(57)【要約】ナノスケール構築物に使用可能な新規なダイアモンドイド系部品を開示した。これらの部品には、ロッド類、ブラケット類、ねじ類、ギアー類、ローター類、及び羽根類が含まれる。サブアセンブリー類(またはサブシステム)には、1つ以上のダイアモンドイド部品が含まれる。典型的なサブアセンブリーには、原子間力顕微鏡チップ類、分子タコメーター類及び信号波形発生器、及び自己組織系細胞膜微小孔及びチャンネルが挙げられる。
2005532921.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ロッド類、ブラケット類、ねじ類、及びギアー類からなる群から選択される少なくとも1つのダイアモンド系部品を含むナノスケール装置。
【請求項２】
ナノスケール構築物中の構造成員として使用される少なくとも1つのロッド形状ダイアモンドイドを含み、そのロッド形状ダイアモンドイドが偶数個のアダマンタンサブユニットを有し、その成分炭素原子をダイアモンド格子構造の(110)結晶面へ投影したとき、以下のパターン：
2005532921.tif 000004
(ここで、位置57と58上に投影する原子は第二炭素であり；
位置51、54に投影する連鎖の末端に由来する2個の原子は第三炭素、もしそれらが位置51、54上に投影する連鎖の中央部にある場合には、第四炭素であり；
位置52、56上に投影する連鎖の末端に由来する2個の原子は、それぞれ、第二及び第三炭素であり、もしそれらが位置52、56上に投影する連鎖の中心部にあるときは第三炭素であり；
位置53、55上に投影する連鎖の末端に由来する2個の原子は、それぞれ、第二及び第三炭素であり、そしてそれらが位置53、55上に投影する連鎖の中央部にある時、第三炭素である)
を示す、ナノスケール装置。
【請求項３】
前記ロッド形状ダイアモンドイドを構成している炭素原子が実質上sp3混成軌道を有する、請求項2に記載のナノスケール装置。
【請求項４】
前記ロッド形状ダイアモンドイドの長さが、約0.907から1.376nmの範囲内にある、請求項2に記載のナノスケール装置。
【請求項５】
前記ロッド形状ダイアモンドイドが、[121]テトラマンタン、[12121]ヘキサマンタン、及び[1212121]オクタマンタンからなる群から選択される、請求項2に記載のナノスケール装置。
【請求項６】
ナノスケール構築物中で構造成員として使用する少なくとも1個のロッド形状ダイアモンドイドを含み、そのロッド形状ダイアモンドイドが奇数個のアダマンタンサブユニットを有し、その構成成分炭素原子をダイアモンド格子構造の(110)結晶面に投影したとき、以下のパターン：
2005532921.tif 000005
(ここで、位置57と58上に投影する原子は第二炭素であり；
位置51、54に投影する連鎖の末端に由来する2個の原子は第三炭素、もしそれらが位置51、54上に投影する連鎖の中央部にある場合には、第四炭素であり；
位置52、56上に投影する連鎖の末端に由来する2個の原子は、それぞれ、第二及び第三炭素であり、もしそれらが位置52、56上に投影する連鎖の中心部にあるときは第三炭素であり；
位置53、55上に投影する連鎖の末端に由来する2個の原子は、それぞれ、第二及び第三炭素であり、そしてそれらが位置53、55上に投影する連鎖の中央部にある時、第三炭素である)
を示す、ナノスケール装置。
【請求項７】
前記ロッド形状ダイアモンドイドを構成する炭素原子が、実質上でsp3混成軌道化されている、請求項6に記載のナノスケール装置。
【請求項８】
前記ロッド形状ダイアモンドイドの長さが、約0.940〜1.218nmの範囲内にある、請求項6に記載のナノスケール装置。
【請求項９】
前記ロッド形状ダイアモンドイドが[1212]ペタンマンタン、及び[121212]ヘプタマンタンからなる群から選択される、請求項6に記載のナノスケール装置。
【請求項１０】
“L”形状部品、“Y”形状部品、“X”形状部品、“+”形状部品、及び“Z”形状部品からなる群から選択される、少なくとも1個のブラケット形状ダイアモンドイドを含むナノスケール装置。
【請求項１１】
前記ブラケット形状ダイアモンドイドを構成する炭素原子が、実質上sp3混成化されている、請求項10に記載のナノスケール装置。
【請求項１２】
前記ブラケット形状ダイアモンドイドが相互の重ね合わせできない鏡像である2種類のエナンチオマ形を含む、請求項10に記載のナノスケール装置。
【請求項１３】
前記ブラケット形状ダイアモンドイドが第二、第三、及び第四炭素からなる群から選択される取り付け点を含む、請求項10に記載のナノスケール装置。
【請求項１４】
前記ブラケット形状ダイアモンドイドが[1(2)3(1)2]ヘキサマンタン部品を含む、請求項10に記載のナノスケール装置。
【請求項１５】
少なくとも1つのねじ形状ダイアモンドイドを持つナノスケール装置。
【請求項１６】
前記ねじ形状ダイアモンドイドが、[12324]ヘキサマンタン、[123]テトラマンタン、[123412]ヘプタマンタン、及び[1234]ペンタマンタンからなる群から選択される、請求項15に記載のナノスケール装置。
【請求項１７】
ギアー、ローター、または羽根として使用する少なくとも1つのディスク形状ダイアモンドイドを有し、そのディスク形状ダイアモンドイドが、その成分炭素原子をダイアモンド格子(111)結晶面上へ投影した時、次のパターン：
2005532921.tif 000006
(ここで、位置801、802上へ投影する原子は第四炭素である)を示す、ナノスケール装置。
【請求項１８】
前記ディスク形状ダイアモンドイドを構成し、位置805、809、813に投影する炭素原子が、炭素原子の最上層とともに内部環を構成しており、また位置805、809、813上に投影する原子が第四炭素であり；
位置821、825、817上に投影する原子が炭素原子の最下層と内部環を構成しており、位置821、825、817上に投影する原子が第三炭素であり；
位置803、804、806、807、808、810、811、812、814上に投影する原子が、炭素原子の最上層とともに外部環を構成し、位置803、807、811に投影する原子が第二炭素であり、位置804、806、808、810、812、814に投影する原子が第三炭素であり；そして、
位置815、816、818、819、820、822、823、824、826上に投影する原子が炭素原子の最下層とともに外部環を構成し、そして、位置815、819、823上に投影する原子が第二炭素であり、位置816、818、820、822、824、826上に投影する原子が第三炭素である、請求項17に記載のナノスケール装置。
【請求項１９】
前記ディスク形状ダイアモンドイドを構成している炭素原子が、実質上、sp3-混成化されている、請求項17に記載のナノスケール装置。
【請求項２０】
前記ディスク形状ダイアモンドイドが[12312]シクロヘキサマンタンを包含する、請求項17に記載のナノスケール装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施態様は、一般に、ナノテクノロジーにおける構造部品としてのダイアモンドイド類の使用、および分子サブシステムを形成するために一つ以上の構造部品を組み合わせることに関する。特に、本発明は、ロッド類、ねじ類、ブラケット類及びギヤー類としての典型的なダイアモンドイド類、および原子間力顕微鏡チップ類、分子タコメータ類及び信号波形発生器及び自己集合性細胞膜微小孔及びチャンネルなどのサブシステムを構成するための、一つ以上の成分の組み合わせに関する。
【背景技術】
【０００２】
ナノスケール構築物において炭素含有材料は多様な潜在的用途を提供する。炭素の構造-特性相関のレビューがS. Prawerにより、Physics of Novel Materials (World Scientific, Singapore, 1999), pp. 205-234.の“炭素のすばらしい世界”とタイトルされた章でなされている。そこでPrawerは、炭素含有材料の性質を予測するのに使用できるかもしれない二つの最も重要なパラメータを示唆している。その第一番目は、材料中でのsp2対sp3結合の比であり、第二番目は、材料の結晶サイズ、例えば個々の結晶粒サイズ、などが含まれるミクロ構造である。元素炭素は1s22s22p2の電子構造を有し、そこでは外側殻2s及び2p電子は二つの異なるスキームに従う軌道混成能力を持っている。いわゆるsp3混成軌道化は四面体様に配置した4つの同一のσ結合を含んでいる。またいわゆる、sp2混成軌道化は、σ結合平面に垂直配向した結合中のπ軌道を占有する一個の非混成化p電子を伴った3個の三角形型(並びに平面型)σ結合を含んでいる。
【０００３】
結晶モルホロジーの“究極”に、ダイアモンド及びグラファイトが位置している。ダイアモンド中では、炭素原子はsp3混成化により四面体様に結合している。グラファイトは垂直配向したπ結合を通して弱く相互作用しているsp2-混成化原子の平面状“シート”からなる。炭素はさらに、“ダイアモンド様炭素”と呼ばれる非晶質形態及び、それぞれ、“フラーレン類”及び“ナノチューブ類”と呼ばれる非常に対称性の球体及びロッド形構造の他のモルホロジーでも存在する。
【０００４】
ダイアモンドは、多くの異なる物性カテゴリーで最高(また観点によっては最低)の性質を示すことから、例外的な材料である。既知材料中で最も硬いばかりでなく、室温では材料中最高の熱伝導性を有している。ダイアモンドは赤外から紫外領域にわたって優れた光学透明性を示し、透明材料中、最高の屈折率を有している。またその非常に広いバンドギャップのため、優れた電気絶縁材でもある。またそれは、高い絶縁破壊強度と非常に高い電子及び正孔移動性を示す。
【０００５】
ダイアモンドは他の理由からも魅力的な材料である。室温では、ダイアモンドの振幅の二乗平均平方根は0.002nmもの低さであるが、他の材料では、このパラメータは著しく高い。例えば、元素鉛(Pb)は、0.028nmの振幅二乗平均平方根を示す。低振幅はNEMS(ナノ電気機械的システム)の精密な構築と運転のためには重要な性質である。
【０００６】
