(57)【要約】  開示する様々な実施形態は、炭素複合体構造を含む複合体を形成する方法に関する。方法は、前駆体組成物を基材に配置する工程を含む。組成物は、ポロゲン成分、炭素成分、および触媒成分を含む。方法は、前駆体組成物に照射して、炭素複合体構造を形成する工程をさらに含む。
2019534833.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭素複合体構造を備える複合体を形成する方法であって、
前駆体組成物を基材に配置する工程であって、前記前駆体組成物が、
ポロゲン成分、
支持相前駆体成分、
炭素成分、
光吸収性成分、および
触媒成分
の少なくとも１つを備える工程と、
前記前駆体組成物に照射して、
実質的に細長いプロファイルを有する炭素複合体多層構造、および
無定形炭素マトリックス
の少なくとも１つを形成する工程と
を備える方法。
【請求項２】
前記基材が、導電性材料を備える、請求項２に記載の方法。
【請求項３】
前記基材が、第１のポリマーを備える、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記ポロゲン成分が、前記前駆体組成物の約５重量％〜約５０重量％に及ぶ、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記ポロゲン成分が、第２のポリマーを備える、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
第１のポリマーおよび第２のポリマーの少なくとも１つが、ポリアセタール、ポリアクリリック、ポリカーボネート、ポリスチレン、ポリエステル、ポリアミド、ポリアミドイミド、ポリアリレート、ポリアクリレート、ポリメチルメタクリレート、ポリアリールスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリフェニレンスルフィド、ポリビニルクロリド、ポリスルホン、ポリイミド、ポリエーテルイミド、ポリテトラフルオロエチレン、ポリエーテルケトン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルケトン、ポリベンゾオキサゾール、ポリオキサジアゾール、ポリベンゾチアジノフェノチアジン、ポリベンゾチアゾール、ポリピラジノキノキサリン、ポリピロメリトイミド、ポリキノキサリン、ポリベンゾイミダゾール、ポリオキシインドール、ポリオキソイソインドリン、ポリジオキソイソインドリン、ポリトリアジン、ポリピリダジン、ポリピペラジン、ポリピリジン、ポリピペリジン、ポリトリアゾール、ポリピラゾール、ポリピロリジン、ポリカルボラン、ポリオキサビシクロノナン、ポリジベンゾフラン、ポリフタリド、ポリアセタール、ポリアンヒドリド、ポリビニルエーテル、ポリビニルチオエーテル、ポリビニルアルコール、ポリビニルケトン、ポリビニルハリド、ポリビニルニトリル、ポリビニルエステル、ポリスルホネート、ポリスルフィド、ポリチオエステル、ポリスルホン、ポリスルホンアミド、ポリ尿素、ポリホスファゼン、ポリシラザン、ポリシロキサン、ポリオレフィン、ポリアクリルアミド、エポキシポリマー、不飽和ポリエステルポリマー、ポリイミドポリマー、ビスマレイミドポリマー、ビスマレイミドトリアジンポリマー、シアネートエステルポリマー、ビニルポリマー、ベンゾオキサジンポリマー、ベンゾシクロブテンポリマー、アクリリック、アルキド、フェノール−ホルムアルデヒドポリマー、ノボラック、レゾール、メラミン−ホルムアルデヒドポリマー、尿素−ホルムアルデヒドポリマー、ヒドロキシメチルフラン、イソシアネート、不飽和ポリエステルイミド、およびその混合物から選択される、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記第２のポリマーが、ポリ（スチレン−ｂ−ビニルピリジン）、ポリ（スチレン−ｂ−ブタジエン）、ポリ（スチレン−ｂ−イソプレン）、ポリ（スチレン−ｂ−メチルメタクリレート）、ポリ（スチレン−ｂ−アルケニル芳香族化合物）、ポリ（イソプレン−ｂ−エチレンオキシド）、ポリ（スチレン−ｂ−（エチレン−プロピレン））、ポリ（エチレンオキシド−ｂ−カプロラクトン）、ポリ（ブタジエン−ｂ−エチレンオキシド）、ポリ（スチレン−ｂ−ｔ−ブチル（メタ）アクリレート）、ポリ（メチルメタクリレート−ｂ−ｔ−ブチルメタクリレート）、ポリ（エチレンオキシド−ｂ−プロピレンオキシド）、ポリ（スチレン−ｂ−テトラヒドロフラン）、ポリ（スチレン−ｂ−イソプレン−ｂ−エチレンオキシド）、ポリ（スチレン−ｂ−ジメチルシロキサン）、ポリ（スチレン−ｂ−トリメチルシリルメチルメタクリレート）、ポリ（メチルメタクリレート−ｂ−ジメチルシロキサン）、ポリ（メチルメタクリレート−ｂ−トリメチルシリルメチルメタクリレート）、またはその混合物である、請求項５に記載の方法。
【請求項８】
前記炭素成分が、置換または非置換（Ｃ１〜Ｃ４０）アルキル、（Ｃ１〜Ｃ４０）アルケニル、（Ｃ１〜Ｃ４０）アルキニル、（Ｃ４〜Ｃ４０）アリール、およびその混合物の少なくとも１つを備える、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記触媒成分および光吸収成分の少なくとも１つが、前記前駆体組成物の約０．０１重量％〜約５０重量％に及ぶ、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
前記触媒成分および光吸収成分の少なくとも１つが、前記前駆体組成物の約１重量％〜約１５重量％に及ぶ、請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
前記触媒成分および光吸収成分の少なくとも１つが、少なくとも１つの金属または金属酸化物ナノ粒子を備える、請求項１に記載の方法。
【請求項１２】
前記金属または金属酸化物ナノ粒子が、ケイ素、炭化ケイ素、鉄、酸化鉄、銅、ニッケル、パラジウム、白金、ルテニウム、ルビジウム、その合金、またはその混合物を備える、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記炭素複合体構造が、少なくとも１層の炭素複合体を備え、前記炭素複合体の個別層が、ナノワイヤ、ナノチューブ、およびナノリボンの少なくとも１つを備える、請求項１のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１４】
前記少なくとも１つのナノワイヤ、ナノチューブ、およびナノリボンが、約５ナノメートル〜約５００ナノメートルに及ぶ幅を有する、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記少なくとも１つのナノワイヤ、ナノチューブ、およびナノリボンが、約２０ナノメートル〜約５０ナノメートルに及ぶ幅を有する、請求項１３に記載の方法。
【請求項１６】
バッテリーであって、
基材、および
電極を形成するために前記基材に配置されている炭素複合体構造を備えるアノード層
を備え、
前記炭素複合体構造が、ナノワイヤ、ナノチューブ、ナノリボン、無定形炭素マトリックス、金属ナノ粒子、および金属酸化物ナノ粒子の少なくとも１つを備える、バッテリー。
【請求項１７】
前記炭素複合体多層構造が、約５ナノメートル〜約５００ナノメートルに及ぶ幅を有するナノワイヤ、ナノチューブ、およびナノリボンの少なくとも１つを備える、請求項１６に記載のバッテリー。
【請求項１８】
前記炭素複合体構造が、前記基材から伸びる複数の突起から形成されたパターンを備える、請求項１６に記載のバッテリー。
【請求項１９】
バッテリーを形成する方法であって、
前駆体組成物を基材に配置する工程であって、前記前駆体組成物が、
ポロゲン成分、
支持相前駆体成分、
炭素成分、
光吸収性成分、および
触媒成分
の少なくとも１つを備える工程と、
前記前駆体組成物を鋳型と接触させる工程であって、前記鋳型が、
前記前駆体組成物と接触している複数の突起
を備える工程と、
前記前駆体組成物の温度を上げてアノード層を形成する工程、および前記前駆体組成物に照射してアノード層を形成する工程の少なくとも１つと、
セパレータ層を前記アノード層に配置する工程と、
導体層を前記アノード層に配置して、前記バッテリーを形成する工程と
を備える方法。
【請求項２０】
前記前駆体層が前記鋳型と接触される前に、前記セパレータ層が前記前駆体層に配置され、前記鋳型が前記セパレータ層および前記前駆体組成物と接触される、請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
ポロゲンを形成するよう働くポリマー、
光吸収性成分、
支持相前駆体、および
溶媒
を備える前駆体組成物を基材に配置する工程と、
前記前駆体組成物に、前記ポリマーを分解し、前記支持相前駆体を活性化するのに有効な波長および強度の電磁放射線を照射する工程と、
階層構造を前記基材に形成する工程と
を備える方法。
【請求項２２】
前記基材が、前記前駆体組成物において使用される前記ポリマーとは化学的に異なる第１のポリマーを備え、前記第１のポリマーが、前記前駆体組成物において使用される前記ポリマーのガラス転移温度、溶融温度および分解温度の少なくとも１つより高いガラス転移温度、高い溶融温度および高い分解温度を有する、請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
前記基材が、前記階層構造の形成後に巻取可能であり、ロール・ツー・ロール加工において使用される、請求項２１に記載の方法。
【請求項２４】
前記前駆体組成物において使用される前記ポリマーが、２つのブロックを備えるグラフトブロックコポリマーであり、各ブロックが、ポリマー主鎖および前記ポリマー主鎖に共有結合している異なるグラフトポリマーを有する、請求項２１に記載の方法。
【請求項２５】
前記グラフトブロックコポリマーが、（ポリノルボルネン−ｇｒａｆｔ−ポリ（スチレン））−ｂｌｏｃｋ−（ポリノルボルネン−ｇｒａｆｔ−ポリ（エチレンオキシド））を備える、請求項２４に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ナノ多孔性構造およびそれを組み込んでいるアセンブリに関する。
【背景技術】
【０００２】
ポリマーまたは金属基材上における結合剤不含のメソ多孔性ハイブリッド炭素コーティングは、高表面積電極として使用されて、優れたデバイス性能を達成することが可能である。しかし、そのようなコーティングの直接製作を達成することは、高温炭化プロセスにおける基材分解のため困難である。
【図面の簡単な説明】
【０００３】
【図１】様々な実施形態による炭素複合体構造を含むバッテリーの断面図。
【図２】様々な実施形態によるバッテリーを作製する方法を示す概略図。
【図３】様々な実施形態によるバッテリーを作製する別法を示す概略図。
【図４】様々な実施形態による試料を示す透過型電子顕微鏡画像の図。
【図５】様々な実施形態による試料を示す透過型電子顕微鏡画像の図。
【図６】様々な実施形態による試料を示す透過型電子顕微鏡画像の図。
【図７】様々な実施形態によるアノードの様々な循環電流における充放電サイクル５０回のレート性能およびクーロン効率を示すグラフ図。
【発明を実施するための形態】
【０００４】
本開示は、炭素複合体構造を含む複合体を形成する方法を提供する。方法は、前駆体組成物を基材に配置する工程を含む。組成物は、ポロゲン成分、炭素成分、および触媒成分を含む。方法は、前駆体組成物に照射して、炭素複合体構造を形成する工程をさらに含む。
【０００５】
本開示は、電極をさらに提供する。電極は、細長いプロファイルを有する炭素複合体構造の個別層を含む。電極は、前駆体組成物を基材に配置することによって形成される。組成物は、ポロゲン成分、炭素成分、および触媒成分を含む。前駆体組成物は照射されて、炭素複合体構造を形成する。
【０００６】
本開示は、物品をさらに提供する。物品は、細長いプロファイルを有する炭素複合体構造が配置されて電極を形成する基材を含む。電極は、前駆体組成物を基材に配置することによって形成される。組成物は、ポロゲン成分、炭素成分、および触媒成分を含む。前駆体組成物は照射されて、炭素複合体構造を形成する。
【０００７】
本開示は、様々な利点を提示し、そのうちには予想外のものもある。様々な実施形態によれば、構造は、リチウムイオンバッテリーの容量などのデバイス性能を大幅に改善することができる貴金属または金属酸化物ナノ粒子（ＮＰ）を含めて様々な機能性材料のための支持体になるのによく向いている。例えば、構造は高導電性であり、Ｌｉ＋バッテリーアノードとして優れた性能（例えば、約１０００ｍＡ時／ｇ）を発揮し得る。
【０００８】
本開示は、ポロゲンとして機能するポリマー；光吸収性成分、支持相前駆体および溶媒を備える前駆体組成物を基材に配置する工程と、ポリマーを分解し、支持相前駆体を活性化するのに有効な波長および強度の電磁放射線を、前駆体組成物に照射する工程と、階層構造を基材に形成する工程とを含む方法を提供する。
【０００９】
本開示は、多孔性構造が配置されている基材を備える物品であって、基材の１平方メートルを超える面積の全体に、多孔性構造が配置されている物品を提供する。
本開示は、バッテリーをさらに提供する。バッテリーは、基材を含む。基材は、アノード層を含む。アノード層は、基材に配置されて電極を形成する炭素複合体構造を含む。
【００１０】
本開示は、バッテリーを形成する方法をさらに提供する。方法は、前駆体組成物を基材に配置する工程を含む。前駆体組成物は、ポロゲン成分、炭素成分、および触媒成分を含む。方法は、前駆体組成物を鋳型と接触させる工程をさらに含む。鋳型は、前駆体組成物と接触している複数の突起を含む。方法は、前駆体組成物の温度を上げて、アノード層を形成する工程および前駆体組成物に照射して、アノード層を形成する工程の少なくとも１つをさらに含む。方法は、セパレータ層をアノード層に配置する工程をさらに含む。方法は、導体層をアノード層に配置して、バッテリーを形成する工程をさらに含む。
【００１１】
様々な実施形態によれば、比較的低コストの鉄／酸化鉄ナノ粒子は、構造の形成を触媒するためにまたは光の吸収によりナノヒーターとして行動することによって熱を提供するために使用されることが可能である。様々な実施形態によれば、構造は、リチウムイオンバッテリー用のアノードを形成することができる。様々な実施形態によれば、構造は、メソ多孔性構造の高表面積、酸化鉄ナノ粒子によって与えられる高エネルギー密度、黒鉛ナノワイヤによる高伝導率、ならびにフィルムの良好な完全性（結合剤不含）、および無定形炭素マトリックスによって提供される良好な機械的特性を含めて魅力のあるいくつかの特色のため、高性能アノードを形成することができる。
【００１２】
様々な実施形態によれば、構造を形成する方法は、前駆体組成物の簡単なコーティングと、次にサブミリ秒の光パルスを使用する炭素成分の所望の炭素相への急速な変換および／またはポロゲンの除去を必要とするものであり、規模が大容量のロール・ツー・ロール加工に容易に拡大され、低温（例えば、４００℃未満）で行われることが可能である。ブロックコポリマーなどの画定された構築体を伴うポリマーをポロゲン／テンプレーティング成分として使用すると、極めてよく制御された細孔径および細孔径分布を伴う材料を形成することができる。
【００１３】
様々な実施形態によれば、方法は、前駆体組成物から所望の炭素複合体構造に直接変換して、アノード構造を形成することを可能にすることができる。黒鉛中間体から溶液を調合する工程および黒鉛状炭素でコーティングされたナノ粒子を調製する工程を含めて、中間工程は、回避されることが可能である。これらの中間工程は、性能を低下させるおそれがあるポリマーまたは他の結合剤を添加する必要があり得る。しかし、前駆体組成物から炭素複合体多層構造への直接変換によって、中間工程、したがってポリマーまたは結合剤の必要性を回避することができる。
【００１４】
様々な実施形態によれば、本明細書に記載されるパターン構造を有するアノードを少なくとも含むバッテリーは、パターンが形成されていないアノードを有する対応するバッテリーに比べて増加した表面積を有することができる。いくつかの例によれば、これにより、バッテリーの出力を増加することができる。
【００１５】
図面は、一般に、本文献で述べられている様々な実施形態を、例として説明するものであって、限定するものとして説明するものではない。
本文献全体にわたって、範囲形式で表現された値は、範囲の限界として明瞭に記載されている数値を含むだけでなく、その範囲内に包含されている個別の数値または部分範囲もすべて、各数値および部分範囲が明瞭に記載されているかのように含むと柔軟に解釈されるべきである。例えば、「約０．１％〜約５％」または「約０．１％〜５％」の範囲は、約０．１％〜約５％だけでなく、指摘された範囲内の個別の値（例えば、１％、２％、３％、および４％）および部分範囲（例えば、０．１％〜０．５％、１．１％〜２．２％、３．３％〜４．４％）も含むと解釈されるべきである。「約Ｘ〜Ｙ」という記載は、別段の指摘がない限り「約Ｘ〜約Ｙ」と同じ意味を有する。同様に、「約Ｘ、Ｙ、または約Ｚ」という記載は、別段の指摘がない限り「約Ｘ、約Ｙ、または約Ｚ」と同じ意味を有する。
【００１６】
本文献において、用語「ａ」、「ａｎ」、または「ｔｈｅ」は、文脈上からそうでないことがはっきりしていない限り、１つまたは１つより多くを含むように使用される。用語「または」は、別段の指摘がない限り、非排他的な「または」を指すように使用される。「ＡおよびＢの少なくとも１つ」という記載は、「Ａ、Ｂ、またはＡおよびＢ」と同じ意味を有する。さらに、本明細書で採用され、別段の定義がない語法または用語法は、説明するだけの目的であり、限定する目的ではないと理解されるものとする。節の見出しの使用はいずれも、文献の読取を助けることを意図したものであり、限定するものと解釈されるべきではない。節の見出しに関連している情報は、その特定の節の内部または外部に出現してもよい。
【００１７】
本明細書に記載される方法において、行為は、時間または操作の順序が明瞭に記載されているときを除いて、本開示の原理から逸脱することなくいずれの順番でも実施されることが可能である。さらに、指定された行為は、明示的な特許請求の文言が、別々に実施されることを詳述していない限り、同時に実施されることが可能である。例えば、特許請求されたＸをするという行為および特許請求されたＹをするという行為は、単一の操作内で同時に行われることが可能であり、その結果として生じる方法は、特許請求された方法の文言上の範囲内に入ることになる。
【００１８】
本明細書で用語「約」は、値または範囲がある程度多様であり、例えば明示された値または範囲の明示された限界の１０％以内、５％以内、または１％以内であり得、明示された正確な値または範囲を含む。
【００１９】
本明細書で用語「実質的に」は、少なくとも約５０％、６０％、７０％、８０％、９０％、９５％、９６％、９７％、９８％、９９％、９９．５％、９９．９％、９９．９９％、または少なくとも約９９．９９９％以上、または１００％などという大多数、または大部分を指す。
【００２０】
