前記水を前記カーボンナノチューブ内部に吸蔵させてなるアイスナノチューブを作製する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定のカーボンナノチューブを準備する工程と、
前記カーボンナノチューブを水に接触させ、前記水を前記カーボンナノチューブ内部に吸蔵させてなるアイスナノチューブを作製する工程と、
を具えることを特徴とする、アイスナノチューブの作製方法。
【請求項２】
前記カーボンナノチューブの直径を制御することにより、前記アイスナノチューブの形成温度を制御することを特徴とする、請求項１に記載のアイスナノチューブの作製方法。
【請求項３】
前記カーボンナノチューブの直径が０．７ｎｍ〜３．０ｎｍであることを特徴とする、請求項２に記載のアイスナノチューブの作製方法。
【請求項４】
前記アイスナノチューブの作製は、１気圧以下の圧力雰囲気下で実施することを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一に記載のアイスナノチューブの作製方法。
【請求項５】
前記カーボンナノチューブは飽和水蒸気に接触させ、前記飽和水蒸気中の水分を前記カーボンナノチューブ内部に吸蔵させて前記アイスナノチューブを作製することを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一に記載のアイスナノチューブの作製方法。
【請求項６】
前記カーボンナノチューブを前記水に接触させる以前に、前記カーボンナノチューブを真空雰囲気下で加熱し、前記カーボンナノチューブに対する吸蔵分子を除去する工程を具えることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一に記載のアイスナノチューブの作製方法。
【請求項７】
前記アイスナノチューブの形成温度が室温以上であることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一に記載のアイスナノチューブの作製方法。
【請求項８】
前記アイスナノチューブは、酸素原子と水素原子とから構成される４員環から８員環を構成することを特徴とする、請求項１〜７のいずれか一に記載のアイスナノチューブの作製方法。
【請求項９】
前記カーボンナノチューブを複数準備し、これら複数のカーボンナノチューブを束ねてカーボンナノチューブバンドルを形成する工程を具え、前記カーボンナノチューブバンドルを前記水に接触させ、前記水を前記カーボンナノチューブバンドルを構成する前記カーボンナノチューブ内部に吸蔵させて前記アイスナノチューブを形成することを特徴とする、請求項１〜８のいずれか一に記載のアイスナノチューブの作製方法。
【請求項１０】
所定のカーボンナノチューブ内部に吸蔵されるとともに支持されてなることを特徴とする、アイスナノチューブ。
【請求項１１】
前記カーボンナノチューブの直径に依存して、前記アイスナノチューブの液体−気体相転移温度が変化することを特徴とする、請求項１０に記載のアイスナノチューブ。
【請求項１２】
前記カーボンナノチューブの直径が０．７ｎｍ〜３．０ｎｍであることを特徴とする、請求項１１に記載のアイスナノチューブ。
【請求項１３】
前記アイスナノチューブの液体−気体の相転移温度が室温以上であることを特徴とする、請求項１０〜１２のいずれか一に記載のアイスナノチューブ。
【請求項１４】
前記アイスナノチューブは、酸素原子と水素原子とから構成される４員環から８員環を構成することを特徴とする、請求項１０〜１３のいずれか一に記載のアイスナノチューブ。
【請求項１５】
前記カーボンナノチューブは複数準備するとともに、これら複数のカーボンナノチューブを束ねてカーボンナノチューブバンドルを形成し、このカーボンナノチューブバンドルを構成する各カーボンナノチューブ内部に前記アイスナノチューブが吸蔵されるとともに支持されてなることを特徴とする、請求項１０〜１４のいずれか一に記載のアイスナノチューブ。
【請求項１６】
複数のカーボンナノチューブが束ねられてなるカーボンナノチューブバンドルの、各カーボンナノチューブ内に吸蔵されるとともに支持されてなるアイスナノチューブを準備する工程と、