ダイアモンド及び／またはダイアモンド様材料の微細構造はさらに、微細構造が結合内容のタイプに影響するほどまで、それの性質を決定する。「ダイアモンドの性質、成長及び応用」(M. H. Nazare and A. J. Neves編集(Inspec, London, (2001), pp. 307-312)中で、D. M. Gruenが“超ナノ結晶ダイアモンド薄膜の微細構造及び微結晶粒境界”で述べているように、最近、結晶子サイズが“ミクロ”よりもむしろ“ナノ”域にあるダイアモンドを合成する努力がなされてきており、結晶粒境界化学がバルクで観察されるそれとは劇的に異なる可能性があるという結果が得られている。ナノ結晶ダイアモンド薄膜は、3〜5nm域の結晶粒サイズを有し、ナノ結晶ダイアモンド薄膜の炭素原子のほぼ10％が結晶粒境界に存在することが報告されている。
【０００７】
文献で頻繁には論じられていない炭素形態は、“ダイアモンドイド類”である。ダイアモンド類は橋かけ環シクロアルカン類であり、アダマンタン、ジアマンタン、トリアマンタン、及びアダマンタン(トリシクロ[3.3.1.13,7]デカン)の四量体、五量体、六量体、七量体、八量体、九量体、十量体、その他が含まれる。ここでは、アダマンタンは化学量論式C10H16を持ち、種々のアダマンタンユニットが面縮合してより大きな構造を形成している。これらのアダマンタンユニットがダイアモンドイド類の実質的なサブユニットになっている。これらの化合物は、それらの炭素原子配列がFCC(面心立方)ダイアモンド格子のフラグメント上に重ね合わせ可能な点から、“ダイアモンドイド”トポロジーを有している。
【０００８】
ダイアモンドイド類は、一般に約0.2〜20nm(種々の方向の平均)の分子サイズ域を持つ炭化水素類であるが、同時に、超ナノ結晶ダイアモンドの電子的特性を示す、非常に珍しい炭素形態である。炭化水素類としてそれらは、おそらく各ダイアモンドイドが特異的配向で自己組織化して繰り返し配列したと考えられるvan der Waals固体に自己組織化できる。この固体は、通常のアルカン類でより一般的に見られる隣接C-HX基間の凝集分散力に由来する。ダイアモンドイド類が個々の分子として異常な強度と剛性を持つことは、それらの単離手段から明らかであり：それらは石油原料中のすべての炭化水素材料がメタンやグラファイト様炭素に変換される高温熱分解でも生き残る。
【０００９】
バックミンスターフラーレン(C60)や関連するナノメータサイズの炭素構造物(ナノチューブ類)が、NEMSの構築に応用されてきている。ダイアモンドイド類はバックミンスターフラーレンに匹敵するサイズと相補的特性を有する。ナノ摩擦学研究でダイアモンドの摩擦係数の大きさが、バックミンスターフラーレンのそれより一桁以上も小さくできることが明らかにされている。このことは、二表面間の接触が主要機能であるナノメーターサイズのデバイスの長時間運転に対してダイアモンドを好ましい材料にしている。
【００１０】
ダイアモンドが、マイクロメータサイズのデバイスであるマイクロ-電気機械的システム(MEMS)を構築するために非常に望ましい材料であることが明らかにされている。ダイアモンドからMEMSを構築すると、例えばポリシリコンなどの他材料から構築されたMEMSよりも、10,000倍以上も期待運転寿命を延ばすことができる。ダイアモンドは、同様に、ナノメーターサイズデバイスであるナノ-電気機械的システム(NEMS)の構築に対しても、非常に望ましい材料であることが期待できる。
【００１１】
ナノスケールテクノロジーにおける構造部品として“ダイアモンドイド類”を使用することが、Nanosystems (Wiley, New York, 1992), pp. 253-272で、K.E. Drexlerにより論じられている。Drexlerはナノスケール構成部品の強度、剛性、形状、及び表面特性が、それらが達成できることを決定すると述べている。この章で、Drexlerは構造的観点から構成部品を論じ、運動部品に関心を向けることは自然であるが、代表的システムの大部分は剛性ハウジングの形でその主要部を持つことに言及している。ギアー類、ベアリング類、スプリング類、ねじ類、滑り棒類、及びモータ類は、構成部品を互いに機能する位置で支持するようにテーラーメードされ、広がりを持ったダイアモンドイド構造中に固定するか組み込むように設計すべきである。
【００１２】
Drexlerがナノメータ-サイズ機器構築用ダイアモンドイド構造の品質を初めて特定した。彼は、肉眼で見える機械部品類似物、例えばベアリングなど、の複雑なナノメータ-サイズのダイアモンドイド対象物を想定し、それらの特性を先端的コンピュータ化分子シミュレーションで計算した。この仕事は、Merkleらにより拡張されたが、それでもなお、実際の材料および方法の不足のため、ほとんどは予測にすぎなかった。この困難さは、想定されたダイアモンドイド構造が現在の技術の使用では実際は調製不可能であろうということにある。今までに、四種類の可能性のあるダイアモンドイドのうち四面縮合アダマンタンサブユニットを持つわずか一つ(すなわち、テトラマンタン異性体のうちのわずか一つ)が、非常な困難さを経て、合成されているにすぎない。
【００１３】
同様な方向に沿って、分子加工及び分子エンジニアリングの概念がZ. Asfari とJ. Vicensにより、“Molecular Machines,”(J. of Inclusion Phenomena and Macrocyclic Chemistiy, Vol. 36,pp. 103-1 1 8 (2000))と題されたレビュー論文中でレビューされている。分子加工及び分子エンジニアリングは、原子1つ1つの分子レベルで作製される新規な有機および生物学的材料を製造するための分子操作の一般的能力を開発する方法である。文献中では、用語“分子サイズのチンカートイ(tinkertoy)構築物”及び“分子レゴ”が有機化学のこの部門を特徴づけるために使用されてきた。また、AsfariとVicensは、彼らのレビューの中で、古典力学で解釈できる機械的特性を示す分子サイズシステムを記述している。言い換えると、分子サイズシステムは、システムの他の部品へ電力、力または運動が所定の様式で伝達されたり、または変更されたりするように設計された部品の集合物と考えることができる。これら構成部品の機械特性は、それらの幾何学的構造、単結合周りでの熱による回転能力、システムの構成部品間の立体効果、及びシステムにより提供される剛性構造により力が伝達される様式に関係している。AsfariとVicensによりレビューされた分子サイズシステムには、プロペラ類、ギアー類、勾配付きギアー類、歯車類、ブレーキ類、ラチェット類、回転バー類、振り子類、ジャイロスコープ類、回転子類、羽根類、及びシャトル類がある。
【００１４】
このようなナノスケールシステムにおける回転運動の重要性が、Molecular Machines and Motors, J.-P. Sauvage, ed. (Springer, Berlin,2001), pp. 19-5 1.T.R. KellyとJ.-P. Sestelo,“単一分子機械類における回転運動”と題された他のレビュー(Molecular Machines and Motors, J.-P. Sauvage，刊行(Springer, Berlin,2001), pp. 19-51)で明らかにされている。この章では、制御または協調回転運動を示す分子システムに焦点が合わせられており、またこのようなシステムがいかに種々の巨視的機械装置を分子スケールで複製しているかが強調されている。これら著者により述べられたこのようなシステムの例には、分子ギアー、回転バー類、ブレーキ類、ラチェット類、及び回転モーター類が含まれる。
【００１５】
用語“ダイアモンドイド”に関するDrexlerの定義は、本特許でのそれの使用と比較して広義ものである。用語ナノシステムは、“結合の高密度、三次元ネットワークを有する強くて、堅い、共有結合固体”として定義される。Drexlerは、最も興味あるダイアモンドイド固体は、硼素、炭素、窒素、及び酸素などの周期律表第一列由来の多価元素を含む組成を持っているが、実質的には、珪素、リン、及び硫黄などの類似した第二列元素使用しても良く、水素、フッ素、及び塩素などの1価共有結合元素を制限付きで使用できると述べている。ダイアモンドイド材料の定義に含まれるものには、表1で示される特性を持つ、炭化珪素、アルミナ、窒化珪素、及びタングステンなどがある。
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Drexlerはまた、このようなダイアモンドイド構造は、剛性特性を含めて、分子力学モデリングによる説明に良く従うという、さらなる利点を持つと指摘している。
最後に、Drexlerは“シャフト類、ギアー類及びその他として有用な多くの小さな、正規構造を特定化し、キャラクタライズすることは有益であり；設計を指標化し、再生するための手段も同等に重要である”と述べている。必要なことは、形状及び寸法に関してカタログ化されたダイアモンドイド材料の選択である。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【００１６】
（発明の概要）
ダイアモンドイド類は、文献内で一般的に論議されている炭素形態ではない。それらはアダマンタン、ジアマンタン、トリアマンタン、及び種々のアダマンタンユニット(トリシク[3.3.1.13,7]デカン；化学量論式C10H16)が面縮合して、より大きな構造を形成しているアダマンタン四量体類、五量体類、七量体類、八量体類、九量体類、十量体類などを含む、橋かけ環状シクロアルカン類である。
本発明の実施態様によれば、ダイアモンドイド類は、石油原料から単離され、ナノスケール構築物中で使用される構成部品として提供される。典型的な部分組立品として、ロッド類、ブラケット類、ネジ類及びギアー類が含まれる。一個以上の構成部品を組み立てて、ナノスケールの部分組立品を形成できる。典型的な部分組立品には、タコメーター類、ラチェット／歯止め系類、合成細胞膜微小孔類 (自己組織化する)、電気パターン信号発生器類、および原子間力顕微鏡チップ が含まれる。
【００１７】