本明細書に定義する分子または有機基に関連して本明細書で用語「置換されている」は、その中に含有されている１個または複数の水素原子が、１個または複数の非水素原子で置き換えられている状態を指す。本明細書で用語「官能基」または「置換基」は、分子または有機基に対して置換されることが可能であるまたは置換されている基を指す。置換基または官能基の例としては、ハロゲン（例えば、Ｆ、ＣＩ、Ｂｒ、およびＩ）；カルボン酸、カルボキシレート、およびカルボキシレートエステルを含めてヒドロキシ基、アルコキシ基、アリールオキシ基、アラルキルオキシ基、オキソ（カルボニル）基、カルボキシル基などの基の酸素原子；チオール基、アルキルおよびアリールスルフィド基、スルホキシド基、スルホン基、スルホニル基、およびスルホンアミド基などの基の硫黄原子；アミン、ヒドロキシアミン、ニトリル、ニトロ基、Ｎ−オキシド、ヒドラジド、アジド、およびエナミンなどの基の窒素原子；ならびに様々な他の基の他のヘテロ原子が挙げられるが、これらに限定されない。置換炭素（または他の）原子に結合されることが可能である置換基は限定されるものではないが、例えば、Ｆ、ＣＩ、Ｂｒ、Ｉ、ＯＲ、ＯＣ（Ｏ）Ｎ（Ｒ）２、ＣＮ、ＮＯ、ＮＯ２、ＯＮＯ２、アジド、ＣＦ３、ＯＣＦ３、Ｒ、Ｏ（オキソ）、Ｓ（チオノ）、Ｃ（Ｏ）、Ｓ（Ｏ）、メチレンジオキシ、エチレンジオキシ、Ｎ（Ｒ）２、ＳＲ、ＳＯＲ、ＳＯ２Ｒ、ＳＯ２Ｎ（Ｒ）２、ＳＯ３Ｒ、Ｃ（Ｏ）Ｒ、Ｃ（Ｏ）Ｃ（Ｏ）Ｒ、Ｃ（Ｏ）ＣＨ２Ｃ（Ｏ）Ｒ、Ｃ（Ｓ）Ｒ、Ｃ（Ｏ）ＯＲ、ＯＣ（Ｏ）Ｒ、Ｃ（Ｏ）Ｎ（Ｒ）２、ＯＣ（Ｏ）Ｎ（Ｒ）２、Ｃ（Ｓ）Ｎ（Ｒ）２、（ＣＨ２）０〜２Ｎ（Ｒ）Ｃ（Ｏ）Ｒ、（ＣＨ２）０〜２Ｎ（Ｒ）Ｎ（Ｒ）２、Ｎ（Ｒ）Ｎ（Ｒ）Ｃ（Ｏ）Ｒ、Ｎ（Ｒ）Ｎ（Ｒ）Ｃ（Ｏ）ＯＲ、Ｎ（Ｒ）Ｎ（Ｒ）ＣＯＮ（Ｒ）２、Ｎ（Ｒ）ＳＯ２Ｒ、Ｎ（Ｒ）ＳＯ２Ｎ（Ｒ）２、Ｎ（Ｒ）Ｃ（Ｏ）ＯＲ、Ｎ（Ｒ）Ｃ（Ｏ）Ｒ、Ｎ（Ｒ）Ｃ（Ｓ）Ｒ、Ｎ（Ｒ）Ｃ（Ｏ）Ｎ（Ｒ）２、Ｎ（Ｒ）Ｃ（Ｓ）Ｎ（Ｒ）２、Ｎ（ＣＯＲ）ＣＯＲ、Ｎ（ＯＲ）Ｒ、Ｃ（＝ＮＨ）Ｎ（Ｒ）２、Ｃ（Ｏ）Ｎ（ＯＲ）Ｒ、およびＣ（＝ＮＯＲ）Ｒが挙げられ、ここで、Ｒは、水素または炭素ベースの部分であり得、例えば、Ｒは、水素、（Ｃ１〜Ｃ４０）ヒドロカルビル、アルキル、アシル、シクロアルキル、アリール、アラルキル、ヘテロシクリル、ヘテロアリール、もしくはヘテロアリールアルキルであり得、または窒素原子もしくは隣接している窒素原子に対して結合している２つのＲ基は、１個もしくは複数の窒素原子と一緒に、ヘテロシクリルを形成することができる。
【００２１】
本明細書で用語「アルキル」は、１〜４０個の炭素原子、１〜約２０個の炭素原子、１〜１２個の炭素、または一部の実施形態において１〜８個の炭素原子を有する直鎖および分枝状のアルキル基およびシクロアルキル基を指す。直鎖アルキル基の例としては、メチル、エチル、ｎ−プロピル、ｎ−ブチル、ｎ−ペンチル、ｎ−ヘキシル、ｎ−ヘプチル、およびｎ−オクチル基などの１〜８個の炭素原子を有するものが挙げられる。分枝アルキル基の例としては、イソプロピル、ｉｓｏ−ブチル、ｓｅｃ−ブチル、ｔ−ブチル、ネオペンチル、イソペンチル、および２，２−ジメチルプロピル基が挙げられるが、これらに限定されない。本明細書では、用語「アルキル」は、ｎ−アルキル、イソアルキル、およびアンテイソアルキル基、ならびにアルキルの他の分枝鎖を包含する。代表的な置換アルキル基は、本明細書に列挙されている基のいずれか、例えばアミノ、ヒドロキシ、シアノ、カルボキシ、ニトロ、チオ、アルコキシ、およびハロゲン基で１回または複数回置換されることが可能である。
【００２２】
本明細書で用語「アルケニル」は、少なくとも１つの二重結合が２個の炭素原子間に存在することを除いて、本明細書に定義される直鎖および分枝鎖ならびに環式アルキル基を指す。したがって、アルケニル基は、２〜４０個の炭素原子、もしくは２〜約２０個の炭素原子、もしくは２〜１２個の炭素原子、または一部の実施形態において、２〜８個の炭素原子を有する。例としては、とりわけビニル、−ＣＨ＝ＣＨ（ＣＨ３）、−ＣＨ＝Ｃ（ＣＨ３）２、−Ｃ（ＣＨ３）＝ＣＨ２、−Ｃ（ＣＨ３）＝ＣＨ（ＣＨ３）、−Ｃ（ＣＨ２ＣＨ３）＝ＣＨ２、シクロヘキセニル、シクロペンテニル、シクロヘキサジエニル、ブタジエニル、ペンタジエニル、およびヘキサジエニルが挙げられるが、これらに限定されない。
【００２３】
本明細書で用語「アルキニル」は、少なくとも１つの三重結合が２個の炭素原子間に存在することを除いて、直鎖および分枝鎖アルキル基を指す。したがって、アルキニル基は、２〜４０個の炭素原子、２〜約２０個の炭素原子、もしくは２〜１２個の炭素、または一部の実施形態において、２〜８個の炭素原子を有する。例としては、とりわけ−Ｃ≡ＣＨ、−Ｃ≡Ｃ（ＣＨ３）、−Ｃ≡Ｃ（ＣＨ２ＣＨ３）、−ＣＨ２Ｃ≡ＣＨ、−ＣＨ２Ｃ≡Ｃ（ＣＨ３）、および−ＣＨ２Ｃ≡Ｃ（ＣＨ２ＣＨ３）が挙げられるが、これらに限定されない。
【００２４】
本明細書で用語「アリール」は、環中にヘテロ原子を含有しない環式芳香族炭化水素基を指す。したがって、アリール基としては、フェニル、アズレニル、ヘプタレニル、ビフェニル、インルダセニル、フルオレニル、フェナントレニル、トリフェニレニル、ピレニル、ナフタセニル、クリセニル、ビフェニレニル、アントラセニル、およびナフチル基が挙げられるが、これらに限定されない。一部の実施形態において、アリール基は、基の環部分中に約６〜約１４個の炭素を含有する。アリール基は、本明細書に定義するように、非置換または置換アリール基とすることができる。代表的な置換アリール基は、一置換または１回より多く置換されることが可能であり、フェニル環の２、３、４、５、もしくは６位のいずれか１つにおいて置換されているフェニル基、またはナフチル基の２位〜８位のいずれか１つにおいて置換されているナフチル基などであるが、これらに限定されない。
【００２５】
本明細書に開示されているのは、基材に配置されている多孔性材料を備える大面積のナノ多孔性ハイブリッドフィルムを急速製造する方法である。一例において、ナノ多孔性ハイブリッドフィルムは、リジッドまたはフレキシブル基材とすることができる基材に配置されている階層構造を有することが可能である。望むなら、市販のリジッドまたはフレキシブル基材が使用されることが可能である。階層構造は、異なる少なくとも２つのタイプの構造的特色から構成される。例えば、多孔性階層構造は、異なる細孔径または細孔形状を有してもよい。
【００２６】
本明細書にさらに開示されているのは、黒鉛多層構造を含む複合体を形成する方法である。黒鉛多層構造は、多孔性であり、ハイブリッドフィルムを含むことができる基材に配置されていることが可能である。
【００２７】
市販のリジッドまたはフレキシブル基材が、望むなら使用されることが可能であり、導電性材料で作製されることが可能である。
いくつかの例において、前駆体組成物を基材に配置する工程は、前駆体組成物を基材に吹付けまたは刷毛塗りすることによって、前駆体組成物を塗布する工程を含む。別の例において、基材は、基材の端から端まで巻かれることが可能である。前駆体組成物の基材への塗布は、基材が、前駆体組成物で完全コーティングまたは部分コーティングされるように行われることが可能である。例えば、基材の表面積の約５％〜約１００％は、前駆体組成物でコーティングされることが可能であり、あるいは、基材の表面積の約７５％〜約１００％、約８５％〜約１００％、あるいは約５、１０、１５、２０、２５、３０、３５、４０、４５、５０、５５、６０、６５、７０、７５、８０、８５、９０、９５、もしくは約１００％未満、約５、１０、１５、２０、２５、３０、３５、４０、４５、５０、５５、６０、６５、７０、７５、８０、８５、９０、９５、もしくは約１００％、または約５、１０、１５、２０、２５、３０、３５、４０、４５、５０、５５、６０、６５、７０、７５、８０、８５、９０、９５、もしくは約１００％超は、前駆体組成物でコーティングされることが可能である。
【００２８】
基材はリジッド基材とすることができ、またはフレキシブル基材とすることができる。基材は、アルミニウム、ニッケル、銅、およびその合金などの多くの異なる材料を含むことができる。基材は、本明細書に記載されるポリマーも含むことができる。基材は、金属化ポリマーフィルムも含むことができる。金属化ポリマーフィルムの例としては、ある量のアルミニウム、ニッケル、またはクロムが配置されている、ポリプロピレン、ポリエチレンテレフタレート、ナイロン、またはポリエチレンなどのポリマーが挙げられる。基材は、シート、ロッド、または箔の形をとることができ、１０平方メートル超、２０平方メートル超、または５０平方メートル超の表面積を有してもよい。
【００２９】
いくつかの例において、基材は（前駆体組成物の照射を行った後）、例えば、ロール・ツー・ロール加工において使用されることが可能であるように、巻取可能（例えば、１０６ＧＰａ未満の弾性率を有するフレキシブル基材）である。したがって、基材を巻いて、約０．１０メートル〜約１０メートル、約０．２０メートル〜約９メートル、約１メートル〜約５メートルに及ぶ直径、あるいは約０．１０メートル未満、約０．１０メートル、または約０．１０メートル超、約０．２０、０．５、１、１．５、２、２．５、３、３．５、４、４．５、５、５．５、６、６．５、７、７．５、８、８．５、９、９．５、もしくは約１０メートルの直径を有するロールを形成することが可能である。
【００３０】
一例において、基材はフレキシブル基材とすることができ、第１のポリマーを含むことができる。本明細書に記載されるように、ポロゲンは、ポリマー（以降、第２のポリマー）も備える。基材において使用される第１のポリマーは、好ましくは前駆体組成物において使用される第２のポリマーと異なる。一実施形態において、基材において使用される第１のポリマーは、第２のポリマーのガラス転移温度、溶融温度および分解温度の少なくとも１つより高いガラス転移温度、高い溶融温度および高い分解温度を有する。一実施形態において、基材において使用される第１のポリマーが、第２のポリマーの分解温度より高い分解温度を有することが望ましいことがあり得る。第１のポリマーも第２のポリマーも、本明細書のポリマーの一覧から選択されることが可能である。
【００３１】
基材の第１のポリマーは、基材の約５０重量％〜約１００重量％の範囲、基材の約９０重量％〜約１００重量％の範囲、あるいは基材の約５０、５５、６０、６５、７０、７５、８０、８５、９０、９５、もしくは１００重量％未満、約５０、５５、６０、６５、７０、７５、８０、８５、９０、９５、もしくは１００重量％、または約５０、５５、６０、６５、７０、７５、８０、８５、９０、９５、もしくは１００重量％超であり得る。
【００３２】
前駆体組成物は、ポロゲン成分を含むことができる。ポロゲン成分は、前駆体組成物の約５重量％〜約５０重量％、約２０重量％〜約４０重量％、あるいは約５、１０、１５、２０、２５、３０、３５、４０、４５、もしくは５０重量％未満、約５、１０、１５、２０、２５、３０、３５、４０、４５、もしくは５０重量％、または約５、１０、１５、２０、２５、３０、３５、４０、４５、もしくは５０重量％超に及び得る。
【００３３】
ポロゲンは、異なる様々な用途に使用されることが可能である成形された構造において細孔を作製するのに使用される、指定された形状およびサイズを有する多量な粒子であり得る。様々な例において、ポロゲンは、ブロックコポリマーまたはホモポリマーとすることができる。フィルムの形成時において、ポロゲンは、最終構造において細孔を作製するのに除去される相である。いくつかの例において、ポロゲンは、熱分解によって除去される。別の例において、ポロゲンは、構造が硬化した後、溶解されてなくなることが可能である。最終構造における細孔は、いずれか適当な範囲になるように形成されることが可能である。例えば、細孔は、約０．５ｎｍ〜約１０００ｎｍ、約２ｎｍ〜約５０ｎｍの範囲、あるいは約０．５、２０、６０、８０、１００、１２０、１４０、１６０、１８０、２００、２２０、２４０、２６０、２８０、３００、３２０、３４０、３６０、３８０、４００、４２０、４４０、４６０、４８０、５００、５２０、５４０、５６０、５８０、６００、６２０、６４０、６６０、６８０、７００、７２０、７４０、７６０、７８０、８００、８２０、８４０、８６０、８８０、９００、９２０、９４０、９６０、９８０、もしくは約１０００ｎｍ未満、約０．５、２０、６０、８０、１００、１２０、１４０、１６０、１８０、２００、２２０、２４０、２６０、２８０、３００、３２０、３４０、３６０、３８０、４００、４２０、４４０、４６０、４８０、５００、５２０、５４０、５６０、５８０、６００、６２０、６４０、６６０、６８０、７００、７２０、７４０、７６０、７８０、８００、８２０、８４０、８６０、８８０、９００、９２０、９４０、９６０、９８０、もしくは約１０００ｎｍ、または約０．５、２０、６０、８０、１００、１２０、１４０、１６０、１８０、２００、２２０、２４０、２６０、２８０、３００、３２０、３４０、３６０、３８０、４００、４２０、４４０、４６０、４８０、５００、５２０、５４０、５６０、５８０、６００、６２０、６４０、６６０、６８０、７００、７２０、７４０、７６０、７８０、８００、８２０、８４０、８６０、８８０、９００、９２０、９４０、９６０、９８０、もしくは約１０００ｎｍ超であり得る。
【００３４】
ポロゲン成分は、基材の第１のポリマーが存在する場合それとは異なる第２のポリマーを含む。第２のポリマーは、ポロゲン成分の約１重量％〜約１００重量％、または約９０重量％〜約１００重量％、あるいは約１、５、１０、１５、２０、２５、３０、３５、４０、４５、５０、５５、６０、６５、７０、７５、８０、８５、９０、９５、もしくは１００重量％未満、約１、５、１０、１５、２０、２５、３０、３５、４０、４５、５０、５５、６０、６５、７０、７５、８０、８５、９０、９５、もしくは１００重量％、または約１、５、１０、１５、２０、２５、３０、３５、４０、４５、５０、５５、６０、６５、７０、７５、８０、８５、９０、９５、もしくは１００重量％超に及ぶ。
【００３５】
基材の第１のポリマーおよびポロゲン成分の第２のポリマーは、多くの適当なポリマーから選択されることが可能である。第１および第２のポリマーの例は、熱可塑性ポリマー、熱硬化性ポリマー、熱可塑性ポリマーのブレンド、熱硬化性ポリマーのブレンド、および熱可塑性ポリマーと熱硬化性ポリマーのブレンドである。ポリマーは、ホモポリマー、コポリマー、ブロックコポリマー、交互コポリマー、交互ブロックコポリマー、ランダムコポリマー、ランダムブロックコポリマー、グラフトコポリマー、星形ブロックコポリマー、アイオノマー、デンドリマー、液晶ポリマー、または前述のポリマーの少なくとも１つを備える組合せとすることができる。第１または第２のポリマーは、半結晶質または無定形でもよい。
【００３６】
熱可塑性ポリマーの例は、ポリアセタール、ポリアクリリック、ポリカーボネート、ポリスチレン、ポリエステル、ポリアミド、ポリアミドイミド、ポリアリレート、ポリアクリレート、ポリメチルメタクリレート、ポリアリールスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリフェニレンスルフィド、ポリビニルクロリド、ポリスルホン、ポリイミド、ポリエーテルイミド、ポリテトラフルオロエチレン、ポリエーテルケトン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルケトン、ポリベンゾオキサゾール、ポリオキサジアゾール、ポリベンゾチアジノフェノチアジン、ポリベンゾチアゾール、ポリピラジノキノキサリン、ポリピロメリトイミド、ポリキノキサリン、ポリベンゾイミダゾール、ポリオキシインドール、ポリオキソイソインドリン、ポリジオキソイソインドリン、ポリトリアジン、ポリピリダジン、ポリピペラジン、ポリピリジン、ポリピペリジン、ポリトリアゾール、ポリピラゾール、ポリピロリジン、ポリカルボラン、ポリオキサビシクロノナン、ポリジベンゾフラン、ポリフタリド、ポリアセタール、ポリアンヒドリド、ポリビニルエーテル、ポリビニルチオエーテル、ポリビニルアルコール、ポリビニルケトン、ポリビニルハリド、ポリビニルニトリル、ポリビニルエステル、ポリスルホネート、ポリスルフィド、ポリチオエステル、ポリスルホン、ポリスルホンアミド、ポリ尿素、ポリホスファゼン、ポリシラザン、ポリシロキサン、ポリオレフィン、ポリアクリルアミドなど、または前述の有機ポリマーの少なくとも１つを備える混合物である。
【００３７】
低下された結晶度のセルロースとブレンドするのに適している熱硬化性ポリマーの例としては、エポキシポリマー、不飽和ポリエステルポリマー、ポリイミドポリマー、ビスマレイミドポリマー、ビスマレイミドトリアジンポリマー、シアネートエステルポリマー、ビニルポリマー、ベンゾオキサジンポリマー、ベンゾシクロブテンポリマー、アクリリック、アルキド、フェノール−ホルムアルデヒドポリマー、ノボラック、レゾール、メラミン−ホルムアルデヒドポリマー、尿素−ホルムアルデヒドポリマー、ヒドロキシメチルフラン、イソシアネート、不飽和ポリエステルイミドなど、または前述の熱硬化性ポリマーの少なくとも１つを備える混合物が挙げられる。
【００３８】
基材において使用されることが可能である第１のポリマーの例は、ポリエステル基材、例えばポリエチレンテレフタレート基材である。適当な第２のポリマーの例は、ブロックコポリマーである。
【００３９】
第２のポリマーは、前駆体組成物が第１のポリマー（存在する場合、基材を形成する）上に配置された後に前駆体組成物のための結合剤として機能することができる。本明細書に詳述されているように、前駆体組成物は、基材上に配置された後に乾燥され、第２のポリマーは、前駆体組成物を結合させて、前駆体層を基材に形成するように機能する。
【００４０】
一実施形態において、（前駆体組成物において使用される）第２のポリマーは、ブロックコポリマーとすることができる。適当なブロックコポリマーは、相分離を受けると層状、円柱状、両連続状または球状の形態を有するものである。ブロックコポリマーは、ジブロックまたはトリブロックとすることができる。ジブロックは、第１のブロックおよび第２のブロックを有することができ、トリブロックは、第１、第２および第３のブロックを有する。一部の実施形態において、トリブロックの第１および第３のブロックは、互いに化学的に同一であり得る。各ブロックは、ジブロックコポリマーの第１および第２のブロックが互いに異なる限り、以上に提供されたポリマーの一覧から選択されることが可能である。一例において、トリブロックコポリマーの場合、第１および第２のブロックは互いに異なり、場合によっては、第１、第２および第３のブロックは互いに異なることが可能である。
【００４１】
前駆体組成物において使用されてもよいブロックコポリマー（第２のポリマー）の例としては、ポリ（スチレン−ｂ−ビニルピリジン）、ポリ（スチレン−ｂ−ブタジエン）、ポリ（スチレン−ｂ−イソプレン）、ポリ（スチレン−ｂ−メチルメタクリレート）、ポリ（スチレン−ｂ−アルケニル芳香族化合物）、ポリ（イソプレン−ｂ−エチレンオキシド）、ポリ（スチレン−ｂ−（エチレン−プロピレン））、ポリ（エチレンオキシド−ｂ−カプロラクトン）、ポリ（ブタジエン−ｂ−エチレンオキシド）、ポリ（スチレン−ｂ−ｔ−ブチル（メタ）アクリレート）、ポリ（メチルメタクリレート−ｂ−ｔ−ブチルメタクリレート）、ポリ（エチレンオキシド−ｂ−プロピレンオキシド）、ポリ（スチレン−ｂ−テトラヒドロフラン）、ポリ（スチレン−ｂ−イソプレン−ｂ−エチレンオキシド）、ポリ（スチレン−ｂ−ジメチルシロキサン）、ポリ（スチレン−ｂ−トリメチルシリルメチルメタクリレート）、ポリ（メチルメタクリレート−ｂ−ジメチルシロキサン）、ポリ（メチルメタクリレート−ｂ−トリメチルシリルメチルメタクリレート）など、またはその組合せが挙げられる。
【００４２】