前記アイスナノチューブを含む前記カーボンナノチューブバンドルを所定のガスを含む雰囲気下に配置して、前記ガスを吸蔵させる工程と、
を具えることを特徴とする、アイスナノチューブの使用方法。
【請求項１７】
前記雰囲気中の圧力が１気圧以下であることを特徴とする、請求項１６に記載のアイスナノチューブの使用方法。
【請求項１８】
前記ガスが酸素及び窒素の少なくとも一方であることを特徴とする、請求項１６又は１７に記載のアイスナノチューブの使用方法。
【請求項１９】
前記アイスナノチューブの液体−気体の相転移温度が室温以上であることを特徴とする、請求項１６〜１８のいずれか一に記載のアイスナノチューブの使用方法。
【請求項２０】
前記カーボンナノチューブの直径が０．７ｎｍ〜３．０ｎｍであることを特徴とする、請求項１６〜１９のいずれか一に記載のアイスナノチューブの使用方法。
【請求項２１】
直径が０．７ｎｍ〜３．０ｎｍであることを特徴とする、アイスナノチューブ作製用のカーボンナノチューブ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アイスナノチューブの作製方法、アイスナノチューブ、及びアイスナノチューブの使用方法に関する。
【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、壁面閉じ込めがたの容器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、壁面閉じ込め型の容器として高純度かつ単一壁面のカーボンナノチューブを利用し、前記カーボンナノチューブ内に水を吸蔵させ、閉じ込めるようにすることにより、新規な特性の構造体を得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、
所定のカーボンナノチューブを準備する工程と、
前記カーボンナノチューブを水に接触させ、前記水を前記カーボンナノチューブ内部に吸蔵させてなるアイスナノチューブを作製する工程と、
を具えることを特徴とする、アイスナノチューブの作製方法に関する。
【０００５】
また、本発明は、
所定のカーボンナノチューブ内部に吸蔵されるとともに支持されてなることを特徴とする、アイスナノチューブに関する。
【０００６】
本発明者らは、所定のカーボンナノチューブを準備し、このカーボンナノチューブを壁面閉じ込め型の容器として使用し、前記カーボンナノチューブ内に水を吸蔵させて支持させることを試みた。その結果、前記カーボンナノチューブの直径を所定の範囲内に設定することにより、加圧及び冷却などの操作をすることなく、室温以上の大気圧下で前記水を原子レベルで前記カーボンナノチューブ内に支持できることを見出した。その結果、前記カーボンナノチューブ内に吸蔵及び支持されてなる、水の新規構造体、すなわちアイスナノチューブを得ることに成功した。
【０００７】
なお、上述した内容から明らかなように、「アイスナノチューブ」とは、カーボンナノチューブの内部に原子レベルで吸蔵され、保持されてなる水の新規構造体を意味するものである。また、前記アイスナノチューブは、主として前記カーボンナノチューブの空洞内に保持される。
【０００８】
前記カーボンナノチューブは単一で使用することもできるが、複数のカーボンナノチューブを準備し、これらを束ねてカーボンナノチューブバンドルを形成し、これを前記水に接触させることによって、各カーボンナノチューブ内に前記アイスナノチューブを形成することができる。
【０００９】
一方、このようなアイスナノチューブを含むカーボンナノチューブバンドルを所定のガスを含む雰囲気中に配置しておくと、前記カーボンナノチューブバンドルは前記ガスを吸蔵するようになる。このとき、前記カーボンナノチューブバンドルの電気抵抗などが前記ガスの吸蔵量に応じて変化するようになるので、前記電気抵抗などを計測することによって、前記カーボンナノチューブバンドルをガスセンサなどとして使用することができるようになる。
【発明の効果】
【００１０】
以上説明したように、本発明によれば、カーボンナノチューブを利用し、前記カーボンナノチューブ内に水を吸蔵させ、閉じ込めるようにすることにより、アイスナノチューブという新規な構造体を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