ダイアモンドイド構成成分が指標化され、カタログ化できる新規な命名法システムが開発されている。このシステムには、三次元ダイアモンドイド構造から適当な投影平面への原子の投影が含まれる。本発明の一実施態様では、最も適当な投影面は、軸性ロッドでは(110)結晶平面、ネジ類では(111)平面と(100)平面、及びギアー類では(100)平面である。
【００１８】
（発明の詳細な説明）
本発明の実施態様によると、ダイアモンドイドをナノスケール構築物の構成部品として使用できる。本発明の典型的な方法と装置類が、図1に概観されている。
図1を参照すると、ダイアモンドイド類は最初に、工程10において、石油原料から単離される。石油原料からのダイアモンドイド類の回収方法は、本発明と同様の譲受人に譲受された同時係属出願中の米国特許出願出願番号10/017,821、出願日12,12,2001、に開示されており、また、本明細書中にそっくりそのまま組み込まれる。次に、参照番号12で示されるように、これらのダイアモンドイド構成部品はナノスケール構築物中での使用に供される。典型的な構成部品13には、ロッド類、ネジ類、及びブラケット類が含まれる。参照番号14で示されるように、サブシステムを形成させるために、2個以上の構成部品が使用でき、またサブシステムは組み立てられて分子機械類及びナノスケール装置類を構成する。典型的なサブシステム15には、タコメーター類、クラッチ類、微小孔類、パターン信号発生器類、ラチェット/歯止め機構類、及び原子間力顕微鏡チップ類が含まれる。
【００１９】
以下の開示において、典型的なダイアモンドイド構成部品が、それらの三次元形状およびそれらの関連する物性に基づいて説明される。これらの説明事項は、一部、三次元構造は三次元構造の原子を特別な結晶面へ投影することにより、簡略化された二次元的説明に減じることができるという認識に基づいている。実際、出願人らは、この操作を本発明のダイアモンドイド類へ適用すると、同じクラス(ロッド類、ブラケット類、ギアー類、ネジ類)に属する複数の構成部品が、単一記述でカバーできるような、ある種のパターンが明確になることを観察している。
この命名システムの説明（ダイアモンドイド構成部品の2〜３の説明はすでに例示されている）によれば、ナノスケールサブシステムを形成するためにダイアモンドイド構成部品を組み合わせることができるという方法に序章が与えられる。通常、これは 2個以上のダイアモンドイド構成部品の連携を含んでいる。例えば、ギアーと併用される軸状ロッドを含む典型的サブシステムは回転速度測定用のタコメーターの基礎を形成する。関連する装置は電気的エンコーダとして使用される。さらなる典型的サブシステム類として、伝動クラッチ類、原子間力顕微鏡チップ類、細胞膜に挿入するのに適したナノスケール微小孔類(及びそれはまた自己組織化性であっても良い)、及びラチェット-歯止め機構類が例示される。
【００２０】
石油原料からのダイアモンドイド類の単離
回収可能量の高級ダイアモンドイド類を含む供給原料として、例えば、天然ガスコンデンセート類 およびクラッキング、蒸留、コークス化プロセスなどから得られる精油所ストリームが挙げられる。特に好ましい供給原料は、メキシコGulf湾のNorphlet地層およびカナダのLeDuc地層に起源するものである。
これらの供給原料は、高割合(しばしば、約2/3の割合)で“低級”ダイアモンドイド類アダマンタン、ジアマンタン及びトリアマンタンを、また低割合で、しかしながらかなりの割合でダイアモンドイド類テトラマンタン及びより高級物(しばしば、約0.3〜0.5重量％に及ぶ)を含んでいる。そのような供給原料を処理して、非ダイアモンドイド類を取り除き、そして高級及び低級ダイアモンドイドを分離(必要に応じて)することは、例えば、膜、分子篩などによるサイズ分離法、蒸発、常圧または減圧下での熱分離器、抽出機、静電分離器、結晶化、クロマトグラフィー、ウエルヘッド分離器などを使って実行できる。
【００２１】
好ましい分離法として、通常は、供給原料の蒸留が挙げられ、この蒸留により低沸点の非ダイアモンドイド成分が除去できる。またそれにより、単離対象物として選択された高級ダイアモンドイド類の沸点未満の沸点を持つ低級または高級ダイアモンドイド成分が除去または分離できる。いずれにしても、低級カット成分は低級ダイアモンドイド類及び低沸点非ダイアモンドイド物質に富んでいる。蒸留は、特定高級ダイアモンドイドの初期単離が起こる重要温度範囲内で、幾つかのカット成分を得るように操作できる。高級ダイアモンドイド類または関心のあるダイアモンドイドに富んだカット成分は、蒸留残液として残留し、さらなる精製を必要とする。不純物除去とダイアモンドイド類に富んだ留分のさらなる精製を行うための他の方法として、非制限的に以下の例を挙げることができる：サイズ分離法、常圧または減圧下での蒸発、昇華、結晶化、クロマトグラフィー、ウエルヘッド分離器、フラッシュ蒸留、固定床、流動床反応器、減圧など。
【００２２】
非ダイアモンドイド類の除去は、同様に、蒸留の前または蒸留に引き続いての熱処理工程で行うことができる。この熱処理工程には、水素化処理工程、水素化分解工程、水素化加工工程、あるいは熱分解工程が含まれる。供給原料からの炭化水素質の、非ダイアモンドイド成分を取り除くためには、熱処理が有効手段であり、それの1実施態様である熱分解は、供給原料を、真空条件下あるいは不活性雰囲気下で、少なくとも約390℃の温度、最も好ましくは約410〜450℃の温度に加熱することで達成される。熱分解は、熱分解以前に供給材料中に存在する非ダイアモンドイド成分の少なくとも10重量％が熱的に分解されるに十分な時間長さと十分に高い温度で続けられる。好ましくは、非ダイアモンドイド類の少なくとも約50 重量％、より好ましくは、少なくとも90重量％が熱分解される。
【００２３】
水素化分解や熱分解などの熱処理は、1実施態様では好ましい一方、ダイアモンドイド類の回収、単離、あるいは精製を容易にするためには必ずしも必要ではない。ある供給原料のダイアモンドイド濃度が、ダイアモンドイド単離に分取ガスクロマトグラフィーや高速液体クロマトグラフィーを含むクロマトグラフィー、結晶形成分別昇華などの直接精製法を使用できるほどに十分に高い場合、他の分離法を使用できる。
これらの水素化処理操作(水素化分解、水素化処理、及び水素化最終処理が含まれる)を、ダイアモンドイド含有合成廃液及び誘導体化及び他の反応中に生成した望ましくない副生物からダイアモンドイド類を回収するのに使用できる。低収率誘導体化反応中に失われる他の合成出発材料とは異なり、我々の水素化処理法ではダイアモンドイド類は良好な収率で再生される。このような方法で、ダイアモンドイド類はリサイクルでき、他の用途に再使用できる。ダイアモンドイド類は非常に貴重な材料であるので、この水素化処理再生能は重要なことである。それにより、貴重なダイアモンドイド出発物質が失われないので、非常に貴重な生成物を生成させるための低収率誘導体化反応でさへも利用できるようになる。
【００２４】
蒸留または熱分解/蒸留の後でさえも、この発明で採用される組成物で使用するための選定ダイアモンドイドを得るためには、材料のさらなる精製が望ましいことがあり得る。このような精製法には、クロマトグラフィー、結晶化、熱拡散法、帯域精製法、漸進再結晶法、サイズ分離法およびその他が含まれる。例えば、1つのプロセスでは、回収された供給原料は以下の追加的操作にかけられる：1)硝酸銀含浸シリカゲルを用いた重力カラムクロマトグラフィー；2)ダイアモンドイド類を単離するための二カラム分取キャピラリーガスクロマトグラフィー；3)非常に濃縮されたダイアモンドイドの結晶を得るための結晶化。
代替プロセスは、関心があるダイアモンドイドを単離するための高速液体クロマトグラフィーを含む単一または多重カラム液体クロマトグラフィーの使用である。上述したように、異なる選択性を持つ多重カラムが使用できる。これらの方法を用いたさらなる処理により、さらに洗練された分離ができ、実質的に純粋な成分を得ることができる。
【００２５】
図2は、ダイアモンドイド類を石油系原料から抽出するためのプロセスフローを結線図形で示したものである。高級ダイアモンドイド組成物を得るための供給原料処理の詳細方法は、米国仮特許出願書No.60/262,842、2001年1月19日出願；米国仮特許出願書No.60/300,148、2001年6月21日出願；及び米国仮特許出願書No.60/307,063、2001年7月20日出願、及びR.M.Carlsonらによる“高級ダイアモンドイド類の濃縮法”と名称づけられ、本発明の譲渡人に譲渡された同時係属出願で説明されている。これらの出願内容は参照することで、そっくりそのまま、本明細書中に取り込まれる。
【００２６】
ダイアモンドイド類の化学的説明
化学的には、ダイアモンドイド類は、アダマンタン、ジアマンタン、トリアマンタン、テトラマンタン、ペンタマンタン、ヘキサマンタン、ヘプタマンタン、オクタマンタン、ノナマンタン、デカマンタン、ウンデカマンタンなど、及びそれらの全ての異性体及び立体異性体を含むアダマンタン系列の置換及び非置換かご型化合物である。これらの化合物は、それらの炭素原子配列がFCCダイアモンド格子フラグメントに重ね合わせ可能であることを意味する“ダイアモンドイド”トポロジーを有している。置換ダイアモンドイド類は、1〜10個、好ましくは1〜4個の独立して選択されるアルキル置換基を含むことができる。
【００２７】
アダマンタン化学は、Fort,Jrらにより“アダマンタン：ダイアモンドイド構造の帰結”、Chem. Rev. Vol. 64、 pp. 277-300(1964)で、レビューされている。アダマンタンはダイアモンドイド系列の最小成員であり、単一かご型結晶サブユニットと考えることができる。ジアマンタンは2個、トリアマンタンは3個、テトラマンタンは4個のサブユニットを含んでいる。アダマンタン、ジアマンタン、及びトリアマンタンの異性体型は1つだけであるが、テトラマンタンには、4個のアダマンタンサブユニットを配列させるときの4個の異なる可能性のある配列様式により、4個の異なる異性体(そのうちの2個はエナンチオマ対である)が存在する。可能性のある異性体数は、ダイアモンドイド系列の各高級成員、すなわち、ペンタマンタン、ヘキサマンタン、ヘプタマンタン、オクタマンタン、ノナマンタン、デカマンタン、その他と共に、非線形的に増加する。
【００２８】