別の実施形態において、ブロックコポリマーはブロックコポリマーとすることができ、各ブロックは、異なるグラフトポリマーの主鎖に対してグラフト化している主鎖ポリマーを有する。例示的な主鎖ポリマーはポリノルボルネンであり、第１のグラフトおよび第２のグラフトは、以上に詳述された一覧から選択される。一実施形態において、第１のグラフトはポリスチレンであり、第２のグラフトはポリエチレンオキシドである。したがって、例示的なブロックコポリマーは、（ポリノルボルネン−ｇｒａｆｔ（グラフト）−ポリ（スチレン））−ｂｌｏｃｋ（ブロック）−（ポリノルボルネン−ｇｒａｆｔ−ポリ（エチレンオキシド））である。そのようなポリマーは、開環メタセシス重合によって生成されることが可能である。
【００４３】
いくつかの例において、ブロックコポリマーが、ブラシコポリマーまたはボトルブラシブロックコポリマーであることが望ましい。ポリマーブラシは、基材の表面に繋ぎ止められているポリマーを備える。ブラシまたはボトルブラシブロックコポリマーは、「分子ブラシ」も指し、線状ポリマー主鎖に対して異なる少なくとも２つのタイプのポリマー側鎖が密にグラフト化されている新しいクラスの大型高分子である。ポリマー側鎖の強力な立体反発のため、ボトルブラシブロックコポリマーの主鎖は、高伸長され、蠕虫様分子立体配座が生じる。ボトルブラシは、ポリマー鎖のからみ合いが、蠕虫様高分子間において大幅に低減されることが可能であり、急速自己アセンブリにより秩序立ったナノ構造を創造することが可能になるので、その線状類似体と比べて、ナノテクノロジーにとって優れることが可能である。
【００４４】
ブラシまたはボトルブラシは、繋ぎ止められたポリマー層がポリマーおよび溶媒を含む溶媒和状態、または繋ぎ止められた鎖が空いている空間を完全に満たす溶融状態であり得る。これらのポリマー層は、シリコンウェハなどの平坦な基材、またはナノ粒子などの高度に湾曲した基材に繋ぎ止められることが可能である。ブラシは、グラフト化された鎖の高密度によって特徴付けられることが多い。その上、限定された空間は、鎖の強力な伸び、および系の異常な特性を導く。
【００４５】
いくつかの例において、ブロックコポリマーのブロックの少なくとも１つは、支持相の前駆体と相互作用することができる官能基を有することができる。官能基は、鎖主鎖から懸垂していてもよく（すなわち、繰返し単位の一部分である）、末端基でもよく、または鎖主鎖から懸垂しており、かつ末端基でもよい。そのような官能基の例は、トリアルコキシシランなどの金属アルコキシドである。一例において、反応性の末端官能基が、コポリマーを基材に繋ぎ止めて、ボトルブラシコポリマーを形成するように使用されることが可能である。
【００４６】
溶媒が存在する場合それは、前駆体組成物中に存在している第２のポリマーを可溶化するのに有効な溶媒である。使用されるポリマーおよび他の構成成分の化学的性質に応じて、溶媒は、非プロトン性極性溶媒、無極性プロトン性溶媒、非極性溶媒、またはその組合せとすることができる。
【００４７】
非プロトン性極性溶媒の例は、水、プロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、ブチロラクトン、アセトニトリル、ベンゾニトリル、ニトロメタン、ニトロベンゼン、スルホラン、ジメチルホルムアミド、Ｎ−メチルピロリドンなど、またはその組合せである。極性プロトン性溶媒は、メタノール、アセトニトリル、ニトロメタン、エタノール、プロパノール、イソプロパノール、ブタノールなど、またはその組合せを含む。非極性溶媒の例としては、ベンゼン、トルエン、塩化メチレン、四塩化炭素、ヘキサン、ジエチルエーテル、テトラヒドロフランなど、またはその組合せが挙げられる。少なくとも１つの極性溶媒および少なくとも１つの非極性溶媒を備える共溶媒も、溶媒の膨潤度を改変し、それによって溶媒のポリマーに対する溶解度を調整するのに利用されてもよい。溶媒は、前駆体組成物の全重量に対して５０〜９０重量％の量で使用されることが可能である。
【００４８】
支持相の前駆体（以降、支持相前駆体）は、一般に反応すると骨格構造を生成して、基材に配置されている階層構造を支持する反応性種を備える。支持相前駆体は、金属アルコキシド、多八面体シルセスキオキサン（以降、シルセスキオキサン）、または加熱されると、前駆体組成物の構成成分に構造を提供することができるいずれか他の反応性種を含むことができる。
【００４９】
金属アルコキシドの例は、シリコンアルコキシド（例えば、ケイ素トリメトキシシラン、テトラエチルオルトシリケートなど）、チタンアルコキシド（例えば、チタンイソプロポキシドなど）、ジルコニウムアルコキシド（例えば、ジルコニウムイソプロポキシド）、アルミニウムアルコキシド（例えば、アルミニウムｓｅｃ−ブトキシド）など、またはその組合せである。金属アルコキシドは、前駆体組成物に含まれているとき、官能基およびそれ自体と反応して、骨格の網目または骨格の網目の前駆体を前駆体組成物内に形成することができる。前駆体組成物を加熱すると、ポリマーが分解され、ポリマーの分解により、金属酸化物粒子の多孔性網目が残る。
【００５０】
シルセスキオキサンは、構造（ＲＳｉＯ１．５）ｎを有し、ここで、Ｒは、１つまたは複数のタイプの置換基、典型的には有機性の置換基を表す。代替の呼称は「Ｔ−樹脂」であり、ケイ素に置換している酸素原子が３個存在すること（三置換）を指摘する。これらの分子は、硬質の耐熱性ケイ素−酸素フレーム構造を有し、その構造および特徴が、シリカガラス（ＳｉＯ２）ｎの構造および特徴とシリコーンポリマー（Ｒ２ＳｉＯ）ｎの構造および特徴との中間である。前駆体組成物におけるシルセスキオキサン部分は、様々な構造型のうちから選択されることが可能である：以下の式１〜３に示されている多面体カゴ、はしご、ランダム、またはその混合物。
【００５１】
式（１）は、ランダム型のシルセスキオキサン部分を示す。
【００５２】
【化１】
2019534833.tif 000003
式（２）は、はしご型のシルセスキオキサンを描写する。
【００５３】
【化２】
2019534833.tif 000004
式（３）は、完全および不完全（部分）多面体カゴ型のシルセスキオキサンを描写する。
【００５４】
【化３】
2019534833.tif 000005
前述のように、シルセスキオキサンは、カゴ様構造を有し得る。カゴタイプのシルセスキオキサンの構造は、立方体、６角プリズム、８角プリズム、１０角プリズム、１２角プリズム、または開放型のカゴ様構造の形さえとることが多い。様々なカゴ型のシルセスキオキサンが、Ｈｙｂｒｉｄ  Ｐｌａｓｔｉｃｓ社によって販売名ＰＯＳＳで販売されている。それらは、多面体オリゴマーシルセスキオキサンであると記載され、一般式（ＲＳｉＯ１．５）ｎを有し、式中、Ｒは、有機または無機部分から選択され、ｎは６、８、１０、１２、またはそれ以上である。すべてのシルセスキオキサンと同様に、これらの分子は、酸素とケイ素の比が１．５で、硬質の耐熱性ケイ素−酸素フレーム構造を有し、大半が、例えば炭化水素（例えば、ビニル、イソオクチル、シクロヘキシル、シクロペンチル、イソブチル、または他の炭化水素）、およびエステル、ビニル、エポキシ、アクリレート、ヒドロキシルなどの官能基、または他の官能基を備える外層を提供する共有結合している有機（および時には無機）基を含有する。Ｓｉ８（ここで、ｎ＝８）ＰＯＳＳ構造が、以下に式（４）で図示される。
【００５５】
【化４】
2019534833.tif 000006
ケイ素原子上のＲ基の変化により、様々な官能基が、ＰＯＳＳフレーム構造の隅から離れて置かれることが可能である。各Ｒ基は、重合に関与して、前駆体組成物の支持相前駆体を硬化することができる反応性基とすることができ、あるいは組成物中に存在している他の種との化学的相溶化を促進することができる非反応性基とすることができる。重合または相溶化を可能にする際における役割に加えて、様々なタイプのＲ基は、柔軟性または剛性、熱安定性、耐薬品性、硬化速度、屈折率など他の所望の属性を付与するように選択されまたは合わせられることが可能である。例示的な実施形態において、ケイ素原子上のＲ基は、ＵＶ開始重合に関与することができる反応性官能基であり、アクリレート、メタクリレート、ビニル、ビニルエーテル、チオールもしくはエポキシド、ヒドロキシル、またはその組合せを含む。
【００５６】
ＰＯＳＳカゴ型シルセスキオキサン部分の上記の構造を詳述する別の方式は、一般式Ｒｎ−ｍＴｎＹｍを含み、式中、Ｒは、コーティングのＵＶ誘導重合を可能にすることができる反応性官能種であり、ｎは、６、８、１０、１２またはそれ以上であり、ｍは、１〜ｎであり、Ｔは、ＳｉＯ１．５であり、Ｙは、組成物中に存在している他の種との化学的相溶化を促進することが可能である非反応性種を表す。例示的な実施形態において、シラン上の様々なＲ基は同じでも異なってもよく、重合および／または架橋を可能にすることができる反応性官能基であり、アクリレート、メタクリレート、ビニル、ビニルエーテル、チオールまたはエポキシドを含む。Ｙ基は、Ｃ１〜Ｃ２４直鎖状、分枝状、または環式アルキル、脂肪族または脂環式エーテルまたはポリエーテル、脂肪族または脂環式エステルまたはポリエステル、脂肪族または脂環式シロキサンまたはポリシロキサン、脂肪族または脂環式カーボネートまたはポリカーボネート、脂肪族または脂環式フルオロカーボンまたは他のハロカーボン、脂肪族または脂環式ウレタンエーテル、ウレタンエステル、またはウレタンカーボネートなどの非反応性基を含む。別の例示的な実施形態において、Ｒ基は、主鎖に沿って設置されているあるいは主鎖から離れて設置されたペンダント基として設置されている反応性種を有する低分子量ホモポリマーまたはコポリマーである。
【００５７】
別の実施形態において、Ｒ基は、２つ以上の反応性官能基、３つ以上の反応性官能基、または４つ以上の反応性官能基を含有する。ジアクリレート化およびトリアクリレート化基は、前駆体層のＵＶ誘導重合を可能にする反応性官能基の例である。
【００５８】
例示的なＰＯＳＳシルセスキオキサン部分は、アクリレートおよびメタクリレート官能基で官能化されているＰＯＳＳシルセスキオキサン（例えば、ＭＡ０７０１−アクリロイソブチルＰＯＳＳ、ＭＡ０７０２−メタクリルイソブチルＰＯＳＳ、ＭＡ０７０３−メタクリレートシクロヘキシルＰＯＳＳ、ＭＡ０７０６−メタクリレートイソブチルＰＯＳＳ、ＭＡ０７１６−メタクリレートエチルＰＯＳＳ、ＭＡ０７１７−メタクリルエチルＰＯＳＳ、ＭＡ０７１８−メタクリレートイソオクチルＰＯＳＳ、ＭＡ０７１９−メタクリルイソオクチルＰＯＳＳ、ＭＡ０７３５−メタクリルＰＯＳＳカゴ混合物、ＭＡ０７３６−アクリロＰＯＳＳカゴ混合物など、またはその組合せ）、エポキシ官能基で官能化されているＰＯＳＳシルセスキオキサン（例えば、ＥＰ０４０２−エポキシシクロヘキシルイソブチルＰＯＳＳ、ＥＰ０４０８−エポキシシクロヘキシルＰＯＳＳカゴ混合物、ＥＰ０４０９−グリシジルＰＯＳＳカゴ混合物、ＥＰ０４１７−グリシジルエチルＰＯＳＳ、ＥＰ０４１８−グリシジルイソブチルＰＯＳＳ、ＥＰ０４１９−グリシジルイソオクチルＰＯＳＳ、ＥＰ０４２３−トリグリシジルイソブチルＰＯＳＳ、ＥＰ０４３０−オクタエポキシシクロヘキシルジメチルシリルＰＯＳＳ、ＥＰ０４３５−オクタグリシジルジメチルシリルＰＯＳＳなど、またはその組合せ）、チオール官能基で官能化されているＰＯＳＳシルセスキオキサン（ＴＨ１５５０−メルカプトプロピルイソブチルＰＯＳＳ、ＴＨ１５５５−メルカプトプロピルイソオクチルＰＯＳＳなど、またはその組合せ）、イソブチルアクリレート、二官能性ヘテロカゴ、イソオクチルアクリレート、二官能性ヘテロカゴ、またはその組合せである。前述のＰＯＳＳ部分のすべては、Ｈｙｂｒｉｄ  Ｐｌａｓｔｉｃｓ社から市販されている。固形物（粉末またはロウ）ではなく液体または油であるＰＯＳＳシルセスキオキサンは、ＭＡ０７１８、ＭＡ０７１９、ＭＡ０７３５、ＭＡ０７３６、ＥＰ０４０８、ＥＰ０４０９、ＥＰ０４２３、ＥＰ０４３５、およびＴＨ１５５５を含む。
【００５９】
支持相前駆体は、前駆体組成物の全重量に対して約２重量％〜約１５重量％、または約４．７重量％〜８．６重量％、約５．９重量％〜約６．３重量％、あるいは約２、２．５、３、３．５、４、４．５、５、５．５、６、６．５、７、７．５、８、８．５、９、９．５、１０、１０．５、１１、１１．５、１２、１２．５、１３、１３．５、１４、１４．５、もしくは約１５重量％未満、約２、２．５、３、３．５、４、４．５、５、５．５、６、６．５、７、７．５、８、８．５、９、９．５、１０、１０．５、１１、１１．５、１２、１２．５、１３、１３．５、１４、１４．５、もしくは約１５重量％、または約２、２．５、３、３．５、４、４．５、５、５．５、６、６．５、７、７．５、８、８．５、９、９．５、１０、１０．５、１１、１１．５、１２、１２．５、１３、１３．５、１４、１４．５、もしくは約１５重量％超の量で使用されることが可能である。
【００６０】
前駆体組成物は、前駆体組成物中に存在しているポリマーを分解し、支持相前駆体を活性化して、支持構造を形成するように特定波長の電磁放射線を選択的に吸収することができる光吸収性成分を含有してもよい。光吸収性組成物は、一般に１つまたは複数の周波数の電磁放射線を吸収して、第２のポリマーを分解するのに十分に温まり、一方で同時に支持相前駆体を反応させることができる金属ナノ粒子または金属酸化物ナノ粒子を含むことができる。一実施形態において、支持相前駆体は、光吸収性成分上または中に存在している反応性官能基と反応することもできる。
【００６１】
光吸収性成分は、金属粒子、炭素質粒子、電気伝導性金属酸化物ナノ粒子、金属ナノ粒子、またはその組合せを含むことができる。光吸収性成分は、反応すると、ナノ粒子に変換される金属粒子、炭素質粒子、電気伝導性金属酸化物ナノ粒子、金属ナノ粒子、またはその組合せの前駆体も含むことができる。反応は、照射熱または他の適当な反応によって誘導されることが可能である。
【００６２】
粒子は、ナノサイズまたはマイクロメートルサイズであり得る。粒子の形状には特に制限がなく、例えば、球状、不規則、フラクタル、板状またはウィスカー状でもよい。粒子は、ナノサイズまたはマイクロメートルサイズでもよい。ナノメートルサイズの粒子は、一般に１〜１００ナノメートルの平均粒径を有し、マイクロメートルサイズの粒子は、１０１ナノメートル超〜約５，０００ナノメートルの平均サイズを有する。一例において、粒子がナノ粒子であることが望ましい。本明細書で言及されている平均粒径は、粒子回転半径によって決まる。光吸収性ナノサイズ粒子の適当な例は、金属粒子、カーボンナノチューブ、グラフェンナノ粒子、カーボンブラック、フラーレン、バッキーボールなど、または前述のナノサイズ粒子の少なくとも１つを備える組合せである。
【００６３】
金属ナノ粒子または金属酸化物ナノ粒子は、光を吸収すると、熱を発生することができる光吸収性成分として使用されることが可能である。本明細書にさらに記載されるように、金属ナノ粒子または金属酸化物ナノ粒子は、光吸収がないときに触媒としても行動することができる。金属ナノ粒子または金属酸化物ナノ粒子のなかには、もっぱら熱生成物質または触媒として行動することができるものもあれば、触媒と熱生成物質の両方として行動することができるものもある。これらは、導電性金属または合金であり得、有機ポリマーに対して組み込み、それから完成品を製作する際に使用される条件下で溶融しないものである。アルミニウム、銅、マグネシウム、クロム、スズ、ニッケル、銀、鉄、チタン、金、白金、パラジウムおよびその混合物などの金属は、前駆体組成物に対して導電性充填剤として組み込まれることが可能である。ステンレス鋼、青銅など、物理的な混合物および真の合金は、光吸収性粒子としても機能することが可能である。
【００６４】
さらに、これらの金属のホウ化物、炭化物などいくつかの金属間化学化合物（例えば、二ホウ化チタン）は、光吸収性粒子としても機能することが可能である。酸化スズ、酸化インジウムスズなど固体の非金属性導電性充填剤粒子も、任意選択により添加されて、光を吸収することが可能である。固体の金属性および非金属性導電性充填剤は、粉末、引き出されたワイヤー、撚り糸、繊維、チューブ、ナノチューブ、薄片、積層体、血小板、楕円体、円盤、および他の市販の幾何形状体の形で存在することが可能である。
【００６５】
光吸収性成分は、様々な波長の電磁放射線を吸収して、熱を発生し、ポリマーを分解する。電磁放射線は、可視光、紫外線、マイクロ波放射線、赤外線、またはその組合せであってもよい。好ましい実施形態において、吸収された放射線は、電磁スペクトルの可視光領域に存在し得る。
【００６６】
光吸収性成分は、前駆体組成物の全重量に対して約２重量％〜約１０重量％、約３．５重量％〜約５．５重量％、約４．１重量％〜４．５重量％、あるいは約２、２．５、３、３．５、４、４．５、５、５．５、６、６．５、７、７．５、８、８．５、９、９．５、もしくは約１０重量％未満、約２、２．５、３、３．５、４、４．５、５、５．５、６、６．５、７、７．５、８、８．５、９、９．５、もしくは約１０重量％、または約２、２．５、３、３．５、４、４．５、５、５．５、６、６．５、７、７．５、８、８．５、９、９．５、もしくは約１０重量％超の量で使用されることが可能である。
【００６７】
前駆体組成物を含有する物品を製造する一方法において、前駆体組成物は、基材に塗布されて、前駆体層を形成することが可能である。前駆体組成物は、吹付彩色法、静電吹付彩色法、スピンキャスト法、ドクターブレード法、浸漬法など、またはその組合せにより基材に塗布されることが可能である。
【００６８】
次いで、前駆体層は高温を使用して乾燥される。高温は、放射線、伝導または対流を使用して達成されることが可能である。高温が使用されて、溶媒を除去し、望むなら、コポリマーの相分離を促進する。適当な高温は、前駆体組成物の成分に依存し、約５０℃〜約２００℃、約６０℃〜約１５０℃、約７０℃〜１４０℃、あるいは約５０、５５、６０、６５、７０、７５、８０、８５、９０、９５、１００、１０５、１１０、１１５、１２０、１２５、１３０、１３５、１４０、１４５、１５０、１５５、１６０、１６５、１７０、１７５、１８０、１８５、１９０、１９５、もしくは２００℃未満、約５０、５５、６０、６５、７０、７５、８０、８５、９０、９５、１００、１０５、１１０、１１５、１２０、１２５、１３０、１３５、１４０、１４５、１５０、１５５、１６０、１６５、１７０、１７５、１８０、１８５、１９０、１９５、もしくは２００℃、または約５０、５５、６０、６５、７０、７５、８０、８５、９０、９５、１００、１０５、１１０、１１５、１２０、１２５、１３０、１３５、１４０、１４５、１５０、１５５、１６０、１６５、１７０、１７５、１８０、１８５、１９０、１９５、もしくは２００℃超である。
【００６９】
相分離に続いて、前駆体層が配置されている基材は、所望の波長の電磁放射線にかけられて、前駆体組成物の加熱を促進する。前駆体組成物中の光吸収性成分は、光を吸収し、局部的に３００℃超、４００℃超、または４５０℃超の温度に温まる。この局部的な熱の発生は、第２のポリマー（前駆体層中に存在しているポリマー）の分解を促進するが、第１のポリマー（基材中に存在しているポリマー）には影響しない。基材中に存在しているポリマーは、入射放射線に対して透過性である。熱の発生は、階層構造を支持する多孔性骨格構造の形成を容易にする支持相における反応も促進する。階層構造は、炭素複合体とすることができる。炭素複合体は、炭素複合体多層構造を形成するための１層または複数層を含むことができる。炭素複合体は、無定形炭素マトリックスも含むことができる。いくつかの例において、炭素複合体は、炭素複合体多層構造または無定形炭素マトリックスの一方のみまたは両方を含むことができる。