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。
【００１２】
本発明においては、最初に目的とするアイスナノチューブを支持するためのカーボンナノチューブを準備する。このカーボンナノチューブの大きさは、以下に示すように水を吸蔵し、アイスナノチューブとして保持できるものであれば特に限定されるものではない。しかしながら、前記カーボンナノチューブの直径が大きくなると、前記アイスナノチューブの形成温度、すなわち液体−気体相転移温度が低下し、前記カーボンナノチューブの直径が小さくなると、前記アイスナノチューブの形成温度、すなわち液体−気体相転移温度が上昇する傾向がある。したがって、前記カーボンナノチューブの前記直径を適宜に制御することにより、前記アイスナノチューブの形成温度を所望の範囲に設定することができる。
【００１３】
具体的に、前記カーボンナノチューブの前記直径を３．０ｎｍ以下とすることにより、前記アイスナノチューブの形成温度、すなわち液体−気体相転移温度を室温以上とすることができる。なお、カーボンナノチューブの実際の作製方法などを考慮すると、前記カーボンナノチューブの前記直径の下限値は０．７ｎｍである。
【００１４】
また、前記カーボンナノチューブは単独で用いることもできるが、複数を束ねてカーボンナノチューブバンドルとして用いることもできる。特に、以下に示すように、所定のガスを吸蔵させるような場合においては、ガスの吸蔵量を増大させるべく、カーボンナノチューブバンドルとして用いることが好ましい。
【００１５】
次いで、本発明においては、前記カーボンナノチューブあるいは前記カーボンナノチューブバンドルを水に接触させる。この水は通常の液体のものを用いることもできるが、水蒸気を用いることもできる。後者の場合、特別な水蒸気生成手段を用いることなく、例えば前記カーボンナノチューブあるいは前記カーボンナノチューブバンドルを飽和水蒸気下に配置することによって、水と接触させることができるようになる。前者の場合は、前記カーボンナノチューブあるいは前記カーボンナノチューブバンドルを直接水中に浸漬させて、水と接触させることができる。
【００１６】
このようにして、前記カーボンナノチューブ又は前記カーボンナノチューブバンドルを前記水に接触させた際、この操作温度（環境温度）が前記カーボンナノチューブの直径に依存する前記アイスナノチューブの形成温度（液体−気体相転移温度）よりも低い場合、前記カーボンナノチューブ（カーボンナノチューブバンドルを用いている場合は、それを構成する各カーボンナノチューブ）内に前記水が原子レベルで吸蔵し支持されるようになり、目的とするアイスナノチューブを構成するようになる。
【００１７】
なお、上述した操作においては、何ら追加的な加圧操作などについては要求されない。すなわち、通常の固体生成などにおいては、数ＧＰａ程度の所定の加圧雰囲気が要求される場合があるが、本発明においては上述した操作を大気圧下、すなわち約１気圧以下の圧力下でも行うことができる。
【００１８】
また、本発明においては、前記カーボンナノチューブ及び前記カーボンナノチューブバンドルに水を接触させる以前に、前記カーボンナノチューブなどに対して前処理を行うことができる。具体的には、前記カーボンナノチューブなどを真空雰囲気下で加熱し、前記カーボンナノチューブに対する吸蔵分子などを除去するようにすることもできる。これによって、前記カーボンナノチューブ内部において、前記アイスナノチューブを簡易かつ確実に形成することができるようになる。
【００１９】
さらには、前記カーボンナノチューブを空気中で３００−５００℃の間で加熱処理、あるいは過酸化水素中で酸化処理、またはこれらを併用した方法により、前記水の吸蔵に対する活性化処理を行うこともできる。
【００２０】
図１は、以上のような工程を経て得たアイスナノチューブの構成を示すモデル図の一例である。図１に示すように、本発明のアイスナノチューブは、例えば外側のカーボンナノチューブの空洞内に保持され、酸素原子と水素原子とからなる５員環を形成する。但し、図１はあくまで一例であって、使用するカーボンナノチューブの直径を１．１ｎｍ〜１．５ｎｍで制御することにより、４員環から８員環のアイスナノチューブを作製することができる。