商業的に利用可能なアダマンタンは、広範囲に研究されてきている。その研究は、熱力学的安定性、官能化、及びアダマンタン含有物質の性質など、多数の分野を指向したものである。例えば、次の特許ではアダマンタンサブユニットを含む物質を議論している：米国特許第3,457,318号では、アルケニルアダマンタン類からの重合体の調製を教示しており；米国特許第3,832,332号ではアルキルアダマンタンジアミン由来のポリアミド重合体発泡体を教示しており；米国特許第5,017,734号ではアダマンタン誘導体からの熱安定性樹脂の生成を論議しており；そして、米国特許第6,235,851号では種々のアダマンタン誘導体の合成と重合を報告している。
【００２９】
対照的に、高級ダイアモンドイド類は化学文献の中ではほとんど関心を持たれてこなかった。McKerveyらは、“大ダイアモンドイド炭化水素類への合成アプローチ”(Tetrahedron, Vol. 36, pp. 971-992(1980))の中で、手間のかかる多段プロセスによる低収率でのanti-テトラマンタンの合成を報告している。本発明者らの知る限りでは、これが今までに合成された唯一の高級ダイアモンドイドである。Lin らは、質量分析研究に基づいて報告された“深い油層中でのテトラマンタン(C22H28)、ペンタマンタン(C26H32)及びヘキサマンタン(C30H36)の自然発生”(Fuel, Vol. 74(10), pp. 1512-1521(1995))で、テトラマンタン、ペンタマンタン、及びヘキサマンタンが深い油層中に存在することを示唆している。また、Chenらにより、米国特許第5,414,189号で、ダイアモンドイド含有供給原料蒸留後のポット物質中に、テトラマンタン及びペンタマンタンが存在する可能性が論議されている。
次に、利用可能なダイアモンドイド類の性質と形状が、ナノスケール構築物の構成部品としてのそれらの潜在的用途と関係づけて論じられる。
【００３０】
ダイアモンドイド構成部品
ダイアモンドイド構成部品は、種々の方法によるナノスケール構築物に有用と考えられている。ダイアモンドイド類がナノテクノロジー分野へ提供するサイズ及び形状は非常に大きな多様性をもっており、それらをカタログ化するシステムの必要性が示唆されているように思われる。この開示において、典型的なダイアモンドイド類は、ロッド類、ブラケット類、ネジ類及びギアー類として特に有用であると記述される。これらは考えられている唯一の構成部品の分類ではなく、例示目的のためにのみ提示されたものである。
次の思考実験を想像してください。選択すべき材料としてダイアモンドが指定されている特別なナノスケールの設計に対して、ダイアモンドの異方性がアプリケーションの立体構造と一致するようにダイアモンド格子を配向させることは都合のよいことである。例えば、ダイアモンド材料を、特定の弾性率がある方向に利用できるように、または他の方向への拡散が増大するように配向させることが必要であろう。本発明のダイアモンドイド類の可用性以前に、“原料”ダイアモンド片のダイアモンド格子は所望の様式で配置でき、次いで、前駆体“原料部品”の外部はその望ましい形が形成されるように“ナノ加工”工程で余分な材料は除去されることが必要である。ルネサンス時代の芸術家のミケランジェロは、創作しようとする彫像を大理石の内側に思い浮かべることができ、またそのことは、所望の形が露出されるまで余分な材料をブロックの外側から取り除くことにすぎなかったと言われている。
【００３１】
同様な方式で、図3Aのダイアモンドブロックは、結晶平面(100)、(110)、及び(111)が確認できる特定方向に置くことができる。図3B〜Dは、これらの面に垂直に見たときのダイアモンドの外観を示している。実際のナノスケール設計における第一段階には、強度、弾性率、拡散を使用した材料パラメータに基づいて選択されるダイアモンド格子の最良配置の決定が含まれる。本実施態様の発見に先駆けて、ダイアモンド構成部品の外部にある不必要材料を除去するミケランジェロ型工程(実際上は不可能な試み)が必要であろう。しかしながら、本実施態様によれば、選択されるダイアモンドイド自体が所望形状を提供するので、この工程は必要ではない。図3Aのダイアモンドブロック内に利用可能な多数のダイアモンドイド類を思い浮かべることは非常に難しい。そのため、この発明の1つの目的は、このダイアモンドイド類選択のカタログ化、指標化及び説明のための体系的な方法を提供することにある。
【００３２】
図3A〜Dを参照すると、本発明の開示により、より良く知られた巨視的機械部品に対応するダイアモンドイド類似体を説明する新規な方法が提供される。この開示は、ダイアモンドケージ骨格内に見いだされる可能性のあるナノメーターサイズ構造体から始まる。このアプローチは、縮合アダマンタンサブユニット(すなわち、ジアダマンタン)を、図3Aで図示されたダイアモンド骨格から視覚的に「彫りだす」ことからなる。この開示は、漸次大きくなり、より複雑になるダイアモンド骨格の片を検証し、巨視的構築物で使用される構成部品の見覚えがある類似体となる構造を示す安定なダイアモンドイド分子を探索するように進行する。典型的な構成部品類は、それらの巨視的対応物に類似した最小の可能性があるダイアモンド構造目的物を同定する。
【００３３】
上述したように、この開示でのダイアモンドイド構成部品の説明は一部、それらの三次元構造が、三次元構造の原子を平面、特に結晶平面上に投影することで、単純化された二次元的表現に変えることができるという認識に基づいている。出願人らは、原子がその上に投影される適当な平面は、説明される部品のクラスにより変わることに気づいた。例えば、この文脈において軸状ロッド類として有用なダイアモンドイド類は、炭素原子をダイアモンド立方格子の(110)結晶平面に投影することで見ることができる。対照的に、本出願においてギアー及びその類として有用な縮合シクロマンタン類は、構成原子を(111)平面に投影することで図示できる。他の例では、ダイアモンドイドねじは、ダイアモンド立方格子の(100)または(111)結晶平面のいずれかへの投影で説明できる。
【００３４】
ダイアモンドイド系列の中で最も小さいものは、図4で示されるような、アダマンタンと呼称される分子である。アダマンタンは、しばしば、六員炭素環又はアダマンタン分子自体のある部分が四面体形キャビティーを形成している“かごユニット”として配置された、四面体様に結合したsp3-混成炭素原子ネットワークを含んでいる。これらのかごユニットの1つをダイアモンド結晶格子から切り出すことができ、ぶら下がっている炭素原子を水素原子で終わらせることが可能ならば、その結果はアダマンタン分子になるであろう。巨視的ダイアモンド結晶の表面もまた水素結合で終わらせることができる。それゆえに、アダマンタンは巨視的ダイアモンドとなる潜在的無限分子系の最初の成員である。アダマンタンは、ダイアモンドイド炭化水素と呼称され、他の10炭素炭化水素分子と較べて、顕著な化学的および物理的性質のセットを有している。
【００３５】
再び図4を参照すると、面縮合かごユニット；すなわち、かごユニットが炭素原子を共有し、面を形成するように一体化した、より大きなダイアモンドイド類を幾何学的に見ることができる。この面縮合かご構造はダイアモンドイド類の特筆すべき特徴であり、それらに安定性、強度、および剛性を賦与している反面、それらの合成を異常に難しくしている。用語「面縮合」は構造を記述するものにすぎないが、より大きな分子量を持つダイアモンドイド類を低分子量ダイアモンドイド類から合成するための一段階縮合プロセスは全く知られていない。
Von Scheylerにより発見された独創的方法が、低分子量ダイアモンドイド類、アダマンタン、ジアマンタン(二面-縮合かご)、およびトリアマンタン(三面-縮合かご)、の合成に使用できる可能性がある。この方法は、ダイアモンドイド類は類似した分子式および/または分子量を持ついかなる他の化合物よりもはるかに熱力学的に安定な構造を有するという事実を巧妙に利用している。超酸媒体中で、カルボカチオン反応を経て転位を強制された類似化学量論的化学式を持つ炭化水素類はそれらのダイアモンドイド構造に転位することが考えられるが；残念ながら、この反応は4個以上のかごを含んだダイアモンドイド類ではうまくいかない。これら高級ダイアモンドイド類の転位時の中間体数は天文学的であり、反応速度論がそれらの生成をブロックしている。
【００３６】
図4はまた、それぞれのダイアモンドイドの構造形態数が分子量の増大とともに迅速に増大するという事実を図示している。アダマンタン、ジアマンタン、およびトリアマンタンはたった1つの構造形態しか持たないが、テトラマンタンおよび高級なものは一連の異性体を示し、その数はかご数の増加に伴い、迅速に増大する。Balabanらにより“ダイアモンド炭化水素の体系的分類と命名-I”(Tetrahedron Vol. 34, pp.3599-3606 (1978))で確立された約束事によるこれらダイアモンドイド類の括弧付き命名法を用いると、4種類のテトラマンタン構造は、iso-テトラマンタン[1(2)3], anti-テトラマンタン[121]およびskew-テトラマンタン[123]の2個のエナンチオマである。これら全てのテトラマンタン類は化学式C22H28(分子量292)を有している。10種類のペンタマンタン類が存在可能であり、9種類は分子式C26H32(分子量344)を持ち、これら9種類の中に、一般に[12(1)3]、[1234]、[1213]で表される3対のエナンチオマが、[12(3)4]、[1(2,3)4]、[1212]で表される9種類のエナンチオマ性ペンタマンタン類とともに存在する。また、分子式C25H30(分子量330)で表される一種類のペンタマンタン[1231]が存在する。
【００３７】
ヘキサマンタン類は39種類の可能性のある構造で存在し、そのうち28種類は分子式C30H36(分子量396)を持ち、またこれらの内、6種類は対称性である。また、10種類のヘキサマンタン類は分子式C29H34(分子量382)を持ち、残りの一種類のヘキサマンタン[12312]は分子式C26H30(分子量342)を有している。