【００７０】
いくつかの例において、炭素複合体多層構造の１層または複数層は、細長いプロファイルを有することができる黒鉛多層構造（例えば、シート）を形成するための個別の細長い黒鉛材料（グラフェン）層を含むことができる。例えば、炭素複合体多層構造の個別層は、ナノワイヤ、ナノチューブ、またはナノリボンとすることができる。黒鉛多層構造の個別層の幅は、約５ナノメートル〜約７０ナノメートル、約２０ナノメートル〜約５０ナノメートル、あるいは約５、１０、１５、２０、２５、３０、３５、４０、４５、５０、５５、６０、６５、もしくは７０ナノメートル未満、約５、１０、１５、２０、２５、３０、３５、４０、４５、５０、５５、６０、６５、もしくは７０ナノメートル、または約５、１０、１５、２０、２５、３０、３５、４０、４５、５０、５５、６０、６５、もしくは７０ナノメートル超に及び得る。
【００７１】
炭素複合体構造は、前駆体組成物を基材に配置する工程を含む方法により形成されることが可能である。前駆体組成物は、ポロゲン成分、炭素成分、および触媒成分を含む。前駆体組成物は、流体または固体の形をとることができる。前駆体組成物が基材上に配置された後、前駆体組成物は電磁放射線で照射される。照射すると、触媒は、炭素成分から黒鉛ナノワイヤ、ナノリボン、またはナノチューブを成長させる反応を触媒する。あるいは、前駆体組成物は、ナノヒーターとして行動して、炭素源を局部的に加熱して、無定形炭素マトリックスを形成することができる光吸収性種成分を含むことができる。
【００７２】
炭素複合体構造を形成するために、前駆体組成物は、炭素成分を含む。炭素成分は、黒鉛ナノワイヤ、ナノチューブ、またはナノワイヤの炭素源を提供する。炭素源は、無定形炭素マトリックスを成長させるための供給源でもあり得る。炭素成分は、前駆体組成物の約５重量％〜約５０重量％、約２０重量％〜約４０重量％、あるいは約２０、２５、３０、３５、４０、４５、もしくは５０重量％未満、約２０、２５、３０、３５、４０、４５、もしくは５０重量％、または約２０、２５、３０、３５、４０、４５、もしくは５０重量％超に及び得る。炭素成分は、１つまたは複数の炭素含有分子を含むことができる。適当な炭素含有分子の例としては、フェノールホルムアルデヒド樹脂（Ｒｅｓｏｌ）、グルコース、セルロース、４−ヒドロキシ安息香酸、およびその混合物が挙げられる。いくつかの例において、炭素成分は、黒砂糖、大麦糖、カラメル、庶糖、コーンシロップ、デンプン、糖蜜、糖蜜ラフィネート（糖廃棄物）、グルカン、ガラクタン、キシラン、および糖廃棄物の少なくとも１つを含む。いくつかの例において、炭素質材料は、粉末状活性炭、顆粒状活性炭、カーボンブラック、炭素繊維、炭素ハニカムもしくは板構造、エアロゲル炭素フィルム、熱分解チャー、または処理されなければならない煙道ガス流中のフライアッシュより大きい質量平均粒径を有する活性炭もしくは再生活性炭を含む。適当な炭素源の別の例としては、いずれか適当な個数の炭素原子を有する置換または非置換炭化水素、例えば置換もしくは非置換アルカン、アルケン、アルキン、またはその組合せ、例えば置換もしくは非置換（Ｃ１〜Ｃ４０）アルカン、（Ｃ１〜Ｃ４０）アルケン、（Ｃ１〜Ｃ４０）アルキン、（Ｃ４〜Ｃ４０）アリールまたはその混合物のいずれか１つまたは組合せが挙げられる。炭素成分は、固相、気相、または水性相とすることができる。要するに、炭素成分は、約４０重量％の炭素〜約９０重量％の炭素、約６０重量％の炭素〜約８０重量％の炭素、あるいは約４０、４５、５０、５５、６０、６５、７０、７５、８０、８５もしくは９０重量％未満の炭素、約４０、４５、５０、５５、６０、６５、７０、７５、８０、８５もしくは９０重量％の炭素、または約４０、４５、５０、５５、６０、６５、７０、７５、８０、８５もしくは９０重量％超の炭素を含むことができる。
【００７３】
いくつかの例において、前駆体組成物は、炭素複合体のドーパントとして行動することができる窒素源も含むことができる。窒素源の例としては、アミド（例えば、ジシアンジアミド）、アミン（例えば、グルコサミンまたはメラミン）、ピロール（例えば、ポリピロールまたは尿素）が挙げられる。窒素源は、存在する場合、約０．１重量％〜約３０重量％、約１重量％〜約１０重量％の範囲、あるいは約０．１、０．５、１、１．５、２、２．５、３、３．５、４、４．５、５、５．５、６、６．５、７、７．５、８、８．５、９、９．５、１０、１０．５、１０、１１．５、１２、１２．５、１３、１３．５、１４、１４．５、１５、１５．５、１６、１６．５、１７、１７．５、１８、１８．５、１９、１９．５、２０、２０．５、２１、２１．５、２２、２２．５、２３、２３．５、２４、２４．５、２５、２５．５、２６、２６．５、２７、２７．５、２８、２８．５、２９、２９．５、もしくは約３０重量％未満、約０．１、０．５、１、１．５、２、２．５、３、３．５、４、４．５、５、５．５、６、６．５、７、７．５、８、８．５、９、９．５、１０、１０．５、１０、１１．５、１２、１２．５、１３、１３．５、１４、１４．５、１５、１５．５、１６、１６．５、１７、１７．５、１８、１８．５、１９、１９．５、２０、２０．５、２１、２１．５、２２、２２．５、２３、２３．５、２４、２４．５、２５、２５．５、２６、２６．５、２７、２７．５、２８、２８．５、２９、２９．５、もしくは約３０重量％、または約０．１、０．５、１、１．５、２、２．５、３、３．５、４、４．５、５、５．５、６、６．５、７、７．５、８、８．５、９、９．５、１０、１０．５、１０、１１．５、１２、１２．５、１３、１３．５、１４、１４．５、１５、１５．５、１６、１６．５、１７、１７．５、１８、１８．５、１９、１９．５、２０、２０．５、２１、２１．５、２２、２２．５、２３、２３．５、２４、２４．５、２５、２５．５、２６、２６．５、２７、２７．５、２８、２８．５、２９、２９．５、もしくは約３０重量％超であり得る。
【００７４】
炭素複合体構造を形成するために、前駆体組成物は、触媒成分も含む。触媒成分は、炭素成分からの黒鉛ナノワイヤ、ナノチューブ、またはナノワイヤの形成を促進する。触媒成分は、前駆体組成物の約０．０１重量％〜約５０重量％、約１重量％〜約１５重量％、あるいは約０．０１、０．５、１、５、１０、１５、２０、２５、３０、３５、４０、４５、もしくは５０重量％未満、約０．０１、０．５、１、５、１０、１５、２０、２５、３０、３５、４０、４５、もしくは５０重量％、または約０．０１、０．５、１、５、１０、１５、２０、２５、３０、３５、４０、４５、もしくは５０重量％超に及び得る。触媒成分は、化学反応を通して行動することができ、または電磁放射線を吸収することによって熱を放出するナノヒーターとして行動することができる。ナノヒーターは、無定形炭素マトリックスを形成することができる。
【００７５】
触媒成分は、少なくとも１つの金属ナノ粒子または金属酸化物ナノ粒子を含む。少なくとも１つの金属ナノ粒子または金属酸化物ナノ粒子は、触媒成分の約５０重量％〜約１００重量％、約９０重量％〜約１００重量％、約５０、５５、６０、６５、７０、７５、８０、８５、９０、９５、もしくは１００重量％未満、約５０、５５、６０、６５、７０、７５、８０、８５、９０、９５、もしくは１００重量％、または約５０、５５、６０、６５、７０、７５、８０、８５、９０、９５、もしくは１００重量％超に及び得る。触媒成分の金属ナノ粒子または金属酸化物ナノ粒子は、約１〜約１００ナノメートル、約１〜約５０ナノメートル、約１、５、１０、１５、２０、２５、３０、３５、４０、４５、５０、５５、６０、６５、７０、７５、８０、８５、９０、９５、もしくは１００ナノメートル未満、約１、５、１０、１５、２０、２５、３０、３５、４０、４５、５０、５５、６０、６５、７０、７５、８０、８５、９０、９５、もしくは１００ナノメートル、または約１、５、１０、１５、２０、２５、３０、３５、４０、４５、５０、５５、６０、６５、７０、７５、８０、８５、９０、９５、もしくは１００ナノメートル超に及ぶサイズを有することができる。
【００７６】
金属ナノ粒子または金属酸化物ナノ粒子は、１つまたは複数の金属を含むことができる。適当な金属または金属酸化物の例としては、ケイ素、炭化ケイ素、鉄、酸化鉄、銅、ニッケル、パラジウム、白金、ルテニウム、ルビジウム、その合金、またはその混合物が挙げられる。酸化鉄の例としては、ＦｅＯ、Ｆｅ２Ｏ３、Ｆｅ３Ｏ４、Ｆｅ４Ｏ６、Ｆｅ５Ｏ７、Ｆｅ２５Ｏ３２、Ｆｅ１３Ｏ１９、Ｆｅ２Ｏ３、（Ｆｅ（ＯＨ）２）、および（Ｆｅ（ＯＨ）３）の少なくとも１つが挙げられる。
【００７７】
操作時に、炭素成分および触媒成分を含む前駆体組成物は、基材に被着されると、電磁放射線で照射される。触媒成分が金属酸化物であるいくつかの例において、照射によって、金属酸化物を金属に還元する。電磁放射線は、光源から供給されることが可能である。光源の適当な例は、キセノンフラッシュランプである。前駆体組成物は、一連のパルスによる光で照射されることが可能である。例えば、前駆体組成物は、１〜２０パルス、２〜１５パルス、または３〜６パルスで照射されることが可能である。各パルスは、約０．１ミリ秒〜約１５ミリ秒、約０．２５ミリ秒〜約０．５ミリ秒、約０．１、０．２５、０．５、１、１．５、２、２．５、３、３．５、４、４．５、５、５．５、６、６．５、７、７．５、８、８．５、９、９．５、１０、１０．５、１１、１１．５、１２、１２．５、１３、１３．５、１４、１４．５、もしくは１５ミリ秒未満、約０．１、０．２５、０．５、１、１．５、２、２．５、３、３．５、４、４．５、５、５．５、６、６．５、７、７．５、８、８．５、９、９．５、１０、１０．５、１１、１１．５、１２、１２．５、１３、１３．５、１４、１４．５、もしくは１５ミリ秒、または約０．１、０．２５、０．５、１、１．５、２、２．５、３、３．５、４、４．５、５、５．５、６、６．５、７、７．５、８、８．５、９、９．５、１０、１０．５、１１、１１．５、１２、１２．５、１３、１３．５、１４、１４．５、もしくは１５ミリ秒超持続することが可能である。各光パルスのエネルギーは、約５５００ｍＪ／ｃｍ２〜約７０００ｍＪ／ｃｍ２、約６０４２ｍＪ／ｃｍ２〜約６７８１ｍＪ／ｃｍ２、５５００、６０００、６５００、もしくは７０００ｍＪ／ｃｍ２未満、５５００、６０００、６５００、もしくは７０００ｍＪ／ｃｍ２、または５５００、６０００、６５００、もしくは７０００ｍＪ／ｃｍ２超に及び得る。
【００７８】
前駆体組成物の照射により、少なくとも炭素複合体多層構造の個別層を形成することができる。炭素複合体多層構造の個別層は、黒鉛ナノワイヤ、黒鉛ナノチューブ、および黒鉛ナノリボンの１つまたは複数を含む複合構造とすることができる。ナノワイヤ、ナノチューブ、またはナノリボンは、ナノ規模の幅を有することによって特徴付けられる。例えば、ナノワイヤ、ナノチューブ、またはナノリボンは、約５ナノメートル〜約５００ナノメートル、約２０ナノメートル〜約５０ナノメートル、約５、１０、１５、２０、２５、３０、３５、４０、４５、５０、５５、６０、６５、もしくは７０ナノメートル未満、約５、１０、１５、２０、２５、３０、３５、４０、４５、５０、５５、６０、６５、もしくは７０ナノメートル、または約５、１０、１５、２０、２５、３０、３５、４０、４５、５０、５５、６０、６５、もしくは７０ナノメートル超に及ぶ幅を有することができる。いくつかの例において、幅は１マイクロメートル（１ミクロン）以上であり得る。
【００７９】
ナノワイヤ、ナノチューブ、またはナノリボンは、照射すると触媒成分により炭素成分から成長される。ナノワイヤ、ナノチューブ、またはナノリボンの個別層が、相互に積み重ねられる。最終構造において、個別層の少なくとも一部は、触媒成分の金属ナノ粒子または金属酸化物ナノ粒子に少なくとも部分的に外接することができる。
【００８０】
炭素複合体構造は、無定形炭素マトリックスも含むことができる。無定形炭素マトリックスは、ナノ粒子が熱を放出するときいくつかの炭素源（例えば、Ｒｅｓｏｌ）の熱変換より形成されることが可能である。適当な温度において、Ｓｉのナノ粒子は、Ｒｅｓｏｌから無定形炭素マトリックスを生成するのに好都合であり得る。炭素複合体構造は、触媒成分からの残留ナノ粒子も含むことができる。
【００８１】
炭素複合体構造のいくつかの例において、ナノワイヤ、ナノチューブ、およびナノリボンと無定形炭素の混合物があり得る。しかし、別の例において、炭素複合体構造は、もっぱらナノリボン、ナノチューブ、ナノリボン、または無定形炭素を含むことができる。
【００８２】
炭素複合体構造は、異なる物品における異なる多くの使用に適応されることが可能である。例えば、炭素複合体構造は、アノードを形成することができる。アノードは、リチウムイオンバッテリーなどのバッテリーの一部分となり得る。アノードは、コンデンサー、またはセンサーなどの他の電子製品において使用されることも可能である。これらの例において、炭素複合体炭素多層構造は、成分の約０．０１重量％〜約５０重量％、約５重量％〜約６０重量％、あるいは０．０１、０．５、１、５、１０、１５、２０、２５、３０、３５、４０、４５、もしくは５０重量％未満、０．０１、０．５、１、５、１０、１５、２０、２５、３０、３５、４０、４５、もしくは５０重量％、または０．０１、０．５、１、５、１０、１５、２０、２５、３０、３５、４０、４５、もしくは５０重量％超に及び得る。炭素複合体構造は、導電性、絶縁性、または容量性の機能を有する公知のナノ粒子添加剤など追加の成分を含むことができる。
【００８３】
図１は、炭素複合体構造を含むバッテリー５０の断面図である。図１に示されているように、バッテリー５０は、アノード５２、セパレータ５４、およびカソード５６を含む。バッテリー５０は、アノード５２が搭載されている基材をさらに含むことができる。アノード５２は、適当な多くの形状およびデザインを有することができる。例えば、アノード５２は平坦とすることができる。あるいは、図１に示されているように、アノード５２、したがって炭素複合体構造は、パターン形成された構造を形成することができる。図１に示されているパターン形成された構造は、ｚ方向に伸びる複数の突起６０から形成されたパターンのアノード５２を示す。少なくとも２つの突起６０の間における個別の突起の幅Ｗは、実質的に同じであるようにカスタマイズ可能である。あるいは、少なくとも２つの突起間の幅は、互いに対して異なることが可能である。個別の突起６０の幅は、約９００ｎｍ〜約９００μｍ、約８００ｎｍ〜約１０μｍの範囲、あるいは約９００ｎｍ、８００ｎｍ、７００ｎｍ、６００ｎｍ、５００ｎｍ、４００ｎｍ、３００ｎｍ、２００ｎｍ、１００ｎｍ、１００μｍ、２００μｍ、３００μｍ、４００μｍ、５００μｍ、６００μｍ、７００μｍ、８００μｍ、もしくは約９００μｍ未満、約９００ｎｍ、８００ｎｍ、７００ｎｍ、６００ｎｍ、５００ｎｍ、４００ｎｍ、３００ｎｍ、２００ｎｍ、１００ｎｍ、１００μｍ、２００μｍ、３００μｍ、４００μｍ、５００μｍ、６００μｍ、７００μｍ、８００μｍ、もしくは約９００μｍ、または約９００ｎｍ、８００ｎｍ、７００ｎｍ、６００ｎｍ、５００ｎｍ、４００ｎｍ、３００ｎｍ、２００ｎｍ、１００ｎｍ、１００μｍ、２００μｍ、３００μｍ、４００μｍ、５００μｍ、６００μｍ、７００μｍ、８００μｍ、もしくは約９００μｍ超であり得るが、これらに限定されない。
【００８４】
突起の少なくとも１つのｙ方向の長さは、幅の約１．５倍〜約２０倍大きい範囲、幅の約５倍〜約１５倍大きい範囲であり得、あるいは幅の約１．５、２、２．５、３、３．５、４、４．５、５、５．５、６、６．５、７、７．５、８、８．５、９、９．５、１０、１０．５、１１、１１．５、１２、１２．５、１３、１３．５、１４、１４．５、１５、１５．５、１６、１６．５、１７、１７．５、１８、１８．５、１９、１９．５、もしくは約２０倍未満、約１．５、２、２．５、３、３．５、４、４．５、５、５．５、６、６．５、７、７．５、８、８．５、９、９．５、１０、１０．５、１１、１１．５、１２、１２．５、１３、１３．５、１４、１４．５、１５、１５．５、１６、１６．５、１７、１７．５、１８、１８．５、１９、１９．５、もしくは約２０倍、または約１．５、２、２．５、３、３．５、４、４．５、５、５．５、６、６．５、７、７．５、８、８．５、９、９．５、１０、１０．５、１１、１１．５、１２、１２．５、１３、１３．５、１４、１４．５、１５、１５．５、１６、１６．５、１７、１７．５、１８、１８．５、１９、１９．５、もしくは約２０倍超大きいことが可能である。
【００８５】
隣接している突起６０の間の距離またはピッチは、約２０００ｎｍ〜約５００μｍ、約１６００ｎｍ〜約１０μｍの範囲、あるいは約２０００ｎｍ、１９００ｎｍ、１８００ｎｍ、１７００ｎｍ、１６００ｎｍ、１５００ｎｍ、１４００ｎｍ、１３００ｎｍ、１２００ｎｍ、１１００ｎｍ、１０００ｎｍ、９００ｎｍ、８００ｎｍ、７００ｎｍ、６００ｎｍ、５００ｎｍ、４００ｎｍ、３００ｎｍ、２００ｎｍ、１００ｎｍ、１００μｍ、２００μｍ、３００μｍ、４００μｍ、もしくは約５００μｍ未満、約２０００ｎｍ、１９００ｎｍ、１８００ｎｍ、１７００ｎｍ、１６００ｎｍ、１５００ｎｍ、１４００ｎｍ、１３００ｎｍ、１２００ｎｍ、１１００ｎｍ、１０００ｎｍ、９００ｎｍ、８００ｎｍ、７００ｎｍ、６００ｎｍ、５００ｎｍ、４００ｎｍ、３００ｎｍ、２００ｎｍ、１００ｎｍ、１００μｍ、２００μｍ、３００μｍ、４００μｍ、もしくは約５００μｍ、または約２０００ｎｍ、１９００ｎｍ、１８００ｎｍ、１７００ｎｍ、１６００ｎｍ、１５００ｎｍ、１４００ｎｍ、１３００ｎｍ、１２００ｎｍ、１１００ｎｍ、１０００ｎｍ、９００ｎｍ、８００ｎｍ、７００ｎｍ、６００ｎｍ、５００ｎｍ、４００ｎｍ、３００ｎｍ、２００ｎｍ、１００ｎｍ、１００μｍ、２００μｍ、３００μｍ、４００μｍ、もしくは約５００μｍ超であり得る。
【００８６】
図１に示されているように、突起６０は、（ｚ方向から見て）正方形をしているプロファイルを有する。しかし、他の形状も可能である。例えば、突起６０のプロファイルは、円形、卵形とすることができ、または三角形、長方形、五角形、六角形、七角形、および八角形などの別の多角形形状とすることができる。
【００８７】