【００２１】
上述したように、特にカーボンナノチューブバンドルを用い、このカーボンナノチューブバンドルの各カーボンナノチューブ内にアイスナノチューブを形成した場合においては、前記アイスナノチューブを含む前記カーボンナノチューブバンドルを所定のガスを含む雰囲気内に配置することにより、前記ガスを吸蔵するようになる。このとき、前記カーボンナノチューブバンドルの電気抵抗などの電気的特性、あるいは磁気的特性又は機械的特性などが変化するようになる。したがって、これら特性の変化を読み取ることによって、前記アイスナノチューブを含む前記カーボンナノチューブを所定のガスセンサとして使用することができる。
【００２２】
吸蔵できるガスとしては種々のガスが考えられるが、現在のところ、酸素ガス及び窒素ガスにおいて、これらのガスを吸蔵した際に前記カーボンナノチューブバンドルの電気抵抗が変化することが確認されており、ガスセンサとしての使用可能性が極めて高い。
【実施例】
【００２３】
（実施例１）
平均直径が１８ｎｍのカーボンナノチューブバンドルであって、各カーボンナノチューブの平均直径が１．１７ｎｍ、１．３０ｎｍ、１．３４ｎｍ、１．３５ｎｍ、１．３８ｎｍ及び１．４４ｎｍである６つのサンプルを準備し、これらのサンプルを１０−３Ｔｏｒｒの真空雰囲気下で８００Ｋ以上に加熱し、吸蔵分子を除去した。次いで、３００Ｋにおける飽和水蒸気中に前記サンプルを配置し、厚さ０．０１ｍｍの石英ガラス容器中に入れ封止した。
【００２４】
図２は、上述した工程を経た、平均直径が１．３５ｎｍであるカーボンナノチューブからなるカーボンナノチューブバンドルの、１００Ｋ及び３３０ＫにおけるＸＲＤパターンである。また、挿入図は同サンプルのＸＲＤにおける１０ピークの温度依存性を示すグラフである。図２から明らかなように、前記１０ピークはカーボンナノチューブ内部への水の吸蔵によるアイスナノチューブの形成に伴って、約３２０Ｋ付近で急激に変化していることが分かる。一方、３３０ＫでのＸＲＤプロファイルはカーボンナノチューブのＸＲＤプロファイルと同じであるので、前記３２０Ｋ以下では前記カーボンナノチューブ内部にアイスナノチューブが形成されており、前記３２０Ｋ以上ではアイスナノチューブが形成されていないことが分かる。
【００２５】
したがって、図２により、約３２０Ｋという室温以上の温度において、カーボンナノチューブ内部にアイスナノチューブが形成されていることが判明した。
【００２６】
なお、その他のサンプルにおいても同様の分析を実施した結果、室温以上の温度でカーボンナノチューブ内部にアイスナノチューブが形成されていることが判明した。
【００２７】
（実施例２）
平均直径が１．３５ｎｍであるカーボンナノチューブからなるカーボンナノチューブバンドルを１気圧の酸素ガス雰囲気下及び窒素ガス雰囲気下に配置した。図３は、このときの、電気抵抗の温度依存性を示すグラフである。図３から明らかなように、酸素ガス雰囲気下及び窒素ガス雰囲気下においては、２００Ｋ付近で電気抵抗に大きなヒステリシスが見られる。一方、参考のために示した１気圧のヘリウムガス雰囲気下では、このような電気抵抗にヒステリシスは見られない。したがって、前記電気抵抗におけるヒステリシスの出現は、前記アイスナノチューブを含むカーボンナノチューブバンドルが前記酸素ガス及び前記窒素ガスを吸蔵したためであると推察される。
【００２８】
したがって、アイスナノチューブが形成されたカーボンナノチューブバンドルは、所定のガスを吸蔵し、ガスセンサとして使用可能であることが示唆される。
【００２９】
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】
【００３０】
【図１】本発明のアイスナノチューブの構成を示すモデル図の一例である。
【図２】本発明のアイスナノチューブを含むカーボンナノチューブバンドルのＸＲＤパターンである。
【図３】カーボンナノチューブバンドル内にガスを吸蔵させた際の、電気抵抗の温度依存性を示すグラフである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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