ヘプタマンタン類は160種類の可能性のある構造で存在すると仮定されており、そのうちの85種類は分子式C34H40(分子量448)を持ち、それらの7種類はアキラルであり、エナンチオマを全く持たない。残りの67種類のヘプタマンタンは分子式C33H38(分子量434)を持ち、6種類は分子式C32H36(分子量420)を持ち、2種類は分子式C30H34(分子量394)を持っている。
【００３８】
オクタマンタンはアダマンタンサブユニットを8個持ち、5種類の異なる分子量で存在している。オクタマンタン間では、18種類が分子式C34H38(分子量446)である。オクタマンタン類はまた、分子式C38H44(分子量500)；C37H42(分子量486)；C36H40(分子量472)、及びC33H36(分子量432)でも存在している。
ノナマンタン類は、次の分子式と、異なる分子量を持つ6組の群内に存在する：C42H48(分子量552)、C41H46(分子量538)、C40H44(分子量524)、C38H42(分子量498)、C37H40(分子量484)およびC34H36(分子量444)。
デカマンタンは７種類の異なる分子量を持つ群として存在する。デカマンタン類のうち、他のデカマンタン類と比較して構造的にコンパクトな分子式C35H36(分子量 456)を持つデカマンタンは1種類だけ存在する。他のデカマンタン群は分子式：C45H52(分子量604)；C45H50(分子量590)；C44H48(分子量576)；C42H46(分子量550)；C41H44(分子量536)；及びC38H40(分子量496)を持っている。
ウンデカマンタンは８種類の異なる分子量を持つ群内に存在する。ウンデカマンタン類のうち、他のウンデカマンタン類と比較して構造的にコンパクトな、分子式C39H40(分子量508)で表される二種類のウンデカマンタンがある。他のウンデカマンタン群は、分子式C41H42(分子量534)；C42H44(分子量548)；C45H48(分子量588)；C46H50(分子量602)；C48H52(分子量628)；C49H54(分子量642)；およびC50H56(分子量656)で存在している。
【００３９】
軸性ロッド類、シリンダー類、チャンネル類
典型的な実施態様では、ダイアモンドの(110)結晶面を検証することで、本実施態様のロッド又はシリンダー様構造をおもい描くことができる。これらロッド様構造では、約0.3〜0.6nmの“耐荷重性”直径を持つ炭素骨格だけが考慮され、ダイアモンドイドの表面上の“水素保護層”は無視されている。(110)結晶平面はこれらロッド類それぞれの軸に対して垂直である。
ダイアモンドイド類を指標化し、カタログ化する命名システムの一例が、軸性ロッド構成部品を用いて紹介される。本発明の実施態様において、石油原料から単離されるダイアモンドイド類は、ナノスケール構築物で軸性ロッドとして使用するのに適した形状をしており、ロッドが支えることを要求される負荷は、ダイアモンド構造の(110)平面に垂直な軸に沿ってかけられる。
【００４０】
図5A〜Gは本発明の実施態様による典型的な軸性ロッドダイアモンドイド構成部品を図示している。図5Aの典型的なダイアモンドイドはデカマンタンの[121212121]異性体であるが、本実施態様を説明するのにロッド形状ダイアモンドイド類のいかなるものも選択できる。このデカマンタンダイアモンドイドの[121212121]異性体は、平面上、この場合は特定の結晶面で、ある空間特徴を際だたせるために選択された結晶学的平面に分子の原子が投影できる方法を説明するのに役立つ。
図5Aを参照すると、軸性ロッドがロッドの中心軸50を表す矢印とともに示されている。この中心軸50は、ダイアモンド格子の(110)平面に垂直である。ダイアモンドイド中の各々の炭素原子は、図5Bの投影図との関係づけを容易にするため番号付けされている。図5Bの概略図が、従来有機化学者が化学構造を表現するのに使用してきた図命名法ではなく、ねじれ線、又は2本の線の交点が炭素原子の位置を表しており、線の終末端が-CH3メチル基を表していることに注意すべきである。図5B中の図面は、三次元構造に由来する原子の一群が特定面へ投影された時に占める位置を表現するために工夫された略図である。
【００４１】
図5Bで、投影位置57は、図5A中の原子38、40、42、44、45が、その法線(垂線)が軸50である平面上へ投影された時にとる二次元平面上の位置を表す。これは、図5Bの紙面により表された平面であり、この例では、ダイアモンド格子の結晶学的(110)平面でもある。同様に、投影位置58は、図5Aの15、17、19、21および 23 原子が、その法線が軸50と一致する平面上に投影されたときに、投影される位置である。この分野の熟練者は、位置57、58に投影するダイアモンドイドの原子のそれぞれが、それぞれの場合、第二炭素原子であることに気づくであろう。完全に水素化された第二炭素原子はまた、メチレン基とも言うことができる。
軸50に垂直な面上への図5Aのダイアモンドイドの原子を投影するプロセスを続けると、原子1、11、27、37、39、41は、図5Bの位置51へ投影される。“末端”(末端は連鎖の終点を意味する)原子11と27は第三炭素であるが、“内側”又は“中央”位置1、37、39、41は第四炭素であることが、この分野の熟練者により見出されるであろう。第三炭素は他の3個の炭素が四面単配位様式で結合した炭素である。同様に、第四炭素は他の4炭素原子に四面体様に結合された炭素である。この例では、位置51上に投影する6個の原子があり；4個は連鎖の真ん中にある第四炭素であり、2個は連鎖の末端にあり、第三炭素である。
【００４２】
原子を投影するプロセスを続けていくと、原子14、16、18、20、22、24は、図5Bの位置54の上に投影される。この場合、末端原子14、24は第三炭素であり、中央原子16、18、20、22は第四炭素である。
原子12、28、30、32、34、36は位置52上に投影され、原子2、4、6、8、10、26は位置56上に投影される。これらの場合、それぞれで、連鎖末端に1個の第二炭素と1個の第三炭素があり、連鎖中央部に4個の第三炭素がある。同様にして、原子13、35、33、31、29、46は、位置53に投影され、原子3、5、7、9、25、43は位置55へ投影される。投影位置52、56であったように、位置53と55に投影する1個の第二炭素と1個の第三炭素が連鎖末端に、および4個の第三炭素が中央部に存在している。
【００４３】
このような原理は異なる長さを持つ種々のロッド形状ダイアモンドイド類に拡張できる。図5C〜Gに、それぞれの長さが約0.907、0.940、1.138、1.218および1.376nmである、異なる長さを持つ典型的なロッド形状ダイアモンドイド類が示されている。これらのロッドの実際の対応ダイアモンドイド異性体は、それぞれ、[121]テトラマンタン異性体、[1212]ペンタマンタン異性体、[12121]ヘキサマンタン異性体、[121212]ヘプタマンタン異性体、および[1212121]オクタマンタン異性体である。
【００４４】
図5Bの投影はまた、投影された原子位置間の距離を記述するのに便利である。例えば、中央軸50から投影された原子位置51、54までの距離は約0.135nmであり、中央軸50から投影された原子位置52、53、55、56までの距離は、約0.135nmである。また、中央軸50から投影された位置57、58までの距離は、約0.315nmである。これらの距離が、三次元ダイアモンドイド構造の原子間の実際距離ではないこと；それらが単に、この構成部品の同族成員間の空間的関係をキャラクタライズするのを助ける投影平面の数学的点の数値表現に過ぎないことは、この分野の熟練者には容易に理解されるであろう。
【００４５】
ロッド形状構成部品の同族成員間で観察される典型的な空間関係を、図5Hに表示した。この分野の熟練者は三次元軸性ダイアモンドイドロッドがロッド軸に垂直な平面へ投影されたときに現れるパターンを観察できるであろう。例えば、位置57, 58上に投影する原子は常に第二炭素であり、位置51、54上に投影する原子は、それらが連鎖末端にあるならば、第三炭素であり、それらが連鎖中央に起源するものであれば、第四炭素である。
再び、図5Hを参照すると、投影された位置52，56，53，55の状態が、軸性ロッドのアダマンタンサブユニット数が偶数(例えば、テトラマンタンやヘキサマンタン)の場合、1個の第二炭素と第三炭素が連鎖末端にあり、軸性ロッドのアダマンタンサブユニット数が奇数(例えば、ペンタマンタンやヘプタマンタン)の場合、連鎖末端の原子の両方共に第二炭素であるという点で、わずかではあるがさらに複雑になっていることに気づくであろう。しかしながら、アダマンタンサブユニット数が偶数であろうと、奇数であろうと、連鎖中心部にある全ての原子は、第三炭素である。
【００４６】
ブラケット類
ダイアモンド構造をしたナノメーターサイズのブラケット類、コネクター類、及びテンプレートがこれから論議される。ナノスケール構築物のためには、剛性なナノメーターサイズのコネクター類、ブラケット類、テンプレート類およびスペーサ類が必要とされる。ロッド形ナノ構造物では対応できない角及び隔たりでの多数の相互結合が必要なアプリケーションのために、ロッド類以外の形状物が必要とされる。これらのアプリケーション用の、最小の、あり得る“L”形構成部品の例を、図6Aに示す。さまざまな型の多数の異なる接続点を持つ多様な幾何学的構造物を利用できる。
図6Aで、“L”型部品を601で示し、中間点に伸展部を持つロッドを602で示し、“Y”型部品を603で示し、“X”型部品を604で示し、“+”型部品を605で示し、“C”型部品を606で示し、“Z”型部品を607で示す。多様な他の形もまた、他の形状特異的アプリケーションに合うことが可能である。これら部品のいくつかは、非常に対称的で、たった1つの構造形状しか示さず、すなわち、アキラルである。図6Aの603、604、605及び607でそれらの例を示す。
【００４７】
他の部品は、掌性を持ち、すなわち、重ね合わせ不能な相互の鏡像である2個のエナンチオマ型を示すキラル物質である。それらの例を図6Aの601、602、606で示す。キラルな部品は、特に生物学的アプリケーションで重要な、細胞受容体または酵素活性部位と相互作用するように設計された複合ナノ構造物などの、すばらしい構造特異性を持つナノ構造物を構築する能力を備えている。これら部品の数と複雑さは、それらが含有するダイアモンド結晶かごユニット数が増加するにつれて増加する。