セパレータ５４は、アノード５２とカソード５６の間に配置されている。セパレータは、アノード５２の形状と大体一致しているように形作られる。セパレータ５４は、一般に誘電材料を含む。誘電材料は、ポリマー、マイクロ粒子、ナノ粒子、および結合剤の少なくとも１つを含むことができる。いくつかの例において、マイクロ粒子は、セパレータ５４の約３０重量％〜約１００重量％の範囲、セパレータ層の約９０重量％〜約１００重量％の範囲、あるいはセパレータ５４の約３０、３５、４０、４５、５０、５５、６０、６５、７０、７５、８０、８５、９０、９５、もしくは１００重量％未満、セパレータ５４の約３０、３５、４０、４５、５０、５５、６０、６５、７０、７５、８０、８５、９０、９５、もしくは１００重量％、またはセパレータ５４の約３０、３５、４０、４５、５０、５５、６０、６５、７０、７５、８０、８５、９０、９５、もしくは１００重量％超である。マイクロ粒子は、ポリメチル尿素、メラミンホルムアルデヒド樹脂、リチウムポリアクリレート、ポリアミド、ポリ（リチウム２−アクリルアミド−２−メチルプロパンスルホネート）、二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、擬ベーム石（ＡｌＯ（ＯＨ））、二酸化チタン（ＴｉＯ２）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、フッ化カリウム（ＫＦ）、フッ化リチウム（ＬｉＦ）、ゼオライトおよび炭酸カルシウム（ＣａＣＯ３）のマイクロ粒子から選択されることが可能である。さらに、いくつかの例において、ナノ粒子は、セパレータ５４の約３０重量％〜約１００重量％の範囲、セパレータ層の約９０重量％〜約１００重量％の範囲、あるいはセパレータ５４の約３０、３５、４０、４５、５０、５５、６０、６５、７０、７５、８０、８５、９０、９５、もしくは１００重量％未満、セパレータ５４の約３０、３５、４０、４５、５０、５５、６０、６５、７０、７５、８０、８５、９０、９５、もしくは１００重量％、または約３０、３５、４０、４５、５０、５５、６０、６５、７０、７５、８０、８５、９０、９５、もしくは１００重量％超である。ナノ粒子は、二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、擬ベーム石（ＡｌＯ（ＯＨ））、酸化ニオブ（Ｎｂ２Ｏ５）、酸化タンタル（Ｔａ２Ｏ５）、二酸化チタン（ＴｉＯ２）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）、二酸化スズ（ＳｎＯ２）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、フッ化カリウム（ＫＦ）、フッ化リチウム（ＬｉＦ）、メソ多孔性アルミノシリケート（Ａｌ２ＳｉＯ５）、メソ多孔性ニオブ−タンタル複合体酸化物およびメソ多孔性マグネシウム−タンタル複合体酸化物のナノ粒子から選択されることが可能である。結合剤は、セパレータ５４の約１０重量％〜約９０重量％の範囲、セパレータ層の約３０重量％〜約５０重量％の範囲、あるいはセパレータ５４の約１０、１５、２０、２５、３０、３５、４０、４５、５０、５５、６０、６５、７０、７５、８０、８５、もしくは約９０重量％未満、約１０、１５、２０、２５、３０、３５、４０、４５、５０、５５、６０、６５、７０、７５、８０、８５、もしくは約９０重量％、または約１０、１５、２０、２５、３０、３５、４０、４５、５０、５５、６０、６５、７０、７５、８０、８５、もしくは約９０重量％超であり得る。ポリマーは、誘電特性をもついずれか適当なポリマーから選択されることが可能である。その例としては、ポリエチレンオキシド、ポリアクリロニトリル、ポリシロキサンのホモポリマーおよびコポリマーを挙げることができる。
【００８８】
結合剤は、ポリビニルアルコール、カルボキシル基改変ポリビニルアルコール、ポリビニルピロリドン、ポリエチレンオキシド、ポリプロピレンオキシド、ポリフッ化ビニリデン、ポリフッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレンコポリマー、ポリアクリル酸、リチウムポリアクリレート、ポリ（メチルメタクリレート）、ポリ（ブチルアクリレート）、エチルヒドロキシエチルセルロース、スチレン−ブタジエン樹脂、カルボキシメチルセルロース、ポリイミド、ポリアクリロニトリル、ポリウレタン、エチル−ビニルアセテートコポリマーおよびポリエステルを含むことができる。
【００８９】
カソード５６が、セパレータ５４に配置されている。カソード５６は、一般にセパレータ５４のプロファイルと一致している。カソードは、酸化リチウムを含むことができる。酸化リチウムは、カソード５６の約５０重量％〜約１００重量％の範囲、約９０重量％〜約１００重量％の範囲、またはカソード５６の約５０、５５、６０、６５、７０、７５、８０、８５、９０、９５、もしくは１００重量％未満、約５０、５５、６０、６５、７０、７５、８０、８５、９０、９５、もしくは１００重量％、または約５０、５５、６０、６５、７０、７５、８０、８５、９０、９５、もしくは１００重量％超であり得る。酸化リチウムの例としては、酸化コバルトリチウム（ＬｉＣｏＯ２）、酸化ニッケルリチウム（ＬｉＮｉＯ２）、酸化マンガンリチウム（ＬｉＭｎ２Ｏ４）、およびオリビン型リン酸リチウム鉄（ＬｉＦｅＰＯ４）が挙げられるが、これらに限定されない。
【００９０】
バッテリー５０は、適当な多くの方法により形成されることが可能である。適当な方法の一例が、図２に示されている。図２は、バッテリー５０を形成する熱ナノインプリント方法を示す概略図である。図２に示されているように、方法７０は、操作７２を含む。操作７２において、少なくとも本明細書に記載されるポロゲン成分、炭素成分、触媒成分を含む前駆体組成物７３が、基材７４に被着される。鋳型７５は、前駆体組成物７３の上を覆って置かれ、降下される。鋳型７５は、アノード５２において突起６０を形成する複数の空洞７６で形作られている。空洞７６は、前駆体組成物７３と接触すると、そこに突起６０を形成する。
【００９１】
操作８０において、鋳型７５は、前駆体組成物７３上の正しい位置に保持される。次いで、鋳型７５および任意選択により基材７４は加熱されて、アノード５２を形成する。熱の適用により、本明細書に記載される炭素複合体マイクロ構造を形成することができる。操作８２において、鋳型７５は、十分に加熱した後に除去される。これにより、基材７４に形成された、突起６０を含むアノード５２が残る。操作８４で、アノード５３は、過剰の材料を除去するように任意選択により加工される。別の操作において、セパレータ５４は、アノード５４に被着され、カソード５６は、セパレータ５４に被着される。セパレータ５４は、化学蒸着などのいずれか適当な方法を使用して気相からアノード５３に被着またはコーティングされることが可能である。
【００９２】
代替の例において、セパレータ５４を、操作７２で前駆体組成物７３に被着させることが可能である。これにより、アノード５２およびセパレータ５４が同時に形成されることが可能になる。
【００９３】
図３は、バッテリー５０を形成する代替方法を示す。図３は、バッテリー５０を形成する電磁放射線ナノインプリント方法を示す概略図である。図３に示されているように、方法９０は、操作９２を含む。操作９２において、光架橋性であり、少なくとも本明細書に記載されるポロゲン成分、炭素成分、触媒成分を含む前駆体組成物７３Ａが、基材７４に被着される。鋳型７５Ａは、前駆体組成物７３Ａの上を覆って置かれ、降下される。鋳型７５Ａは、アノード５２において突起６０を形成する複数の空洞７６で形作られている。鋳型７５Ａは、実質的に透明である。空洞７６は、前駆体組成物７３Ａと接触すると、そこに突起６０を形成する。
【００９４】
操作９４において、鋳型７５は、前駆体組成物７３上の正しい位置に保持される。次いで、鋳型７５および任意選択により基材７４は、電磁放射線（例えば、紫外線）に曝露されて、アノード５２を形成する。電磁放射線の適用により、本明細書に記載される炭素複合体マイクロ構造を形成することができる。代替の例において、鋳型７５Ａは、電磁放射線への曝露と組み合わせて加熱されることが可能である。操作９６において、鋳型７５は、十分に加熱した後に除去される。これにより、基材７４に形成された、突起６０を含むアノード５２が残る。操作９８で、アノード５３は、過剰の材料を除去するように任意選択により加工される。別の操作において、セパレータ５４は、アノード５４に被着され、カソード５６は、セパレータ５４に被着される。
【００９５】
代替の例において、セパレータ５４を、操作９８で前駆体組成物７３Ａに被着させることが可能である。これにより、アノード５２およびセパレータ５４が同時に形成されることが可能になる。
【００９６】
（実施例）
本開示の様々な実施形態は、実例として提示されている以下の実施例を参照してよりよく理解されることが可能である。本開示は、本明細書に与えられている実施例に限定されない。
【００９７】
（実施例１）
ナノ多孔性材料の形成
機能性ナノ粒子（ＮＰ）を含む階層的ナノ多孔性ハイブリッド材料が、触媒作用、分離、感知、ならびにエネルギー貯蔵および変換を含めて様々な用途のために製作された。これらの材料内の細孔径は、低分子界面活性剤およびブロックコポリマー（ＢＣＰ）を含めて犠牲軟質テンプレートの自己アセンブリにより操作されることが可能である。
【００９８】
階層的大面積ナノ多孔性フィルムをフレキシブル基材に急速調製すると、軽量で携帯可能なデバイスの製作が可能になるだけでなく、ロール・ツー・ロール加工などの大規模製造方法を採用することによって、製作コストが低減する。この実施例において、光熱加工により市販のポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）基材にシリカ、炭素、および金の階層的ナノ多孔性ハイブリッドフィルムの急速で大面積の合成を実現する簡単な方法。光吸収性薄膜は、強力な局在表面プラズモン共鳴（ＬＳＰＲ）により光エネルギーを熱に変換するためのナノヒーターとしての金ＮＰ、メソ孔を創造するための犠牲（ポリノルボルネン−ｇｒａｆｔ−ポリ（スチレン））−ｂｌｏｃｋ−（ポリノルボルネン−ｇｒａｆｔ−ポリ（エチレンオキシド））（ＰＳ−ｂ−ＰＥＯ）ブラシＢＣＰ、および多孔性構造の骨格を形成するためのシリカ源として架橋された多面体オリゴマーシルセスキオキサン（ＰＯＳＳ）を含む。ＰＳ−ｂ−ＰＥＯブラシＢＣＰ（Ｍｎ＝１５８３ｋｇ／ｍｏｌ、ＰＤＩ＝１．０６、ｆＰＥＯ＝４８．４重量％）は、本発明者らの報告された合成手順に従って逐次開環メタセシス重合（ＲＯＭＰ）によって合成された。ＰＳおよびＰＥＯ側鎖の分子量はそれぞれ、３．５および２．０ｋｇ／ｍｏｌである。直径約２ｎｍの金ＮＰは、ＰＥＯドメインとの強力な水素結合相互作用を発揮する４−メルカプトフェノールでコーティングされた。ロッドコーティングおよび熱アニーリングを行って、ＮＰのより大きいサイズ（＞１０ｎｍ）への熟成が可能になり、かつＰＯＳＳの架橋を開始することによって、薄膜が大面積にわたって調製された。５４３ｎｍの強力なＬＳＰＲピークが、アニーリング後に観察され、その後の光熱加工のためにフィルムの高光吸収効率を提供する。比較のために、小さいＮＰ（２ｎｍ）を含有するアニーリングされていない試料では、明らかなＬＳＰＲが同定されることは可能でない。ＰＯＳＳカゴの架橋は、加熱するとＰＯＳＳにおいてカルボン酸と第二級アミン基の間でイミドが形成されることにより達成され、フーリエ変換赤外分光法（ＦＴＩＲ）によって検証された。球状様形態が、溶媒蒸発時において球として出現するＰＳおよびマトリックスとしての金ＮＰ／ＰＯＳＳに組み込まれているＰＥＯドメインとの自己アセンブリにより形成された。これは、アニーリングされた試料からの薄切片のＸ線小角散乱（ＳＡＸＳ）、電界放射型走査電子顕微鏡検査（ＦＥＳＥＭ）、および断面透過電子顕微鏡検査（ＴＥＭ）により確認された。未染色試料のＰＳおよびＰＥＯは同様の電子密度を有するので、ＴＥＭ画像で観察されるコントラストは、もっぱらＰＥＯドメインに存在する金ＮＰおよびＰＯＳＳが原因である。球状構造のドメイン間隔は、ＳＡＸＳによって決定して約８４ｎｍである。よく画定された多孔性構造を創造するために、ＢＣＰテンプレートが除去され、架橋されたＰＯＳＳマトリックスは、加熱するとシリカに酸化される。
【００９９】
光熱加工では、発光は、２００〜１０００ｎｍの広い波長範囲で４００と５００ｎｍの間のピーク強度である。光強度は、電圧および／またはパルス継続時間の変化により精密に調節可能である。最適な方法は、同じパルスを継続０．３ミリ秒で３回反復する工程を含む。光熱加工を行わない対照試料ならびにそれぞれ異なるパルスエネルギー１７８５、１８３７および１８９１ｍＪ／ｃｍ２を使用して得られた試料１〜３を含む代表的な４つの試料のＦＴＩＲスペクトル。１８００〜１２００ｃｍ−１の範囲の複数の吸収ピークは、有機成分に帰属されるものであり、パルスエネルギーの増加とともに次第に消失される。有機物の除去は、Ｃ−Ｈ伸縮に対応する３１００〜２８００ｃｍ−１の範囲におけるピークが欠落していることによっても確認された。パルスエネルギーが増加するにつれて、Ｏ−Ｓｉ−Ｏ伸縮ピークのブルーシフトが観察され、ＰＯＳＳカゴの開口および網目様シリカ構造への酸化を指摘する。対照的に、同じパルスエネルギーを使用するキセノンフラッシュランプに曝露された金を含まない試料については、ＦＴＩＲの明白な変化もＦＥＳＥＭ画像のナノ多孔性構造の証拠も観察されず、金ＮＰが光エネルギーを熱に変換し、ナノ多孔性構造の創造を可能にしたことを示唆している。ＰＯＳＳの酸化は、Ｘ線光電子分光法（ＸＰＳ）に従って対照試料と試料３の間のケイ素（Ｓｉ）の２ｐ軌道の結合エネルギーのわずかな変化（１０２．２対１０３．０ｅＶ）によってさらに確認された。一般に、パルスエネルギーの増加とともにシリカ（１１．２対３７．３重量％）、炭素（０対１８．０重量％）および金ＮＰ（２３．３対４３．０重量％）の重量百分率が有意に増加し、有機残渣は６５．５重量％から１．７０重量％へと著しく減少したことが観察され、本発明者らの合成法の効率が高いことを指摘した。パルスエネルギーを１８３７から１８９１ｍＪ／ｃｍ２に変化させるとき、シリカ重量百分率の異常な増加が観察されたことは特筆に値する。これは、空気中においてより高い光強度で酸化された多数のＰＯＳＳカゴによってうまく説明されることが可能であり、ＦＴＩＲにおいて観察されたＯ−Ｓｉ−Ｏ伸縮ピークの明白なブルーシフトおよびＸＰＳデータと一致する。これは、金重量百分率が４６．７から４３．０重量％に減少した理由でもある。ＰＯＳＳカゴの効率的な酸化は、良好な機械的特性を有する多孔性ハイブリッド材料の創造を可能にする。さらに、高濃度の金ＮＰを含有するハイブリッド材料は、強力なＬＳＰＲを発揮し、感知を含めて多くの潜在的な用途にとって有用である。光熱処理後の試料については、ＬＳＰＲピークのブルーシフトが観察され、金ＮＰの周囲の化学的環境（有機物対空気／シリカ／炭素）に対する感度が高いことを指摘し、センサー用途に有望である。
【０１００】
試料１〜３の多孔性構造は、ＦＥＳＥＭおよびＴＥＭによって特徴付けられた。細孔径は、ＩｍａｇｅＪを使用して、４００超の細孔の画像分析により得られた。約４４〜４８ｎｍに及ぶ十分に制御された均一な細孔が、約ミリ秒規模の急速光熱加工時において得られたハイブリッドコーティングの表面に形成された。比較のために、ランダムな多孔性構造は、テンプレートとしてＰＥＯホモポリマーを使用して、調製された試料中で観察され、ナノ多孔性構造が、自己アセンブリされたＢＣＰナノ複合体の球状様形態を複製することにより形成されたことを示唆している。興味深いことに、５０ｎｍ超のマクロ孔が相互接続している泡状様多孔性構造が、断面ＦＥＳＥＭ顕微鏡写真によって指摘された試料３の表面下で観察された。これは、おそらく光熱加工時における気体生成物の急速な発散に起因する。同様の多孔性構造は、大量の気体が遊離された表面における一部の小亀裂区域でも観察された。比較のために、試料１および２では、フィルム表面下の材料は多孔性でない。さらに、表面細孔と以下のマクロ孔の間の接続は、高倍率のＦＥＳＥＭ顕微鏡写真で明確に見られることが可能である。高負荷の金ＮＰ（４３．０重量％）は、凝集することなく多孔性構造の骨格に十分に分散されている。得られた大きな表面細孔を有する多孔性階層構造は、分離または感知用途のために生体大分子の浸透を促進することが可能である。
【０１０１】
ＴＥＭのためのエネルギー分散型Ｘ線分光分析（ＥＤＳ）が、試料３の多孔性構造の元素分布をさらに検証するのに使用された。ＴＥＭは、金ＮＰが画像の明領域として出現するＥＤＳマッピングのための面積の高角環状暗視野走査ＴＥＭ（ＨＡＡＤＦ−ＳＴＥＭ）顕微鏡写真を示す。ケイ素（Ｓｉ）、酸素（Ｏ）、炭素（Ｃ）、および金（Ａｕ）は、ＸＰＳ結果と一致していることがＥＤＳスペクトルで確認される。独特な物理的特性を有するハイブリッドに至る経路を提供する多孔性フィルムにおけるすべての元素の均一分布が観察された。
【０１０２】
要するに、実施例１は、急速な光熱加工によって大面積ナノ多孔性ハイブリッドフィルムをフレキシブル基材に合成する確固とした戦略を提供する。この方法により、ポリマー基材を損傷することなく、トップコーティングのみの選択的加熱が可能になる。レーザー書き込みと比べて、この技法は、大面積フィルムを作製することに大きな利点があり、ロール・ツー・ロール製造と両立可能である。さらに、表面上の大きいメソ孔および真下の泡状様マクロ孔を有する多孔性階層構造は、１ミリ秒未満の短時間で創造された。独特な多孔性構造に高濃度の金ＮＰを含有するハイブリッドフィルムは、センサーおよび触媒用途に適用されることが可能である。この戦略は、超コンデンサー、センサー、濾過、および触媒用途を含めて多くの適用のための高表面積およびよく制御された細孔径を有する広範囲の機能性添加剤を含有する様々な多孔性ハイブリッドフィルムの合成に移転されることが可能である。
【０１０３】
（実施例２）
黒鉛層の形成
メソ多孔性炭素またはそのハイブリッド材料は、高比表面積、よく調節された細孔径、高伝導率および化学安定性を含めて魅力のある多くの特色を発揮し、分離、触媒作用、感知、およびエネルギー貯蔵における様々な重要な用途にとって興味の対象となり得る。ブロックコポリマー（ＢＣＰ）および低分子界面活性剤は、犠牲テンプレートとして使用されて、調節可能な形態、細孔径、および多孔度を有するメソ多孔性構造を発生することが可能である。得られたナノ多孔性構造は、リチウムイオンバッテリーの容量などのデバイス性能を大いに改善することができる貴金属または金属酸化物ナノ粒子（ＮＰ）を含めて様々な機能性材料のための魅力のある支持体である。
【０１０４】
メソ多孔性炭素またはハイブリッドの構築体では、厚さ数マイクロメートル〜何十マイクロメートルの膜は、光学、電子、電気化学、および感知デバイスにおける実用にとって大きな重要性をもつ。メソ多孔性炭素の調製方法は、不活性雰囲気中、高温（＞８００℃）で数時間の炭化および黒鉛化を必要とすることがあり得る。厳しい条件は、ロール・ツー・ロール加工による工業規模製作に対して重大な課題になり得る。多孔性炭素をシリコンウェハに合成するのにレーザービーム書き込みが採用されており、基材は光エネルギーを吸収し、トップフィルムを加熱して、炭化を可能にする。しかし、フィルムをある程度黒鉛化するのに、ファーネス中でのさらなる加熱が必要とされることがあり得、この方法が使用されて、炭素膜を低温基材に製作することはあり得ない。ＣＯ２赤外レーザーを使用してポリイミドを加熱することによって、多孔性グラフェンフィルムを生成およびパターニングする一工程手法が報告されているが、得られた炭素のメソ多孔性構造は制御されておらず、数種のポリマー材料だけが光を効率的に吸収して、炭化することができる。どちらの場合も、機能性添加剤が多孔性構造内に組み込まれて、多孔性炭素の有用性をかなり拡大することはあり得ない。さらに、ビームサイズが限定されているので、レーザーを使用したメソ多孔性膜の急速で大面積の調製を実現することは、依然としてやりがいのあることである。
【０１０５】
この実施例において、キセノンフラッシュランプからのサブミリ秒の光パルスを介した急速な光熱加工により、大面積多孔性シリカが調製されることが可能であることが実証される。しかし、得られた材料は導電性でなく、リチウムイオンバッテリーなどの現実の用途における電極として使用されることはあり得ない。この実施例はポリマーおよび金または鉄／酸化鉄を含有する金属基材上の大面積メソ多孔性ハイブリッド炭素膜は、光熱加工方法を使用して容易に製作されることが可能であるを説明する。
【０１０６】
この製作スキームは、穏やかな条件での光吸収性フィルムの選択的炭化が可能になり、ロール・ツー・ロール製造など工業規模の加工方法と両立可能である。有利なことには、高密度黒鉛ナノワイヤは、おそらく鉄ＮＰをナノワイヤ成長のための触媒として用いる急速加熱方法において創造されることが可能である。鉄ＮＰは、異なる光熱処理に応じて、酸化鉄ＮＰを加熱の初期段階で還元することによって生成され、次いで最終生成物中において酸化鉄に酸化されることが可能である。得られたハイブリッド材料は、メソ多孔性構造の高表面積、酸化鉄ＮＰの寄与による高エネルギー密度、黒鉛ナノワイヤに由来する高伝導率、ならびにフィルムの良好な完全性（結合剤不含）、および無定形炭素マトリックスによって提供される良好な機械的特性を含めて魅力のあるいくつかの特色のため、リチウムイオンバッテリー用のアノードとすることができる。
【０１０７】
（ポリノルボルネン−ｇｒａｆｔ−ポリ（スチレン））−ｂｌｏｃｋ−（ポリノルボルネン−ｇｒａｆｔ−ポリ（エチレンオキシド））（ＰＳ−ｂ−ＰＥＯ）ブラシＢＣＰは、よく制御された細孔を急速自己アセンブリにより創造するためのテンプレートとして使用される。金系では、４−メルカプトフェノールでコーティングされたＮＰ（約２ｎｍ）とレゾールは両方とも、水素結合相互作用によって駆り立てられて、ＰＥＯドメイン内に選択的に組み込まれ、球としてのＰＳをおよびマトリックスとしてのＰＥＯ／金／レゾールを有する球状形態をもたらす。ｂｃｃ球状形態は、Ｘ線小角散乱（ＳＡＸＳ）によって検証され、ドメイン間隔は約７９ｎｍ（ｄ＝２π／ｑ）である。試料の透過型電子顕微鏡検査（ＴＥＭ）により、金ＮＰがナノ複合体フィルム内によく分散されていることが確認された。アニーリングされた試料の吸収スペクトルで、金ＮＰの６１０ｎｍにおける強力な局在プラズモン共鳴（ＬＳＰＲ）が観察され、その後の光熱加工時において効率的な光吸収が可能になる。光熱処理より前に、空気中での熱分解を開示するのに熱重量分析が採用され、混合物中に約２４重量％の金が存在することを指摘する。光エネルギー密度は、電圧および／またはパルス継続時間の変化により精密に調節可能である。ＩＴＯ−ＰＥＴ上のフィルムに関する最適な実験では、パルス継続時間は０．３ミリ秒に固定され、光強度は単に印加電圧を変化するだけで調節された。この方法は、同じ光パルスを１秒の時間間隔で３回反復する工程を含む。
【０１０８】
エネルギー密度１５８２ｍＪ／ｃｍ２の光パルスを使用する光熱処理の前後の試料のフーリエ変換赤外（ＦＴＩＲ）スペクトルは、有機成分に帰属された吸収ピークはすべて、光熱加工後に存在しないことを示し、ほぼ完全な炭化が１ミリ秒未満の加熱期間で達成されたことを指摘する。得られた炭素試料のラマンスペクトルは、Ｄ（１３０６ｃｍ−１）およびＧ（１５６９ｃｍ−１）ピークが重なり合っていることを示し、ファーネス炭化を使用して調製された無定形炭素のラマンスペクトルと同様である。これは、高分解能ＴＥＭおよびＸ線回折（ＸＲＤ）スペクトルによってさらに確認された。電界放射型走査電子顕微鏡検査は、金ＮＰまたはクラスターが明領域として出現する炭素膜の表面積に形成された均一なメソ孔を示した。細孔径は、ＩｍａｇｅＪを使用する画像分析に従って約４１ｎｍであり、線状ＢＣＰを使用して調製されたメソ多孔性材料の細孔径より著しく大きい。当然、細孔径および形状は、ＢＣＰナノ複合体の組成を調整することによって調節されることが可能である。断面ＳＥＭは、前駆体組成物の球状形態を複製することによって炭素膜の内部のよく制御された多孔性構造を示す。高負荷のよく分散された金ＮＰを含有するメソ多孔性構造は、ＴＥＭによってさらに特徴付けられた。さらに、エネルギー分散型Ｘ線分光分析（ＥＤＳ）を使用して、メソ多孔性構造における元素組成（金約５３重量％）および分布をさらに検証した。
【０１０９】
金属表面上のメソ多孔性炭素膜は、超コンデンサー、バッテリー、およびセンサーのための結合剤不含電極として使用されることが可能であり、金属基材が集電体として機能する。光熱加工によるメソ多孔性炭素／金膜の急速な創造を実証するのに、アルミニウム箔を第一に選んだ。６０４２〜６７８１ｍＪ／ｃｍ２の異なるエネルギーの光パルスの６回反復が、炭素膜を調製するために使用された。炭素含有量は、まず増加し、次いで減少し、６３３１ｍＪ／ｃｍ２の光エネルギーで得られた試料において炭素の最高百分率は９８．５％であり、最低の酸素レベルは１．４５％である。シート抵抗は、光強度が６０４２から６７８１ｍＪ／ｃｍ２へと増加するとともに６７．１から１６．７ｋΩへと著しく減少する。６４７８ｍＪ／ｃｍ２の光エネルギー密度で調製された試料のＳＥＭ顕微鏡写真は、アルミニウム表面で得られた厚さ３μｍまでの大面積の炭素膜を示す。興味深い多孔性階層構造が、断面ＳＥＭにより検証された。表面積は、平均細孔径約３１ｎｍの均一なメソ多孔性サブ層の上にある厚さ約３００ｎｍの泡状様層を示す。
【０１１０】
光熱方法の一般性および規模適応性を探求するために、金は、炭化のためのナノヒーターとして低コストの鉄／酸化鉄ＮＰ（約７ｎｍ）で置き換えられた。光熱加工系のためのシミュレーションソフトウエアのＳｉｍＰｕｌｓｅは、強力な光パルスで処理されるとき異なる材料によって到達されることが可能である温度に関して短時間の評価を可能にする。酸化鉄は、金の温度よりはるかに高い温度を達成することがわかった。さらに、酸化鉄は、リチウムイオンバッテリー用のアノードとして使用されるとき高い理論エネルギー密度（約１０００ｍＡ時／ｇ）を発揮する。前駆体組成物は、ニッケル箔に調製された。金系と同様に、４−ヒドロキシ安息香酸（ＨＢＡ）でコーティングされた鉄／酸化鉄ＮＰは、水素結合によりＰＳ−ｂ−ＰＥＯ  ＢＣＰのＰＥＯドメイン内に選択的に組み込まれる。前駆体組成物の断面ＳＥＭにおいて、球状形態が観察された。ＴＧＡは、約２４重量％の酸化鉄が残されている、前駆体の多工程の分解を指摘する。６５７２ｍＪ／ｃｍ２のエネルギーの光パルスが、最適な光熱処理のために選択された。異なる炭化段階を開示するのに異なる反復回数（４、８、１２回）の光処理が使用された。
【０１１１】
ＦＴＩＲスペクトルは、４回反復で処理された試料において不完全な炭化を指摘し、より多くの反復回数（８および１２回）によって完全な炭化が達成されることが可能である。シート抵抗は、パルスが増加すると１８０から０．２９ｋΩに著しく減少し、効率的な炭化が急速な光熱加熱時において達成されたことを指摘する。
【０１１２】
酸化鉄（γ−Ｆｅ２Ｏ３）は、Ｘ線回折（ＸＲＤ）を使用して確認された。ＳＥＭは、上面の泡状様構造およびＢＣＰ形態から生じた真下のよく画定された多孔性構造を示した。図４に示されているように、網目様炭素ナノワイヤは、鉄／酸化鉄ＮＰで装飾されたＴＥＭにおいて明白であり、ＳＥＭに観察されたワイヤー様の特色と一致している。図５に示されているように、高分解能ＴＥＭは、ナノワイヤにおいてよく秩序だった黒鉛構造を示し、格子間隔が０．３２ｎｍであり、完全充填グラフェンシート間の層間隔（０．３３ｎｍ）に非常に近い。黒鉛ナノワイヤは、鉄ＮＰからのカーボンナノチューブ成長の機構と同様であるミリ秒加熱方法において鉄ＮＰを触媒として用いて、おそらく発生される。図６は、単層〜１０層超のグラフェンからなるＮＰの周囲の高密度炭素ワイヤーを示す。この作業における光熱方法は、リチウムイオンバッテリーを含む多くの重要な用途のための黒鉛炭素材料の急速で規模適応性のある低コストな製造への簡単な経路を提供する。
【０１１３】
ハイブリッドメソ多孔性炭素フィルムは、リチウムイオンバッテリー用のアノードとして試験される。８００ｍＡ時／ｇを超える超高エネルギー密度が、１サイクル目の放電では７０ｍＡ／ｇの電流密度で観察され、アノードの高表面積および結合剤不含アノード内における効率的なリチウムイオン輸送を示唆する。初期の定電流サイクリング試験により、報告された最高の数値の１つである約９４８ｍＡ時／ｇという高比容量のアノードの安定な性能が確認された。比較のために、メソ多孔性炭素のいくつかの調製方法は、不活性雰囲気中、高温（＞８００℃）で数時間の炭化および黒鉛化を必要とすることがあり得る。厳しい条件は、ロール・ツー・ロール加工による工業規模製作に対して重大な課題になる。典型的には、従来の方法を使用して調製されたグラファイト粉末は、リチウムイオンバッテリー用の金属表面にコーティングを調製するためにポリマー結合剤と混合される必要がある。しかし、ポリマー結合剤は、膜伝導率を減少し、リチウム輸送用の多孔性経路を遮断することができる。ここで報告された方法は、リチウムイオンバッテリー用の高性能アノードハイブリッド材料の工業規模生成への費用効果が高い経路を提供する。
【０１１４】
材料は、リチウムイオンバッテリー用のアノードとして試験された。０．８Ｖ（対Ｌｉ／Ｌｉ＋）における別個のリチオ化プラトーが実証され、酸化鉄の反応性が良好であったことを指摘した。２００ｍＡ／ｇの電流下において、複合体電極は、１回目の放電で１５５０ｍＡ時／ｇという高い比容量を発揮した。図７に示されているように、この高容量は比較的低いクーロン効率と一緒に、多孔性複合体の高表面積および界面において得られた寄生不可逆反応を指摘した。これらの反応は、固体電解質界面（ＳＥＩ）形成、およびことによると炭素マトリックスの反応のような腐食を含む。複合体電極の容量は、初期の４〜５サイクルのリチオ化／脱リチオ化の後すぐに安定化し、炭素／フェライトベースの電極について報告された容量すべてのうちで最高値の１つである約９００ｍＡ時／ｇの比容量を発生した。観察された粒子に巻きつけられた黒鉛炭素層は、酸化鉄の体積変化に適合し、粒子が無定形炭素マトリックスに対して接続されたままでいるのを助けるようにフレキシブルなカゴとして機能する。電流密度が３００ｍＡ／ｇおよび４００ｍＡ／ｇに増加すると、電極は、６００ｍＡ時／ｇおよび４５０ｍＡ時／ｇの容量を実証した。大規模に生成されることが可能である他の電極材料、例えばグラファイトと比較して、実際の試験において炭素／鉄／酸化鉄複合体の容量は、グラファイトの理論容量（３７０ｍＡ時／ｇ）をはるかに超える。本明細書に記載される方法および材料は、リチウムイオンバッテリーおよび他のバッテリー用の高性能で結合剤不含のアノードの工業規模生成への有効な経路を提供する。
【０１１５】
（実施例３）
パターン形成されたアノードを有するバッテリーの形成
市販のＦｅＯｘナノ粒子水分散体（粒径３０〜１００ｎｍ、２０重量％、Ｓｉｇｍａ  Ａｌｄｒｉｃｈ社）は、ジメチルホルムアミド（ＤＭＦ）分散体に交換された第１の溶媒であった。ＤＭＦおよび元の分散体は、１：１の体積比で混合された。次いで、混合物は、窒素流下に一晩置かれて、水蒸発を可能にした。交換された分散体は、ＤＭＦ中おおよそ２０重量％のＦｅＯｘであった。市販の（酸触媒）ノボラックフェノール樹脂およびプルロニック１２７界面活性剤は、別々にＤＭＦに溶解されて、約１００ｍｇ／ｍｌの固体濃度に達した。ＦｅＯｘ／炭素前駆体インクは、ＦｅＯｘ：フェノール樹脂：プルロニック１２７＝５：１：１の重量比で３つの要素を混合するだけで調製された。混合物は、直ちに浴中に浸され、超音波処理され、３０分間スターバー混合された。
【０１１６】
ガラス基材は、脱イオン水で清浄され、窒素流中で乾燥された。酸化鉄、フェノール樹脂、プルロニック１２７およびフマル酸ジメチル（質量比５：１：１：４５）を含む前駆体混合物は、相対湿度４％のグローブボックス中でガラス基材に対してスピンコーティング（８００ｒｐｍ、３０秒）された。別の例において、前駆体混合物は、溶媒を含まず、酸化鉄、フェノール樹脂、およびプルロニック１２７（質量比５：１：１）を含むことが可能である。次いで、ポリ（ジメチルシロキサン）（ＰＤＭＳ）スタンプで形成された鋳型が、フィルム上に置かれた。鋳型上の標的とされるインプリント寸法は、幅２μｍ、高さ４μｍおよびピッチ１０μｍの一連のラインパターンであった。ホットプレートで６０℃にて短時間加熱した後、ＰＤＭＳスタンプは、剥ぎ取られ、インプリントは、オーブンに移され、１２０℃でもう１時間焼かれて、フェノール樹脂の架橋が可能になった。
【０１１７】
前駆体混合物が、光硬化されることが可能である場合、鋳型は透明であり、光熱加工は、Ｎｏｖａｃｅｎｔｒｉｘ  Ｐｕｌｓｅ  Ｆｏｒｇｅ  １３００フォトニック硬化システムで実施される。パルス継続時間は、０．６ミリ秒に固定され、５００Ｖの電圧が加えられ、４８００ｍＪ／ｃｍ２の最適な光エネルギーをもたらした。この方法は、同じ光パルスを１秒の時間間隔で３回反復する工程を含むものであった。
【０１１８】
（実施例４）
アノードおよびセパレータ二重層の形成
市販のＦｅＯｘナノ粒子水分散体（粒径３０〜１００ｎｍ、２０重量％、Ｓｉｇｍａ  Ａｌｄｒｉｃｈ社）は、ジメチルホルムアミド（ＤＭＦ）分散体に交換された第１の溶媒であった。これをするために、ＤＭＦおよび元の分散体は、１：１の体積比で混合される。次いで、混合物は、窒素流下に一晩置かれて、水蒸発を可能にした。交換された分散体は、ＤＭＦ中おおよそ２０重量％のＦｅＯｘである。市販の（酸触媒）ノボラックフェノール樹脂およびプルロニック１２７界面活性剤は、別々にＤＭＦに溶解されて、約１００ｍｇ／ｍｌの固体濃度に達する。ＦｅＯｘ／炭素前駆体インクは、３つの要素を一緒に混合することによって調製された。一実証において、ＦｅＯｘ：フェノール樹脂：プルロニック１２７の重量比は、５：１：１である。混合物は、直ちに浴中超音波処理され、３０分間スターバー混合された。
【０１１９】
あるいは、アルカリ触媒フェノール樹脂（レゾールフェノール樹脂）が使用された場合、すべての要素は、水／エタノールに溶解された。調製は、実施例３に記載されているのと同じ手順に従う。ＦｅＯｘ水分散体は、受け取ったままの状態で使用されることが可能である。
【０１２０】
セパレータ層は、Ｅｖｏｎｉｋ  Ｃｏｒｐ．社から供給される表面積が１７５〜２２５ｍ２／ｇの親水性ヒュームドシリカであるＡｅｒｏｓｉｌ  ２００を含み、高せん断で水に分散された。インプリンティングに適したチキソトロープレオロジーを有する２〜８％の清澄で均一な分散体が得られる。この層は、Ｐｕｌｓｅ  Ｆｏｒｇｅ  １３００の光スペクトルに対してもほとんど透過性である。
【０１２１】
二重層インプリンティングは、前駆体フィルムをインジウム／酸化スズ（ＩＴＯ）コーティングガラスにスピンコーティングする工程を含むものであった。流延されたままの前駆体フィルムは、６０℃のホットプレート上に５分間置かれる。加熱すると、インクの固体濃度は、溶媒が蒸発するにつれて増加した。これによって、インク粘度の急速な増加が起こった。その後、複合体電解質は、アニーリングされたフィルムに対して流延された。二重層フィルムは、プレート上でもう５分加熱されて、上方層を濃縮する。次いで、フィルムをＮａｎｏｎｅｘインプリンティングシステムに移し込み、高弾性鋳型（ｈ−ＰＤＭＳまたはＰＴＦＥ）は、二重層フィルム上に置かれた。インプリンティングは、加圧下に１１０℃で５分間保持され、次に鋳型からの取り出しが行われた。あるいは、または鋳型を加熱することに加えて、二重層が、光熱加工された。
【０１２２】
光熱加工は、Ｎｏｖａｃｅｎｔｒｉｘ  Ｐｕｌｓｅ  Ｆｏｒｇｅ  １３００フォトニック硬化システムで実施された。光強度は、印加電圧および／またはパルス継続時間を変化することによって調節された。一実証において、パルス継続時間は、０．６ミリ秒に固定され、５００Ｖの電圧が加えられ、４８００ｍＪ／ｃｍ２の最適な光エネルギーをもたらした。この方法は、同じ光パルスを１秒の時間間隔で３回反復する工程を含むものであった。エネルギーが低下すると、生成物中の大量の有機残渣につながり、エネルギーが増加すると、インプリンティングされたパターンを破壊する可能性がある。
【０１２３】
アノードセパレータ二重層が、バッテリーをアセンブリするのに使用された。バッテリーをアセンブリするために、ＮＭＰ中で市販のＬｉＣｏＯ２、カーボンブラックおよびＰＶＤＦ結合剤を８：１：１の比で混合し、次に浴中超音波処理を行うことによって、対向電極（カソード）スラリーが調製された。スラリーは、流延され、二重層構造構に平坦化された。これによって、櫛型カソード／アノードアレイが形成された。次いで、アルミニウム集電体が、ＬｉＣｏＯ２カソードに対してスパッタリングされた。フルセルの定電流充電／放電が、市販のポテンシオスタット（Ｍａｃｃｏｒ  ４３０４）によって試験された。エチレンカーボネート（ＥＣ）／ジメチルカーボネート（ＤＭＣ）混合物溶媒（１／１（体積））中過塩素酸リチウム（ＬｉＣｌＯ４）またはヘキサフルオロリン酸リチウム（ＬｉＰＦ６）が、液体電解質として使用された。０．１Ｃ〜１０Ｃにおける容量が測定された。
【０１２４】
採用されてきた用語および表現は、記載の用語として使用されるのであって、限定の用語として使用されるのではなく、そのような用語および表現の使用において、示され、記載された特色またはその一部のいずれか均等物を排除する意図はなく、様々な改変が本開示の実施形態の範囲内で可能であることが認識されている。したがって、本開示は、具体的な実施形態および任意選択の特色によって具体的に開示されてきたが、本明細書に開示されている概念の改変および変化は、当業者によって行われることが可能であること、そのような改変および変化は、本開示の実施形態の範囲内であると考えられることと理解されたい。
【０１２５】
追加の実施形態
以下の例示的実施形態が提供され、その番号付けは、重要性のレベルを意味するものと解釈すべきでない。
【０１２６】
実施形態１は、炭素複合体構造を備える複合体を形成する方法であって、
前駆体組成物を基材に配置する工程であって、前駆体組成物が、
ポロゲン成分、
支持相前駆体成分、
炭素成分、
光吸収性成分、および
触媒成分
の少なくとも１つを備える工程と、
前駆体組成物に照射して、
実質的に細長いプロファイルを有する炭素複合体多層構造、および
無定形炭素マトリックス
の少なくとも１つを形成する工程と
を備える方法を提供する。
【０１２７】
実施形態２は、基材が、金属およびポリマーの少なくとも１つを備える、実施形態１の方法を提供する。
実施形態３は、金属が、アルミニウム、ニッケル、および銅の少なくとも１つである、実施形態２の方法を提供する。
【０１２８】
実施形態４は、基材が、導電性材料を備える、実施形態１乃至３のいずれか１つの方法を提供する。
実施形態５は、基材が、実質的にロッド形状である、実施形態１乃至４のいずれか１つの方法を提供する。
【０１２９】
実施形態６は、基材が、金属箔を備える、実施形態１乃至５のいずれか１つの方法を提供する。
実施形態７は、箔が、アルミニウム、ニッケル、および銅の少なくとも１つを備える、実施形態１乃至６のいずれか１つの方法を提供する。
【０１３０】
実施形態８は、基材が、第１のポリマーを備える、実施形態１乃至７のいずれか１つの方法を提供する。
実施形態９は、第１のポリマー成分が、基材の約５０重量％〜約１００重量％に及ぶ、実施形態８の方法を提供する。
【０１３１】
実施形態１０は、第１のポリマーが、基材の約９０重量％〜約１００重量％に及ぶ、実施形態８の方法を提供する。
実施形態１１は、ポロゲン成分が、前駆体組成物の約５重量％〜約５０重量％に及ぶ、実施形態１乃至１０のいずれか１つの方法を提供する。
【０１３２】
実施形態１２は、ポロゲン成分が、前駆体組成物の約２０重量％〜約４０重量％に及ぶ、実施形態１乃至１１のいずれか１つの方法を提供する。
実施形態１３は、ポロゲン成分が、第２のポリマーを備える、実施形態１乃至１２のいずれか１つの方法を提供する。
【０１３３】
実施形態１４は、第２のポリマーが、ポロゲン成分の約１重量％〜約１００重量％に及ぶ、実施形態１３の方法を提供する。