【００４８】
取り付けまたは結合部位の数と型は、異なるダイアモンドイド部品、特にテトラマンタンやそれより高級物、の間で変化する。図6Bで、図6A中の604で示した“X”型、[1(2)3(1)2]ヘキサマンタン部品、上の異なる第三及び第二取り付け部位を示す。2つの異なる視点から、“X”交差成員の末端にある4個の第三炭素取り付け点を、図6Bの608で示す。分離して、同一線上に並んだ2個の第三取り付け部位を609で示す。この609部位は“X”交差成員間に位置している。これらの部位は、それぞれ、ダイアモンドイド骨格内の1個の第四炭素と2個の第三炭素へ直接結合されているので、それらは特に剛性な相互結合作成のための部位である。
【００４９】
図6Bの608と609の両取り付け部位ともに、放射状配向している。軸性配向を持つ“X”型、[1(2)3(1)2]ヘキサマンタン部品への、全6個の第三取り付け部位を図6Bの610で示す。軸性配向を持つ“X”型、[1(2)3(1)2]ヘキサマンタン部品への、全8個の第二取り付け部位を図6Bの611で示す。放射状配向した第二取り付け部位を、図6Bの613と614で示す。全8個の613の第二取り付け部位は、611で示す8個の対応するaxial第二取り付け部位と関連した、equatorial配向を持つ。614の第二放射状部位は、対応する炭素原子への両取り付け部位ともに、放射状配向を持つという点でユニークである。この“X”型部品は正方形物体の取り付けに有用である。図6Cと6Dは、図6Aの603で示した“Y”型ブラケット及び607で示した“Z”型ブラケットに関する同様な情報を示す。
【００５０】
ねじ類
最小のあり得るダイアモンド構造ねじ類は、異なるピッチを示し、異なるダイアモンド結晶面に垂直な回転軸を持つ、2種類の別々の変種として存在する。図7A〜7Fはナノメーターサイズねじの1タイプと関係しており、図7Gと7Hは、他のタイプと関係している。図7Aを参照すると、701に、八面体ダイアモンド結晶の6点中の1つを取り囲む炭素骨格が示されている。図7Bは再び図7Aのダイアモンド結晶点701を示すが、炭素骨格がより容易に見られるように拡大したものである。図7Bにおいて、八面体ダイアモンド結晶点である末端炭素原子を702で示す。702の炭素原子点は、ダイアモンド中の2個の他炭素原子にだけ結合しているゆえに、事実上、第二炭素である。701結晶格子中で示した全ての他炭素は、3個又は4個の他炭素原子に結合しており、それらは、それぞれ、第三か第四炭素原子となっている。図7Bで、703は第三炭素原子の一例を示し、そして704は第四炭素原子の一例を示している。ナノメーターサイズの、ダイアモンド構造ねじの一系列は常に、702で示したものと等価の第二炭素原子をその回転軸のいずれかの先端に含んでいる。図7Bを再び参照すると、6個のダイアモンド結晶格子かごと30炭素原子を含むねじが、705で指示される濃い炭素結合格子で示されている。702と706で指示された炭素原子は、このねじの回転軸に沿った2末端である。図7B中で、705の濃く印刷された炭素骨格で示されるねじ構造は、右手螺旋形状を持っている。右手-及び左手-30炭素原子ねじの両方は、701-格子骨格内でトレースできる。左手型は一端に702で示されるものと同じ第二炭素原子を含んでいるが、707で示されるものとは異なる炭素原子をその回転軸の反対末端に含んでいる。左手型はまた703と704に炭素を含んでいるが、705で指示され、濃く印刷された骨格で示される右手型は含んでいない。
【００５１】
これら2種類の6-ダイアモンド結晶格子かご、30-炭素原子ねじの、右手-及び左手螺旋型が、ねじの炭素骨格を囲んでいる余分なダイアモンド格子炭素骨格が取り除かれた図7Cでより容易に見られる。図7Cで、右手ねじが708で示され、左手ねじが710で示されている。709で示されるスパイラルは、708で示されたねじの右手溝を意味し、ねじ710の左手溝は711のスパイラルで示される。708で示される右手ねじの両反対末端は、712と714で示されている炭素原子であり、710で示される左手ねじの両反対末端は、715と713で示されている炭素原子である。708と710で示されているこれらのねじは、重ね合わせできない相互の鏡像である。
【００５２】
図7Bの濃く印刷した骨格705で示し、図7Cの708で示した分子構造の右手ねじを、その回転軸と垂直な方向から見て、図7Dの716で再び示す。716で示されるこのねじの回転軸を717で示し、716-ねじを材料内へ駆動するのに必要なねじり方向を、図7Dの円形矢印718で示した。これはねじを時計方向に回すことに相当する。その回転軸に平行に見たときの右手-、30-炭素原子ねじの図が、図7Dの719である。この図の回転軸はドット720で示されており、材料にねじをねじ込むために必要なねじりの方向は図7D中の円形矢印721で示される。再び、これはねじを時計方向に回すことに相当する。
【００５３】
図7Cの710で指示される左手、6ダイアモンド-結晶格子かご、30-炭素原子ねじの同様な図を、図7Dで示した。左手ねじをその回転軸に垂直にみた時の図を、図7D中、722で示した。そのねじの回転軸を723で示し、それを材料中にねじ込むのに必要なねじり方向を図７D中の回転矢印で示した。これは、ねじを反時計方向に回すことに相当する。この左手-、30-炭素原子ねじを、その回転軸に平行にみた時の図を、図7Dの725で示す。この図の回転軸はドット726で示され、ねじを材料中にねじ込むのに必要なねじりの方向は、図7Dの円形矢印727で示される。再び、これはねじを反時計方向回すことに相当することに留意すべきである。この技術分野の熟練者は、図7Dの、回転軸と平行に見たときの右手ねじ719と左手ねじ726の図が、これら高級ダイアモンドイド分子の(100)ダイアモンド結晶面を見ることと等価であることに気づくであろう。
【００５４】
一連の四種類の右手-、ナノメーターサイズの、ダイアモンドイド構造ねじを、図7Eに示した。この系列の、最小の、存在しうるねじを、図7E中で、炭素-フレームワークフォーマットの728で、及び空間充填CPKフォーマットの729で示す。図7E中の構造物729上で737から741で示す水素原子は、ねじ溝の底部エッジを縁取っており、またCPK構造中の溝の位置を示すために、濃く、またわずかに大きく印刷されている。このねじ系列に存在する螺旋溝もまた、右手ねじ用の図7Cのスパイラル709により示される。図7Eの728と729で示されるねじ構造は、Balaban命名法(Balaban, 1978)による配列[123]を持ち、“P”立体配置を持つテトラマンタンとして知られる高級ダイアモンドイド分子に相当する。このねじ形高級ダイアモンドイドは、図7Eでは右手型だけが728で示されているが、左手-及び右手型の両方を持っている。図7Eの728と729で示されるねじは、このナノメーターサイズのダイアモンド構造ねじ系列を特徴づける螺旋構造の完全一回転を有している。このシリーズの、より長い、右手型成員の炭素フレームワーク構造を、ねじ螺旋の1.25回転を持つねじ(P-[1234]-ペンタマンタンに相当)については図7Cの730で、螺旋の1.5回転を持つねじ(P-[12341]-ヘキサマンタンに相当)については732で、そして螺旋の1.75回転を持つねじ(P-[123412]-ヘプタマンタン)については734で示す。このねじ系列の全成員は同一ピッチを有している。この系列で最長の成員734について示した図7E中、括弧742で示されるピッチは、約0.37nmに等しかった。全てのねじは、図7Cの708及び図7Eの732でも示され、6-ダイアモンド結晶格子かご、30-炭素原子ねじ743でしめされるものと同様の、約0.72nmの同一直径を有していた。図7Eの729で示された最短ねじは、約0.68nmの長さを持ち、図7Eの732で示された最長ねじは、約1.1nmの長さを有している。
【００５５】
ダイアモンド構造物のナノメーターサイズねじの異なる系列を、図7Iを介して図7Gで示す。図7において、この新ねじ系列の右手型、6ダイアモンド結晶格子かご含有成員を745に示し、左手型を746に示す。図7G中の745と746で示される図はねじの回転軸に垂直方向から見たものである。ねじの回転軸は747で示され、それを材料中にねじ込むのに必要なねじり方向は、図7Gの円形矢印748で示される。これは、ねじを時計方向に回すことに相当する。この右手型、30-炭素原子ねじを、その回転軸に平行に見たときの図を、図7Gの751で示す。この図の回転軸は、ドット752で示され、材料にそのねじをねじ込むのに必要なねじり方向は、図7G中の円形矢印753で示される。再び、これはねじを時計方向に回すことに相当することに留意すべきである。
【００５６】
左手-、6-ダイアモンド-結晶格子かご、30-炭素原子ねじの同様な図を、図7Gに示す。図7G中、左手-ねじをその回転軸に垂直に見た図を746で示す。そのねじの回転軸を749で示し、それを材料中にねじ込むのに必要なねじり方向を、図7G中の円形矢印750で示す。これは、ねじを反時計方向に回すことに相当する。
回転軸に平行方向から見たこの左手-、30-炭素原子ねじの図を、図7Gの754に示す。この図についての回転軸は、ドット755で示され、それを材料中に駆動させるのに必要なねじり方向は、図7G中の円形矢印756で示される。再度、これは、ねじを反時計方向に回すことに相当する。
【００５７】
この分野の熟練者は、右手-ねじと左手-ねじのそれぞれを、それらの回転軸に垂直方向から見て描いた、図7Gの745と746で示される図が、これらの高級ダイアモンドイド分子の(111)ダイアモンド結晶面を見るのと等価であることに気づくであろう。全てが、図7Eで示したねじ系列のそれよりもかなり大きい約0.63nmのピッチを持ち、約0.64nmよりいくらか小さい直径を持つこのタイプのナノメーターサイズ、ダイアモンド構造ねじのフル系列もまた存在する。図7Gの745で示される、このねじの新系列の右手-、6-ダイアモンド結晶格子かご-含有成員は、約1.1nmの長さを有している。