実施形態１５は、第２のポリマー成分が、ポロゲン成分の約９０重量％〜約１００重量％に及ぶ、実施形態１３の方法を提供する。
【０１３４】
実施形態１６は、第１のポリマーおよび第２のポリマーの少なくとも１つが、熱可塑性ポリマー、熱硬化性ポリマー、またはその混合物である、実施形態１３の方法を提供する。
【０１３５】
実施形態１７は、第１のポリマーおよび第２のポリマーの少なくとも１つが、ポリアセタール、ポリアクリリック、ポリカーボネート、ポリスチレン、ポリエステル、ポリアミド、ポリアミドイミド、ポリアリレート、ポリアクリレート、ポリメチルメタクリレート、ポリアリールスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリフェニレンスルフィド、ポリビニルクロリド、ポリスルホン、ポリイミド、ポリエーテルイミド、ポリテトラフルオロエチレン、ポリエーテルケトン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルケトン、ポリベンゾオキサゾール、ポリオキサジアゾール、ポリベンゾチアジノフェノチアジン、ポリベンゾチアゾール、ポリピラジノキノキサリン、ポリピロメリトイミド、ポリキノキサリン、ポリベンゾイミダゾール、ポリオキシインドール、ポリオキソイソインドリン、ポリジオキソイソインドリン、ポリトリアジン、ポリピリダジン、ポリピペラジン、ポリピリジン、ポリピペリジン、ポリトリアゾール、ポリピラゾール、ポリピロリジン、ポリカルボラン、ポリオキサビシクロノナン、ポリジベンゾフラン、ポリフタリド、ポリアセタール、ポリアンヒドリド、ポリビニルエーテル、ポリビニルチオエーテル、ポリビニルアルコール、ポリビニルケトン、ポリビニルハリド、ポリビニルニトリル、ポリビニルエステル、ポリスルホネート、ポリスルフィド、ポリチオエステル、ポリスルホン、ポリスルホンアミド、ポリ尿素、ポリホスファゼン、ポリシラザン、ポリシロキサン、ポリオレフィン、ポリアクリルアミド、エポキシポリマー、不飽和ポリエステルポリマー、ポリイミドポリマー、ビスマレイミドポリマー、ビスマレイミドトリアジンポリマー、シアネートエステルポリマー、ビニルポリマー、ベンゾオキサジンポリマー、ベンゾシクロブテンポリマー、アクリリック、アルキド、フェノール−ホルムアルデヒドポリマー、ノボラック、レゾール、メラミン−ホルムアルデヒドポリマー、尿素−ホルムアルデヒドポリマー、ヒドロキシメチルフラン、イソシアネート、不飽和ポリエステルイミド、およびその混合物から選択される、実施形態１３の方法を提供する。
【０１３６】
実施形態１８は、第２のポリマーが、ポリ（スチレン−ｂ−ビニルピリジン）、ポリ（スチレン−ｂ−ブタジエン）、ポリ（スチレン−ｂ−イソプレン）、ポリ（スチレン−ｂ−メチルメタクリレート）、ポリ（スチレン−ｂ−アルケニル芳香族化合物）、ポリ（イソプレン−ｂ−エチレンオキシド）、ポリ（スチレン−ｂ−（エチレン−プロピレン））、ポリ（エチレンオキシド−ｂ−カプロラクトン）、ポリ（ブタジエン−ｂ−エチレンオキシド）、ポリ（スチレン−ｂ−ｔ−ブチル（メタ）アクリレート）、ポリ（メチルメタクリレート−ｂ−ｔ−ブチルメタクリレート）、ポリ（エチレンオキシド−ｂ−プロピレンオキシド）、ポリ（スチレン−ｂ−テトラヒドロフラン）、ポリ（スチレン−ｂ−イソプレン−ｂ−エチレンオキシド）、ポリ（スチレン−ｂ−ジメチルシロキサン）、ポリ（スチレン−ｂ−トリメチルシリルメチルメタクリレート）、ポリ（メチルメタクリレート−ｂ−ジメチルシロキサン）、ポリ（メチルメタクリレート−ｂ−トリメチルシリルメチルメタクリレート）、またはその混合物である、実施形態１３の方法を提供する。
【０１３７】
実施形態１９は、第２のポリマーが、２つのブロックを備えるグラフトブロックコポリマーであり、各ブロックが、ポリマー主鎖およびポリマー主鎖に共有結合している異なるグラフトポリマーを有する、実施形態１３の方法を提供する。
【０１３８】
実施形態２０は、グラフトブロックコポリマーが、（ポリノルボルネン−ｇｒａｆｔ−ポリ（スチレン））−ｂｌｏｃｋ−（ポリノルボルネン−ｇｒａｆｔ−ポリ（エチレンオキシド））を備える、実施形態１９の方法を提供する。
【０１３９】
実施形態２１は、炭素成分が、前駆体組成物の約５重量％〜約５０重量％に及ぶ、実施形態１乃至２０のいずれか１つの方法を提供する。
実施形態２２は、炭素成分が、前駆体組成物の約２０重量％〜約４０重量％に及ぶ、実施形態１乃至２１のいずれか１つの方法を提供する。
【０１４０】
実施形態２３は、炭素成分が、置換または非置換（Ｃ１〜Ｃ４０）アルキル、（Ｃ１〜Ｃ４０）アルケニル、（Ｃ１〜Ｃ４０）アルキニル、（Ｃ４〜Ｃ４０）アリールおよびその混合物の少なくとも１つを備える、実施形態２２の方法を提供する。
【０１４１】
実施形態２４は、炭素成分が、気相、固相、または液相である、実施形態２２の方法を提供する。
実施形態２５は、炭素成分が、約４０重量％の炭素〜約９０重量％の炭素を備える、実施形態２２の方法を提供する。
【０１４２】
実施形態２６は、触媒成分が、前駆体組成物の約０．０１重量％〜約５０重量％に及ぶ、実施形態１乃至２５のいずれか１つの方法を提供する。
実施形態２７は、触媒成分が、前駆体組成物の約１重量％〜約１５重量％に及ぶ、実施形態１乃至２６のいずれか１つの方法を提供する。
【０１４３】
実施形態２８は、触媒成分および光吸収成分の少なくとも１つが、少なくとも１つの金属または金属酸化物ナノ粒子を備える、実施形態１乃至２７のいずれか１つの方法を提供する。
【０１４４】
実施形態２９は、少なくとも１つの金属または金属酸化物ナノ粒子が、触媒成分および光吸収成分の約５０重量％〜約１００重量％に及ぶ、実施形態２８の方法を提供する。
実施形態３０は、少なくとも１つの金属または金属酸化物ナノ粒子が、触媒成分および光吸収成分の約９０重量％〜約１００重量％に及ぶ、実施形態２８の方法を提供する。
【０１４５】
実施形態３１は、金属または金属酸化物ナノ粒子が、約１〜約１００ナノメートルに及ぶサイズを有する、実施形態２８の方法を提供する。
実施形態３２は、金属または金属酸化物ナノ粒子が、約１〜約５０ナノメートルに及ぶサイズを有する、実施形態２８の方法を提供する。
【０１４６】
実施形態３３は、金属または金属酸化物ナノ粒子が、ケイ素、炭化ケイ素、鉄、酸化鉄、銅、ニッケル、パラジウム、白金、ルテニウム、ルビジウム、その合金、またはその混合物を備える、実施形態２８の方法を提供する。
【０１４７】
実施形態３４は、酸化鉄が、ＦｅＯ、Ｆｅ２Ｏ３、Ｆｅ３Ｏ４、Ｆｅ４Ｏ６、Ｆｅ５Ｏ７、Ｆｅ２５Ｏ３２、Ｆｅ１３Ｏ１９、Ｆｅ２Ｏ３、（Ｆｅ（ＯＨ）２）、および（Ｆｅ（ＯＨ）３）の少なくとも１つである、実施形態３３の方法を提供する。
【０１４８】
実施形態３５は、前駆体組成物が、電磁放射線で照射される、実施形態１乃至３４のいずれか１つの方法を提供する。
実施形態３６は、電磁放射線が、キセノンフラッシュランプから供給される、実施形態１乃至３５のいずれか１つの方法を提供する。
【０１４９】
実施形態３７は、炭素複合体多層構造の個別層が、ナノワイヤ、ナノチューブ、ナノリボン、無定形炭素マトリックス、および金属または金属酸化物ナノ粒子の少なくとも１つを備える、実施形態１乃至３６のいずれか１つの方法を提供する。
【０１５０】
実施形態３８は、少なくとも１つのナノワイヤ、ナノチューブ、およびナノリボンが、約５ナノメートル〜約５００ナノメートルに及ぶ幅を有する、実施形態３７の方法を提供する。
【０１５１】
実施形態３９は、少なくとも１つのナノワイヤ、ナノチューブ、およびナノリボンが、約２０ナノメートル〜約５０ナノメートルに及ぶ幅を有する、実施形態３７の方法を提供する。
【０１５２】
実施形態４０は、炭素複合体多層構造の個別層が、触媒成分および光吸収成分の少なくとも１つに外接する、実施形態１乃至３９のいずれか１つの方法を提供する。
実施形態４１は、炭素複合体多層構造および無定形炭素マトリックスの少なくとも１つが、アノードの一部分である、実施形態１乃至４０のいずれか１つの方法を提供する。
【０１５３】
実施形態４２は、基材が、前駆体組成物の照射時において分解を実質的に免れている、実施形態１乃至４１のいずれか１つの方法を提供する。
実施形態４３は、炭素複合体構造が、複合体の約０．０１重量％〜複合体の約５０重量％に及ぶ、実施形態１乃至４２のいずれか１つの方法を提供する。
【０１５４】
実施形態４４は、支持相前駆体が、金属アルコキシド、金属酸化物、多八面体のシルセスキオキサン、またはその組合せを備える、実施形態１乃至４３のいずれか１つの方法を提供する。
【０１５５】
実施形態４５は、前駆体組成物が、
支持相前駆体、
光吸収性成分、および
炭素成分
を備え、炭素成分がフェノールーホルムアルデヒド樹脂である、実施形態１乃至４４のいずれか１つの方法を提供する。
【０１５６】
実施形態４６は、
基材、および
電極を形成するために基材に配置されている炭素複合体構造を備えるアノード層
を備えるバッテリーであって、炭素複合体構造が、ナノワイヤ、ナノチューブ、ナノリボン、無定形炭素マトリックス、および金属または金属酸化物ナノ粒子の少なくとも１つを備えるバッテリーを提供する。
【０１５７】
実施形態４７は、バッテリーが、リチウムイオンバッテリーである、実施形態４６のバッテリーを提供する。
実施形態４８は、基材が、金属およびポリマーの少なくとも１つを備える、実施形態１乃至４７のいずれか１つのバッテリーを提供する。
【０１５８】
実施形態４９は、金属が、アルミニウム、ニッケル、および銅の少なくとも１つである、実施形態４８のバッテリーを提供する。
実施形態５０は、基材が、導電性材料を備える、実施形態４６乃至４９のいずれか１つのバッテリーを提供する。
【０１５９】
実施形態５１は、基材が、実質的にロッド形状である、実施形態４６乃至５０のいずれか１つのバッテリーを提供する。
実施形態５２は、基材が、金属箔を備える、実施形態４６乃至５１のいずれか１つのバッテリーを提供する。
【０１６０】
実施形態５３は、箔が、アルミニウム、ニッケル、および銅の少なくとも１つを備える、実施形態４６乃至５２のいずれか１つのバッテリーを提供する。
実施形態５４は、基材が、第１のポリマーを備える、実施形態４６乃至５３のいずれか１つのバッテリーを提供する。
【０１６１】
実施形態５５は、第１のポリマー成分が、基材の約５０重量％〜約１００重量％に及ぶ、実施形態５４のバッテリーを提供する。
実施形態５６は、第１のポリマーが、基材の約９０重量％〜約１００重量％に及ぶ、実施形態５４のバッテリーを提供する。
【０１６２】
実施形態５７は、第１のポリマーが、熱可塑性ポリマー、熱硬化性ポリマー、またはその混合物である、実施形態５６のバッテリーを提供する。
実施形態５８は、第１のポリマーが、ポリアセタール、ポリアクリリック、ポリカーボネート、ポリスチレン、ポリエステル、ポリアミド、ポリアミドイミド、ポリアリレート、ポリアクリレート、ポリメチルメタクリレート、ポリアリールスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリフェニレンスルフィド、ポリビニルクロリド、ポリスルホン、ポリイミド、ポリエーテルイミド、ポリテトラフルオロエチレン、ポリエーテルケトン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルケトン、ポリベンゾオキサゾール、ポリオキサジアゾール、ポリベンゾチアジノフェノチアジン、ポリベンゾチアゾール、ポリピラジノキノキサリン、ポリピロメリトイミド、ポリキノキサリン、ポリベンゾイミダゾール、ポリオキシインドール、ポリオキソイソインドリン、ポリジオキソイソインドリン、ポリトリアジン、ポリピリダジン、ポリピペラジン、ポリピリジン、ポリピペリジン、ポリトリアゾール、ポリピラゾール、ポリピロリジン、ポリカルボラン、ポリオキサビシクロノナン、ポリジベンゾフラン、ポリフタリド、ポリアセタール、ポリアンヒドリド、ポリビニルエーテル、ポリビニルチオエーテル、ポリビニルアルコール、ポリビニルケトン、ポリビニルハリド、ポリビニルニトリル、ポリビニルエステル、ポリスルホネート、ポリスルフィド、ポリチオエステル、ポリスルホン、ポリスルホンアミド、ポリ尿素、ポリホスファゼン、ポリシラザン、ポリシロキサン、ポリオレフィン、ポリアクリルアミド、エポキシポリマー、不飽和ポリエステルポリマー、ポリイミドポリマー、ビスマレイミドポリマー、ビスマレイミドトリアジンポリマー、シアネートエステルポリマー、ビニルポリマー、ベンゾオキサジンポリマー、ベンゾシクロブテンポリマー、アクリリック、アルキド、フェノール−ホルムアルデヒドポリマー、ノボラック、レゾール、メラミン−ホルムアルデヒドポリマー、尿素−ホルムアルデヒドポリマー、ヒドロキシメチルフラン、イソシアネート、不飽和ポリエステルイミド、およびその混合物から選択される、実施形態５６のバッテリーを提供する。
【０１６３】
実施形態５９は、炭素複合体構造が、約５ナノメートル〜約５００ナノメートルに及ぶ幅を有するナノワイヤ、ナノチューブ、およびナノリボンの少なくとも１つを備える、実施形態４６乃至５８のいずれか１つのバッテリーを提供する。
【０１６４】
実施形態６０は、少なくとも１つのナノワイヤ、ナノチューブ、およびナノリボンが、約２０ナノメートル〜約５０ナノメートルに及ぶ幅を有する、実施形態５９のバッテリーを提供する。
【０１６５】
実施形態６１は、金属または金属酸化物ナノ粒子が、ケイ素、炭化ケイ素、鉄、酸化鉄、銅、ニッケル、パラジウム、白金、ルテニウム、ルビジウム、その合金、またはその混合物を備える、実施形態４６乃至６０のいずれか１つのバッテリーを提供する。
【０１６６】
実施形態６２は、バッテリーが、複数のチャンバを備える、実施形態４６乃至６１のいずれか１つのバッテリーを提供する。
実施形態６３は、炭素複合体構造が、基材から伸びる複数の突起から形成されたパターンを備える、実施形態４６乃至６２のいずれか１つのバッテリーを提供する。
【０１６７】
実施形態６４は、第１の個別の突起のｘ方向における第１の幅が、第２の個別の突起のｘ方向における第２の幅と異なる、実施形態６３のバッテリーを提供する。
実施形態６５は、個別の突起のｘ方向における幅が、約９００ｎｍ〜約９００μｍ．の範囲である、実施形態６３のバッテリーを提供する。
【０１６８】
実施形態６６は、個別の突起のｘ方向における幅が、約８００ｎｍ〜約１０μｍの範囲である、実施形態６３のバッテリーを提供する。
実施形態６７は、第１の個別の突起および第２の個別の突起の少なくとも１つのｙ方向における長さが、幅の約１．５倍〜約２０倍大きい範囲である、実施形態６３のバッテリーを提供する。
【０１６９】
実施形態６７は、隣接している個別の突起間の距離が、約２０００ｎｍ〜約５００μｍの範囲である、実施形態６３のバッテリーを提供する。
実施形態６８は、隣接している個別の突起間の距離が、約１６００ｎｍ〜約１０μｍの範囲である、実施形態６３のバッテリーを提供する。
【０１７０】
実施形態６９は、個別の突起のプロファイルが、円、楕円、または多角形の形状から選択される、実施形態６３のバッテリーを提供する。
実施形態７０は、多角形の形状が、三角形、正方形、長方形、五角形、六角形、七角形、および八角形から選択される、実施形態６９のバッテリーを提供する。
【０１７１】
実施形態７１は、アノード層上に配置されたセパレータ層をさらに備える、実施形態４６乃至７０のいずれか１つのバッテリーを提供する。
実施形態７２は、セパレータ層が、マイクロ粒子、ナノ粒子、および結合剤の少なくとも１つを備える、実施形態７１のバッテリーを提供する。
【０１７２】
実施形態７３は、マイクロ粒子が、セパレータ層の約３０重量％〜約１００重量％の範囲である、実施形態７２のバッテリーを提供する。
実施形態７４は、マイクロ粒子が、セパレータ層の約９０重量％〜約１００重量％の範囲である、実施形態７２のバッテリーを提供する。
【０１７３】
実施形態７５は、マイクロ粒子が、ポリメチル尿素、メラミンホルムアルデヒド樹脂、リチウムポリアクリレート、ポリアミド、ポリ（リチウム２−アクリルアミド−２−メチルプロパンスルホネート）、二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、擬ベーム石（ＡｌＯ（ＯＨ））、二酸化チタン（ＴｉＯ２）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、フッ化カリウム（ＫＦ）、フッ化リチウム（ＬｉＦ）、ゼオライトおよび炭酸カルシウム（ＣａＣＯ３）から選択される粒子を備える、実施形態７２のバッテリーを提供する。
【０１７４】
実施形態７６は、ナノ粒子が、セパレータ層の約３０重量％〜約１００重量％の範囲である、実施形態７２のバッテリーを提供する。
実施形態７７は、ナノ粒子が、セパレータ層の約９０重量％〜約１００重量％の範囲である、実施形態７２のバッテリーを提供する。
【０１７５】
実施形態７８は、ナノ粒子が、二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、擬ベーム石（ＡｌＯ（ＯＨ））、酸化ニオブ（Ｎｂ２Ｏ５）、酸化タンタル（Ｔａ２Ｏ５）、二酸化チタン（ＴｉＯ２）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）、二酸化スズ（ＳｎＯ２）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、フッ化カリウム（ＫＦ）、フッ化リチウム（ＬｉＦ）、メソ多孔性アルミノシリケート（Ａｌ２ＳｉＯ５）、メソ多孔性ニオブ−タンタル複合体酸化物およびメソ多孔性マグネシウム−タンタル複合体酸化物から選択される粒子を備える、実施形態７２のバッテリーを提供する。
【０１７６】
実施形態７９は、結合剤が、セパレータ層の約１０重量％〜約９０重量％の範囲である、実施形態７２のバッテリーを提供する。
実施形態８０は、結合剤が、セパレータ層の約３０重量％〜約５０重量％の範囲である、実施形態７２のバッテリーを提供する。
【０１７７】
実施形態８１は、結合剤が、ポリビニルアルコール、カルボキシル基改変ポリビニルアルコール、ポリビニルピロリドン、ポリエチレンオキシド、ポリプロピレンオキシド、ポリフッ化ビニリデン、ポリフッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレンコポリマー、ポリアクリル酸、リチウムポリアクリレート、ポリ（メチルメタクリレート）、ポリ（ブチルアクリレート）、エチルヒドロキシエチルセルロース、スチレン−ブタジエン樹脂、カルボキシメチルセルロース、ポリイミド、ポリアクリロニトリル、ポリウレタン、エチル−ビニルアセテートコポリマーおよびポリエステルから選択される、実施形態７２のバッテリーを提供する。
【０１７８】
実施形態７５は、セパレータ層上に配置されたカソード層をさらに備える、実施形態４６乃至７４のいずれか１つのバッテリーを提供する。
実施形態７６は、カソード層が、酸化リチウムを備える、実施形態７５のバッテリーを提供する。
【０１７９】
実施形態７７は、酸化リチウムが、カソード層の約５０重量％〜約１００重量％の範囲である、実施形態７６のバッテリーを提供する。
実施形態７８は、酸化リチウムが、カソード層の約９０重量％〜約１００重量％の範囲である、実施形態７６のバッテリーを提供する。
【０１８０】
実施形態７９は、酸化リチウムが、酸化金属リチウム（ＬｉＣｏＯ２）、酸化ニッケルリチウム（ＬｉＮｉＯ２）、酸化マンガンリチウム（ＬｉＭｎ２Ｏ４）、オリビン型リン酸リチウム鉄（ＬｉＦｅＰＯ４）から選択される材料を備える、実施形態７６のバッテリーを提供する。
【０１８１】
実施形態８０は、バッテリーを形成する方法であって、
前駆体組成物を基材に配置する工程であって、前駆体組成物が、
ポロゲン成分、
支持相前駆体成分、
炭素成分、
光吸収性成分、および
触媒成分
を備える工程と、
前駆体組成物を鋳型と接触させる工程であって、鋳型が、
前駆体組成物と接触している複数の突起
を備える工程と、
前駆体組成物の温度を上げて、アノード層を形成する工程および前駆体組成物に照射して、アノード層を形成する工程の少なくとも１つと、
セパレータ層を前記アノード層に配置する工程と、
導体層を前記アノード層に配置して、バッテリーを形成する工程と
を備える方法を提供する。
【０１８２】
実施形態８１は、前駆体層が鋳型と接触される前に、セパレータ層が前駆体層に配置され、鋳型がセパレータ層および前駆体組成物と接触される、実施形態８０の方法を提供する。
【０１８３】
実施形態８２は、基材が、金属およびポリマーの少なくとも１つを備える、実施形態８０または８１の方法を提供する。
実施形態８３は、金属が、アルミニウム、ニッケル、および銅の少なくとも１つである、実施形態８２の方法を提供する。
【０１８４】
実施形態８４は、基材が、導電性材料を備える、実施形態８０乃至８３のいずれか１つの方法を提供する。
実施形態８５は、基材が、実質的にロッド形状である、実施形態８０乃至８４のいずれか１つの方法を提供する。
【０１８５】
実施形態８６は、基材が、金属箔を備える、実施形態８０乃至８５のいずれか１つの方法を提供する。
実施形態８７は、箔が、アルミニウム、ニッケル、および銅の少なくとも１つを備える、実施形態８０乃至８６のいずれか１つの方法を提供する。
【０１８６】
実施形態８８は、基材が、第１のポリマーを備える、実施形態８０乃至８７のいずれか１つの方法を提供する。
実施形態８９は、第１のポリマー成分が、基材の約５０重量％〜約１００重量％に及ぶ、実施形態８８の方法を提供する。
【０１８７】
実施形態９０は、第１のポリマーが、基材の約９０重量％〜約１００重量％に及ぶ、実施形態８８の方法を提供する。
実施形態９１は、ポロゲン成分が、前駆体組成物の約５重量％〜約５０重量％に及ぶ、実施形態８０乃至９０のいずれか１つの方法を提供する。
【０１８８】
実施形態９２は、ポロゲン成分が、前駆体組成物の約２０重量％〜約４０重量％に及ぶ、実施形態８０乃至９１のいずれか１つの方法を提供する。
実施形態９３は、ポロゲン成分が、第２のポリマーを備える、実施形態８０乃至９２のいずれか１つの方法を提供する。
【０１８９】
実施形態９４は、第２のポリマーが、ポロゲン成分の約１重量％〜約１００重量％に及ぶ、実施形態９３の方法を提供する。
実施形態９５は、第２のポリマー成分が、ポロゲン成分の約９０重量％〜約１００重量％に及ぶ、実施形態９３の方法を提供する。
【０１９０】
実施形態９６は、第１のポリマーおよび第２のポリマーの少なくとも１つが、熱可塑性ポリマー、熱硬化性ポリマー、またはその混合物である、実施形態９３の方法を提供する。
【０１９１】
実施形態９７は、第１のポリマーおよび第２のポリマーの少なくとも１つが、ポリアセタール、ポリアクリリック、ポリカーボネート、ポリスチレン、ポリエステル、ポリアミド、ポリアミドイミド、ポリアリレート、ポリアクリレート、ポリメチルメタクリレート、ポリアリールスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリフェニレンスルフィド、ポリビニルクロリド、ポリスルホン、ポリイミド、ポリエーテルイミド、ポリテトラフルオロエチレン、ポリエーテルケトン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルケトン、ポリベンゾオキサゾール、ポリオキサジアゾール、ポリベンゾチアジノフェノチアジン、ポリベンゾチアゾール、ポリピラジノキノキサリン、ポリピロメリトイミド、ポリキノキサリン、ポリベンゾイミダゾール、ポリオキシインドール、ポリオキソイソインドリン、ポリジオキソイソインドリン、ポリトリアジン、ポリピリダジン、ポリピペラジン、ポリピリジン、ポリピペリジン、ポリトリアゾール、ポリピラゾール、ポリピロリジン、ポリカルボラン、ポリオキサビシクロノナン、ポリジベンゾフラン、ポリフタリド、ポリアセタール、ポリアンヒドリド、ポリビニルエーテル、ポリビニルチオエーテル、ポリビニルアルコール、ポリビニルケトン、ポリビニルハリド、ポリビニルニトリル、ポリビニルエステル、ポリスルホネート、ポリスルフィド、ポリチオエステル、ポリスルホン、ポリスルホンアミド、ポリ尿素、ポリホスファゼン、ポリシラザン、ポリシロキサン、ポリオレフィン、ポリアクリルアミド、エポキシポリマー、不飽和ポリエステルポリマー、ポリイミドポリマー、ビスマレイミドポリマー、ビスマレイミドトリアジンポリマー、シアネートエステルポリマー、ビニルポリマー、ベンゾオキサジンポリマー、ベンゾシクロブテンポリマー、アクリリック、アルキド、フェノール−ホルムアルデヒドポリマー、ノボラック、レゾール、メラミン−ホルムアルデヒドポリマー、尿素−ホルムアルデヒドポリマー、ヒドロキシメチルフラン、イソシアネート、不飽和ポリエステルイミド、およびその混合物から選択される、実施形態９３の方法を提供する。
【０１９２】
実施形態９８は、第２のポリマーが、ポリ（スチレン−ｂ−ビニルピリジン）、ポリ（スチレン−ｂ−ブタジエン）、ポリ（スチレン−ｂ−イソプレン）、ポリ（スチレン−ｂ−メチルメタクリレート）、ポリ（スチレン−ｂ−アルケニル芳香族化合物）、ポリ（イソプレン−ｂ−エチレンオキシド）、ポリ（スチレン−ｂ−（エチレン−プロピレン））、ポリ（エチレンオキシド−ｂ−カプロラクトン）、ポリ（ブタジエン−ｂ−エチレンオキシド）、ポリ（スチレン−ｂ−ｔ−ブチル（メタ）アクリレート）、ポリ（メチルメタクリレート−ｂ−ｔ−ブチルメタクリレート）、ポリ（エチレンオキシド−ｂ−プロピレンオキシド）、ポリ（スチレン−ｂ−テトラヒドロフラン）、ポリ（スチレン−ｂ−イソプレン−ｂ−エチレンオキシド）、ポリ（スチレン−ｂ−ジメチルシロキサン）、ポリ（スチレン−ｂ−トリメチルシリルメチルメタクリレート）、ポリ（メチルメタクリレート−ｂ−ジメチルシロキサン）、ポリ（メチルメタクリレート−ｂ−トリメチルシリルメチルメタクリレート）、またはその混合物である、実施形態９３の方法を提供する。
【０１９３】
実施形態９９は、第２のポリマーが、２つのブロックを備えるグラフトブロックコポリマーであり、各ブロックが、ポリマー主鎖およびポリマー主鎖に共有結合している異なるグラフトポリマーを有する、実施形態９３の方法を提供する。
【０１９４】
実施形態１００は、グラフトブロックコポリマーが、（ポリノルボルネン−ｇｒａｆｔ−ポリ（スチレン））−ｂｌｏｃｋ−（ポリノルボルネン−ｇｒａｆｔ−ポリ（エチレンオキシド））を備える、実施形態９９の方法を提供する。
【０１９５】
実施形態１０１は、炭素成分が、前駆体組成物の約５重量％〜約５０重量％に及ぶ、実施形態８０乃至１００のいずれか１つの方法を提供する。
実施形態１０２は、炭素成分が、前駆体組成物の約２０重量％〜約４０重量％に及ぶ、実施形態８０乃至１００のいずれか１つの方法を提供する。
【０１９６】
実施形態１０３は、炭素成分が、置換または非置換Ｃ１〜Ｃ４０アルキル、Ｃ１〜Ｃ４０アルケニル、Ｃ１〜Ｃ４０アルキニル、およびその混合物の少なくとも１つを備える、実施形態１０２の方法を提供する。
【０１９７】
実施形態１０４は、炭素成分が、気相、固相、または液相である、実施形態１０２の方法を提供する。
実施形態１０５は、炭素成分が、約４０重量％の炭素〜約９０重量％の炭素を備える、実施形態１０２の方法を提供する。
【０１９８】
実施形態１０６は、触媒成分が、前駆体組成物の約０．０１重量％〜約５０重量％に及ぶ、実施形態８０乃至１０５のいずれか１つの方法を提供する。
実施形態１０７は、触媒成分が、前駆体組成物の約１重量％〜約１５重量％に及ぶ、実施形態８０乃至１０６のいずれか１つの方法を提供する。
【０１９９】
実施形態１０８は、触媒成分が、少なくとも１つの金属または金属酸化物ナノ粒子を備える、実施形態８０乃至１０７のいずれか１つの方法を提供する。
実施形態１０９は、少なくとも１つの金属または金属酸化物ナノ粒子が、触媒成分の約５０重量％〜約１００重量％に及ぶ、実施形態１０８の方法を提供する。
【０２００】
実施形態１１０は、少なくとも１つの金属または金属酸化物ナノ粒子が、触媒成分の約９０重量％〜約１００重量％に及ぶ、実施形態１０８の方法を提供する。
実施形態１１１は、金属または金属酸化物ナノ粒子が、約１〜約１００ナノメートルに及ぶサイズを有する、実施形態１０８の方法を提供する。
【０２０１】
実施形態１１２は、金属または金属酸化物ナノ粒子が、約１〜約５０ナノメートルに及ぶサイズを有する、実施形態１０８の方法を提供する。
実施形態１１３は、金属または金属酸化物ナノ粒子が、ケイ素、炭化ケイ素、鉄、酸化鉄、銅、ニッケル、パラジウム、白金、ルテニウム、ルビジウム、その合金、またはその混合物を備える、実施形態１０８の方法を提供する。
【０２０２】
実施形態１１４は、酸化鉄が、ＦｅＯ、Ｆｅ２Ｏ３、Ｆｅ３Ｏ４、Ｆｅ４Ｏ６、Ｆｅ５Ｏ７、Ｆｅ２５Ｏ３２、Ｆｅ１３Ｏ１９、Ｆｅ２Ｏ３、（Ｆｅ（ＯＨ）２）、および（Ｆｅ（ＯＨ）３）の少なくとも１つである、実施形態１１３の方法を提供する。
【０２０３】
実施形態１１５は、前駆体組成物が、電磁放射線で照射される、実施形態８０乃至１１４のいずれか１つの方法を提供する。
実施形態１１６は、電磁放射線が、キセノンフラッシュランプから供給される、実施形態８０乃至１１５のいずれか１つの方法を提供する。
【０２０４】
実施形態１１７は、炭素複合体構造が、ナノワイヤ、ナノチューブ、およびナノリボンの少なくとも１つを備える少なくとも１層を備える、実施形態８０乃至１１６のいずれか１つの方法を提供する。
【０２０５】
実施形態１１８は、少なくとも１つのナノワイヤ、ナノチューブ、およびナノリボンが、約５ナノメートル〜約５００ナノメートルに及ぶ幅を有する、実施形態１１７の方法を提供する。
【０２０６】
実施形態１１９は、少なくとも１つのナノワイヤ、ナノチューブ、およびナノリボンが、約２０ナノメートル〜約５０ナノメートルに及ぶ幅を有する、実施形態１１７の方法を提供する。
【０２０７】
実施形態１２０は、炭素複合体構造が、触媒成分に外接する、実施形態８０乃至１１９のいずれか１つの方法を提供する。
実施形態１２１は、炭素複合体構造が、アノードの一部分である、実施形態８０乃至１２０のいずれか１つの方法を提供する。
【０２０８】
実施形態１２２は、基材が、前駆体組成物の照射時において分解を実質的に免れている、実施形態８０乃至１２１のいずれか１つの方法を提供する。
実施形態１２３は、炭素複合体構造が、複合体の約０．０１重量％〜複合体の約５０重量％に及ぶ、実施形態８０乃至１２２のいずれか１つの方法を提供する。
【０２０９】
実施形態１２４は、鋳型が、実質的に透明である、実施形態８０乃至１２３のいずれか１つの方法を提供する。
実施形態１２５は、
基材に、前駆体組成物を配置する工程であって、前駆体組成物が
ポロゲンを形成するよう働くポリマー、光吸収性成分、支持相前駆体、および溶媒
を備える工程と、
ポリマーを分解し、支持相前駆体を活性化するのに有効な波長および強度の電磁放射線を、前駆体組成物に照射する工程と、
階層構造を基材に形成する工程と
を備える方法を提供する。
【０２１０】
実施形態１２６は、基材が、電磁放射線に対して透過性であり、電磁放射線が、主に光吸収性成分によって吸収される、実施形態１２５の方法を提供する。
実施形態１２７は、基材が、前駆体組成物において使用されるポリマーとは化学的に異なる第１のポリマーを備え、第１のポリマーが、前駆体組成物において使用されるポリマーのガラス転移温度、溶融温度および分解温度の少なくとも１つより高いガラス転移温度、高い溶融温度および高い分解温度を有する、実施形態１２５または１２６の方法を提供する。
【０２１１】
実施形態１２８は、基材が、１０６ＧＰａ未満の弾性率を有するフレキシブル基材である、実施形態１２５乃至１２７のいずれか１つの方法を提供する。
実施形態１２９は、基材が、階層構造の形成後に巻取可能であり、ロール・ツー・ロール加工において使用される、実施形態１２５乃至１２８のいずれか１つの方法を提供する。
【０２１２】
実施形態１３０は、第１のポリマーおよび前駆体組成物において使用されるポリマーが、熱可塑性ポリマー、熱硬化性ポリマー、熱可塑性ポリマーのブレンド、熱硬化性ポリマーのブレンド、および熱可塑性ポリマーと熱硬化性ポリマーのブレンドであり、ポリアセタール、ポリアクリリック、ポリカーボネート、ポリスチレン、ポリエステル、ポリアミド、ポリアミドイミド、ポリアリレート、ポリアクリレート、ポリメチルメタクリレート、ポリアリールスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリフェニレンスルフィド、ポリビニルクロリド、ポリスルホン、ポリイミド、ポリエーテルイミド、ポリテトラフルオロエチレン、ポリエーテルケトン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルケトンケトン、ポリベンゾオキサゾール、ポリオキサジアゾール、ポリベンゾチアジノフェノチアジン、ポリベンゾチアゾール、ポリピラジノキノキサリン、ポリピロメリトイミド、ポリキノキサリン、ポリベンゾイミダゾール、ポリオキシインドール、ポリオキソイソインドリン、ポリジオキソイソインドリン、ポリトリアジン、ポリピリダジン、ポリピペラジン、ポリピリジン、ポリピペリジン、ポリトリアゾール、ポリピラゾール、ポリピロリジン、ポリカルボラン、ポリオキサビシクロノナン、ポリジベンゾフラン、ポリフタリド、ポリアセタール、ポリアンヒドリド、ポリビニルエーテル、ポリビニルチオエーテル、ポリビニルアルコール、ポリビニルケトン、ポリビニルハリド、ポリビニルニトリル、ポリビニルエステル、ポリスルホネート、ポリスルフィド、ポリチオエステル、ポリスルホン、ポリスルホンアミド、ポリ尿素、ポリホスファゼン、ポリシラザン、ポリシロキサン、ポリオレフィン、ポリアクリルアミド、エポキシポリマー、不飽和ポリエステルポリマー、ポリイミドポリマー、ビスマレイミドポリマー、ビスマレイミドトリアジンポリマー、シアネートエステルポリマー、ビニルポリマー、ベンゾオキサジンポリマー、ベンゾシクロブテンポリマー、アクリリック、アルキド、フェノール−ホルムアルデヒドポリマー、ノボラック、レゾール、メラミン−ホルムアルデヒドポリマー、尿素−ホルムアルデヒドポリマー、ヒドロキシメチルフラン、イソシアネート、不飽和ポリエステルイミド、またはその組合せの群から選択される、実施形態１２７の方法を提供する。
【０２１３】
実施形態１３１は、前駆体組成物において使用されるポリマーが、ブロックコポリマーであり、ポリ（スチレン−ｂ−ビニルピリジン）、ポリ（スチレン−ｂ−ブタジエン）、ポリ（スチレン−ｂ−イソプレン）、ポリ（スチレン−ｂ−メチルメタクリレート）、ポリ（スチレン−ｂ−アルケニル芳香族化合物）、ポリ（イソプレン−ｂ−エチレンオキシド）、ポリ（スチレン−ｂ−（エチレン−プロピレン））、ポリ（エチレンオキシド−ｂ−カプロラクトン）、ポリ（ブタジエン−ｂ−エチレンオキシド）、ポリ（スチレン−ｂ−ｔ−ブチル（メタ）アクリレート）、ポリ（メチルメタクリレート−ｂ−ｔ−ブチルメタクリレート）、ポリ（エチレンオキシド−ｂ−プロピレンオキシド）、ポリ（スチレン−ｂ−テトラヒドロフラン）、ポリ（スチレン−ｂ−イソプレン−ｂ−エチレンオキシド）、ポリ（スチレン−ｂ−ジメチルシロキサン）、ポリ（スチレン−ｂ−トリメチルシリルメチルメタクリレート）、ポリ（メチルメタクリレート−ｂ−ジメチルシロキサン）、ポリ（メチルメタクリレート−ｂ−トリメチルシリルメチルメタクリレート）、またはその組合せからなる群から選択される、実施形態１２５乃至１３０のいずれか１つの方法を提供する。
【０２１４】
実施形態１３２は、前駆体組成物において使用されるポリマーが、２つのブロックを備えるグラフトブロックコポリマーであり、各ブロックが、ポリマー主鎖およびポリマー主鎖に共有結合している異なるグラフトポリマーを有する、実施形態１２５乃至１３１のいずれか１つの方法を提供する。
【０２１５】
実施形態１３３は、グラフトブロックコポリマーが、（ポリノルボルネン−ｇｒａｆｔ−ポリ（スチレン））−ｂｌｏｃｋ−（ポリノルボルネン−ｇｒａｆｔ−ポリ（エチレンオキシド））を備える、実施形態１３２の方法を提供する。
【０２１６】
実施形態１３４は、光吸収性成分が、光を吸収し、温まるナノ粒子を備え、ナノ粒子が、金属ナノ粒子、炭素質ナノ粒子、電気伝導性金属酸化物ナノ粒子、またはその組合せである、実施形態１２５乃至１３３のいずれか１つの方法を提供する。
【０２１７】
実施形態１３５は、金属ナノ粒子が、１〜１００ナノメートルのサイズを有し、アルミニウム、銅、マグネシウム、クロム、スズ、ニッケル、銀、鉄、チタン、金、白金、パラジウム、またはその混合物からなる群から選択され、炭素質ナノ粒子が、カーボンナノチューブ、グラフェンナノ粒子、カーボンブラック、フラーレン、バッキーボールなど、またはその組合せからなる群から選択される、実施形態１３４の方法を提供する。
【０２１８】
実施形態１３６は、前駆体組成物を、５０〜２００℃の温度に加熱することによって乾燥する工程をさらに備える、実施形態１２５乃至１３５のいずれか１つの方法を提供する。
【０２１９】
実施形態１３７は、照射により、光吸収性成分の温度を３００℃を超える温度に上げる、実施形態１２５乃至１３６のいずれか１つの方法を提供する。
実施形態１３８は、支持相前駆体が、金属アルコキシド、金属酸化物、多八面体のシルセスキオキサン、またはその組合せを備える、実施形態１２５乃至１３７のいずれか１つの方法を提供する。
【０２２０】
実施形態１３９は、支持相前駆体が、熱によって活性化され、反応して、多孔性の支持相を形成する、実施形態１３８の方法を提供する。
実施形態１４０は、支持相前駆体がポリマーでない、実施形態１３８の方法を提供する。
【０２２１】
実施形態１４１は、
基材、および
そこに配置されている多孔性構造
を備える物品であって、基材の１平方メートルを超える面積の全体に、多孔性構造が配置されている物品を提供する。
【０２２２】
実施形態１４２は、多孔性構造が配置されている基材が、５平方メートルを超える面積を有する、実施形態１４１の物品を提供する。
実施形態１４３は、多孔性構造が配置されている基材が、１０平方メートルを超える面積を有する、実施形態１４１または１４２の物品を提供する。
【０２２３】
実施形態１４４は、多孔性構造が、階層構造を有する、実施形態１４１乃至１４３のいずれか１つの物品を提供する。
実施形態１４５は、多孔性構造が、金属酸化物および／または多八面体のシルセスキオキサンを備える、実施形態１４１乃至１４４のいずれか１つの物品を提供する。
【図１】
2019534833.tif 000007
【図２】
2019534833.tif 000008
【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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【国際調査報告】
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