図7A〜7F、及び図7Gと7H中で示されたこの高級ダイアモンドイドねじの二系列の回転軸は、ダイアモンド結晶格子中で約35°埋め合わせされる。
【００５８】
図7G中、745の炭素フレームワーク形式で示される1.1nm右手-ねじは、図7Hの757で、空間充填、CPK形式で示される。図7H中、構造物757上の758〜763で示される水素原子は、ねじ溝の底部エッジを縁取り、またCPK構造内の溝の位置を示すために、濃く印刷されかついくらか拡大されている。図7H中の757と764で示されるねじ構造物は、Balaban命名法(Balaban, 1978)による配列[12324]と、“P”立体配置を持つヘキサマンタンとして知られる高級ダイアモンドイド分子に相当している。図7H中、764でこのねじの左手型が示される。
【００５９】
これらの右手-及び左手-ナノメーターサイズのダイアモンドイドねじはまた、同じ基本高級ダイアモンドイド構造物のエナンチオマ(キラル)型と考えられる。これら高級ダイアモンドイドねじの右手-及び左手-(エナンチオマ類)混合物の同定と分離は、右手-または左手-ねじ型のいずれかが必要とされるアプリケーションにとって重要である。この種の右手-及び左手-ねじ構造物の分離と分析を実施する一方法が、エナンチオマ性[123]テトラマンタン類の分離により例示される。右手(P)-型[123]テトラマンタンの構造が、図7Eの728と729で示される。この[123] テトマンタンの左手-及び右手-型の分離と分析を、図7Iで示す。0.25μ膜厚のキラルなCP CycloDex B 2,3,6, M固定相(Varian, Inc)を含む25m×250μ I.D.キャピラリーガスクロマトグラフィーカラムをヘリウムキャリャーガス@ 1.2mL/minと共に使用した。試料はシクロヘキサンに溶解してオン-カラム注入し、FID検出器を使用して分離を実施した。試料(1.0μl)を72℃で注入し、1.00分の保持時間後、オーブン温度プログラミングにより10.00℃/分で125℃に加熱し、最終保持時間60分とした。次いで同じオーブン温度プログラミング法で、高純度シクロヘキサンを用いた8回の連続した“ブランク”運転を、テトラマンタンの溶出を防ぐには十分に低い温度で、完了させた。8回のブランク運転後、新規なオーブン温度プログラミング法を使用して、カラムからテトラマンタン類を溶出させた。純粋なシクロヘキサンを72℃、1.0分の保持時間で注入し、次いで10.0℃/分のオーブン温度プログラミングで175℃まで昇温し、最終保持時間を200分とした。このような条件下で、混合物中の最初のテトラマンタン成分、[1 (2)3]テトラマンタン、1種類の構造だけを持つアキラルなテトラマンタンが、いかなる種類の異性体も含まずに、単一ピークとして、〜42分で溶出した。このピークに続いて、二種類のエナンチオマ[123]テトラマンタンが、二本の等強度ピークとして、49〜51分の間で溶出した。49〜51分の間の二本のピークは[123]テトラマンタンの右手-及び左手-型の分離を示した。この2個の[123]テトラマンタンピーク強度は等しく、二種類の[123]テトラマンタンがラセミ体混合物として存在することを示していた。シクロデキストラン固定相を採用した同様の高性能液体クロマトグラフィー法も、この分離に使用できた。これらの方法を右手-及び左手-高級ダイアモンドイドねじ類の分析と分離に用いることができる。
【００６０】
ギアー類、ローター類、及び羽根類
ロッド類、ブラケット類、及びねじ類は、ナノスケール構築物にとって魅力的な部品である。部品の第四番目の分類にギアー類とローター類が含まれる。このタイプの構造物の心臓部にはディスク形状ダイアモンドイドがあるが、ギアーの“歯”またはローターの“ブレード”として機能する拡張部を賦与するため、誘導体化(または官能化)することもできる。本発明の実施例では、ヘキサマンタンの[12312]形(シクロヘキサマンタン、またはペリ縮合ヘキサマンタンとも呼称される)が中央ディスク構造物として機能する。ディスク形状のダイアモンドイドを使用してギアーまたはローターの基礎を形成することを説明するため、シクロヘキサマンタンの構造をさらに詳細に説明する。
【００６１】
シクロヘキサマンタンダイアモンドイドの透視図を、図8Aに“線図”として示す。後にこの検討で使用するため、ここで使用される番号付けスキームがIUPACで従来使用されているものではないことにこの分野の熟練者は気づくことであるが、シクロヘキサマンタンの炭素原子のそれぞれに番号付けをおこなった。炭素-炭素結合が図8Aの細い“棒線”より太くなっているシクロヘキサマンタンダイアモンドイドの別図を、図8Bに示す。また、この透視図は図8Aの透視図よりもさらに側面図的になっている。図8Bはシクロヘキサマンタンのディスク形状特徴を強調するように描かれている。
図8Aの800で一般的に示されている、シクロヘキサマンタンの主要な構造特徴は、炭素原子801と炭素原子802の間の結合である。炭素原子801は、図8Bで示されるダイアモンドイドの炭素原子の“最上層”851にあり、炭素原子802は、“最下層”852にある。これら炭素原子801, 802のそれぞれは、第四炭素であり、またそれらは分子中で唯一の第四炭素である。最上層851を最下層852へ接着している7個の炭素-炭素結合があり、これら結合のうちの6個は炭素原子801、802間の中心結合のまわりで同心円を形成している。これら7個の結合は、図8Bで示されるダイアモンドイドの側面図中の参照番号853により確認される。
【００６２】
再度、図8Aを参照すると、炭素原子の最上層851内部は3個の原子805、809、813を含む内部環であることがわかる。これら炭素のそれぞれは、第三炭素である。最下層852内部の内部環からなる類似した環も、それぞれが第三炭素である炭素原子821、825、817を含んでいる。
最上層851の炭素原子からなる外部環は、原子803、804、806、807、808、810、811、812、及び814を含んでいる。この環内にある第二炭素は803、807、811である。最上層の外部環内の第三炭素は804、806、808、810、812、及び814である。外部環にある炭素結合のタイプは、第二、第三、第三、第二、第三、第三、及び第二、第三、第三原子のように交互である。
最下層852中の炭素原子からなる外部環は、原子815、816、818、819、820、822、823、824、と826を含む。第二炭素は815、819、823であり、第三炭素は816、818、820、822、824及び826である。最上層環の外部環と同様に最下層環の外部環は、第二、第三、第三、第二、第三、第三及び第二、第三、第三原子の交互になっている。
【００６３】
シクロヘキサマンタン分子の原子をダイアモンド構造の(111)結晶面へ投影した投影図を、図8Cに示す。その分子の第四炭素原子である801、802の投影を中心位置に示した。第三炭素からなる2個の内部環を図8Cで、805、825、809、817、813、及び821として示す。この図は、最上層851の内部環の原子がどれも最下層852の内部環からなる原子の位置へ投影しないことを示すのに役立つ。図8Cはまた、最上層851の外部環の第二炭素原子(原子803、807、811)のいずれも最下層852の外部環からなる原子(原子815、819、823)の位置へ投影しないが、最上層851の外部環の第三原子の全てが、最下層852の外部環の第三原子上に投影することを図示するのに役立つ。言い換えると、最上層の第二炭素804は、最下層の炭素原子822上へ投影し；原子806は原子824上へ投影し；808は826上へ；810は816上へ；812は 818上へ；そして814は820上へ投影する。
【００６４】
今や、ヘキサマンタンディスクのダイアモンド格子上の炭素原子の原子位置が説明されたので、次に、ディスク側面の取り付け点について説明する。これに関連して、ディスク“側面”(同様にして)は、タイヤのトレッドが該当するタイヤの一部を意味する。ディスクの最上層、最下層、または側面のどちらへも官能基を取り付けることができる。ディスク側面へ官能基が取り付けられるとき、それらはギアーの“歯”またはローターの“羽根”を構成するであろう。本発明のこれらの概念の説明を容易にするため、シクロヘキサマンタンのCPK空間充填模型図を、図8D〜Eに示す。ここで、図8Dは側面図を示し、図8Eは上面図を示している。
図8Dを参照すると、6個のハロゲン原子(フッ素または塩素原子のいずれか)が最上層及び最下層851,852の、すでに図8A〜8Bで示した外部環の第二炭素位置に、それぞれ、取り付けられている。放射状に延びたギアー歯(またはギアーパドル)用取り付け点として機能する位置は、図8A中の原子801、802間の中心軸周りの時計方向回転で、炭素原子803、823、807、815、811、及び819である。図8Dは、801-802中心軸に垂直平面に対する(例えば)807と815位置のハロゲン間の角度を図示するのに役立つ。この角度は結果として、2個の隣接ギアーがお互いにかみ合うための歯の能力と関係する。図8Eの平面図において、2個の直径801-807と801-815間の角度が、60°であることに気づくであろう。
【００６５】
置換基がディスクから放射状に延びた図8D-Eで示した典型的ギアーの“歯様”取り付けとは対照的に、ローターのブレードのように取り付け物がディスクに対して接線方向に延びていても良い。図8F-Gは、これを概略図として示している。図8Fでは、6個のアセチレン官能基851、852、853、854、855、856が、炭素原子位置804、824、808、816、812、820にそれぞれ取り付けられている。これらの原子位置の選択が、図8F中の矢印860Aで示される、“時計方向をもつ歯またはブレードの傾斜”につながっている。言い換えると、これらのアセチレン官能基は厳密には放射状にディスクから突き出ておらず；ディスクからの拡張物として時計方向にバイアスを持つ曲線を描いている。
【００６６】
同様なローターが図8Gに示されているが、こんどは、シクロヘキサマンタンディスクの周縁部に取り付けられた官能基871、872、873、874、875、及び876は、チオール(-SH)官能基からなる。同様に、ローターブレード871用の取り付け点は第三炭素位804であり、ブレード872は炭素824に取り付けられ、ブレード873は炭素808に、ブレード874は炭素816に、ブレード875は炭素812に、ブレード876は炭素820に、それぞれ、取り付けられている。
【００６７】
ディスクから反時計方向バイアスの曲線を描いて延びた官能基が炭素原子位822、806、826、810、818、及び814に取り付けられることは、この分野の熟練者には容易には理解できることであろう。これは、これらの取り付け点の炭素原子の四面体結合の一つの機能である。
また、最上層及び最下層851、852の外部環の第二炭素群に結合している官能基が、放射状に突き出ている“ギアーの歯”になり、最上層及び最下層851,852の外部環の第三炭素群に結合している官能基が、ディスクから延びる時、時計方向または反時計方向のいずれかに曲線を描いた“ローターのブレード”になることも、この分野の熟練者には容易には理解できることであろう。
【００６８】
シクロヘキサマンタンギアーの歯の角張った構造はこのようなものなので、2個のシクロヘキサマンタンギアーは幾何学的精密さでかみ合うことができる。2個のシクロヘキサマンタンギアーを、他に隣接する1つのギアーが隣接ギアーへ回転力を伝達する能力を持つことを表すように、図8Hでは平面図で、図8Iでは立面図で描いた。
上記のギアーは、ディスク周縁部に取り付けられた官能基から作製された歯を有している。別の代替実施例では、ギアーの歯はシクロヘキサマンタンディスク側面に縮合した追加的なアダマンタンサブユニットからなっていても良い。もちろん、ひとたび1個の追加的アダマンタンサブユニットがシクロヘキサマンタン分子に取り付けられると、そのダイアモンドイドはヘプタマンタンになること；2個のアダマンタンサブユニットの取り付けでは、そのダイアモンドイドがオクタマンタンになることなどは、この分野の熟練者には理解できるであろう。
追加的なアダマンタンサブユニットからなる歯を持つギアー類、ローター類、及びラチェット類を、図8J-Lに図示した。図8Jで、ディスク側面に1個のアダマンタンサブユニット881を持つ縮合シクロヘプタマンタン880を平面図(ギアー上面から見下ろす)で示す。このダイアモンドイドは、“一枚歯ギアー”またはローターとして役立つと思われる。
【００６９】
それぞれのギアーが、1個の歯の代わりに2個の歯を持つ、一般的には882で示される同様のギアー系列を、図8Kで示す。882で示したダイアモンドイドギアーは、ディスク側面(ここで、“側面”はタイヤにおけるタイヤトレッド位置を意味する)に面縮合した２個のアダマンタンサブユニットを持つ中心ディスクとしてのシクロヘキサマンタン“コア”と考えることができる。ベンゼン環上のortho、meta、及びpara位の観点から2個の“余分な”アダマンタンユニット位置を記述することにより、それらをおそらく最も容易に思い描くことができるであろう。図8Kで、2個のアダマンタンサブユニット883、884は、para-位にあり；2個のアダマンタンサブユニット883、885はmeta位にあり；2個のアダマンタンサブユニット883、886はortho位にある。これらの構造の他の見方は、平面図で上方から見ると、883、884アダマンタンサブユニットが180°離れて位置し、サブユニット883、885は120°離れて位置し、そして、883、886 サブユニットは60°離れて位置することに気づくことである。
最後に、ヘキサマンタンコアとその周縁側面に面縮合した3個のアダマンタンサブユニットを持つ縮合シクロマンタンを、図8Lの887に概略的に示す。このダイアモンドイドは縮合ノナマンタンである。アダマンタン系の歯888、889、890は、ヘキサマンタンコアの中心軸801, 802の周りに、各歯が120°づつ離れて、角度を持って、均等に位置している。
【００７０】
1個以上のダイアモンドイド構成部品を含むサブアセンブリー類
ナノスケール構築物で使用するダイアモンドイド構成部品をいままで検討してきた。これらの構成部品には、ロッド類、ブラケット類、ねじ類、及びギアー類が含まれる。次ぎに、1個以上のダイアモンドイド構成部品を含む典型的なサブアセンブリーが与えられる。これらのサブアセンブリーには、原子間力顕微鏡チップ類、分子タコメーター類、及び信号波形発生器、及び自己組織系細胞膜微小孔及びチャンネルが含まれる。
【００７１】
原子間力顕微鏡チップとしてのダイアモンドイド類
本発明の一実施例において、ある種のダイアモンドイド類を原子間力顕微鏡チップ類として使用できる。一般には原子間力顕微鏡(AFM)と言われ、また走査力顕微鏡とも言われる顕微鏡の使用について、Encyclopedia of Materials Characterization, L.E. Fitzpatrick，発刊(Butterworth-Heinemann, Stoneham, MA, 1 992)のp.703で、F.A. Stevieにより、表面粗さ、と表題づけされた章で論じられている。原子間力顕微鏡では、試料表面と片持ち梁に装着された鋭いプローブチップ間の力が測定される。AFM測定において、チップが試料に接触して保持されるので、そのチップは一定量の機械的摩耗に耐えることができなければならない。もちろん、摩耗量の少なくともその一部は、AFMチップと試料間で保持される力に依存する。通常は、AFMチップを保持する片持ち梁は、2原子間の典型的なバネ定数よりも約1桁も小さいバネ定数を有している。 
【００７２】
一実施例では、図9Aで図示される[1(2,3)4]ペンタマンタンが原子間力顕微鏡プローブとして使用できる。図9Aで描かれているダイアモンドイドは、ペンタマンタンのこのピラミッド形のCPKモデルの説明図である。
図9Aを参照すると、原子間力顕微鏡チップとしての使用を意図したピラミッド形ダイアモンドイドが、900に一般的に示されている。このAFMプローブの重要な2部位は、チップ901と取り付け部位902である。この装置のプローブ末端901はそれに結合した1水素を持つ第三炭素からなり、該炭素はチップの特異性を改良、修飾するために種々の官能基を取り付けて化学修飾ができる。この官能基には、チオール基、及びアルコール基、及びカルボン酸などが含まれる。この原子間力顕微鏡プローブチップが単一原子からなるが、AFMプローブのチップにC60フラーレンを使用するなどの競合技術により、チップの湾曲が、より多数の原子をチップに配置することを意味することを、この分野の熟練者は理解するであろう。
【００７３】
[1(2,3)4]ペンタマンタン分子チップ上の部位901は、AFM機能にマッチするように設計された種々の化学残基で誘導体化できる。例えば、チップ901のチオール官能基は、ナノテクノロジー装置部品としてのアセンブリに用いる、ある種の金属原子またはイオンをプローブまたは操作するのに効果的であると考えられている。
取り付け部位902は、ペンタマンタン900をAFMプローブまたはアセンブラアームへ結合可能な7個から10個の原子取り付け部位からなる。
特殊化されたAFMへの利用及びナノテクロロジーアセンブラーへの利用のための[1(2,3)4]ペンタマンタンの誘導体化の数例を、図9B及び9Cに示す。図9Bで、装置のチップとしてニトリル残基903を持つAFMプローブが示される。図9Cで、装置のチップとして銀残基904を持つAFMプローブが示される。アセンブラアームとしてのピラミッド形ペンタマンタンの使用を、図9Dに示す。図9Dを参照すると、4個のペンタマンタン分子905、906、907、908がそれぞれ、アセンブラアーム1、2、3、及び4として、基質分子909まわりに配置されている。本発明の一実施例では、これらアセンブラアーム905、906、907、908は、キモトリプシンなどの酵素活性部位の立体構造を模倣しており、また酵素キモトリプシンはそこでエステル基質909の加水分解に触媒作用を及ぼしている。
【００７４】
タコメーター類及び信号波形発生器類
本発明の実施態様によると、1つ，あるいはそれ以上のダイヤモンドイド構成部品がサブアセンブリー内で結合される。ディスク(及び/またはギアー)とロッドの組み合わせから作られた典型的なサブアセンブリーが本明細書中のこのセクションで特徴づけられる。そのような組み合わせは、本明細書中では物体の回転速度を測るための手段と定義されているタコメーター、および電気信号波形発生器として説明されるそのような装置の延長物としての有用性を持つように意図されるものである。
前記ロッド/ディスクサブアセンブリーが機能する方法が、概略的に、図10A-Fで図示される。この実施態様では、支持ロッド1001が固定的にディスク1002に取り付けられている。このディスク1002は、幾つかの実施例では、ディスク形状ダイアモンドイドの最上面に面縮合したアダマンタンサブユニットからなっていても良い、突起部1003を有している。他の実施態様では、前記突起部1003はダイアモンドイドディスク1002へ共有結合で連結された置換基または官能基でもありうる。この実施例で、突起部1003を含む追加的アダマンタンサブユニットがディスク最上面に取り付けられ、ギアー歯またはローターブレードとしてディスク側面に取り付けられていないものが、図8に付随する説明であったことに気づくであろう。
【００７５】
ディスク1002に隣接し、かつディスク1002の最上面に向かって下方に延びたプローブが、1004で一般的に示されている。プローブ1004の中央部は屈曲性ひじ1005になっており、プローブ1004がその場所で折れ曲がりができるようにしている。プローブ1004がひじ1005で折れ曲がるとき、プローブ1004の上部1007は、ディスク1002平面に垂直に保たれるが、プローブ1004の下部1006は、ディスク1002の平面と角度を作るように屈折される。ひじ1005内または隣接して信号発生器1008が内蔵され、プローブの下部1006が、プローブ1004の下部1006の曲げられる位置で折れ曲がる時に、プローブ1004からの信号を関連する電子パッケージへ伝達し、そしてシステム(ここでは示していない)を制御する。前記の曲げられる位置は、図10Bで示される。前記信号発生器1008は、プローブ1004の下部1006が、図10Aで示すように、まっすぐな位置にあるときには信号を伝達しない。
【００７６】
運転時には、前記タコメーターは以下のように作動する。支持ロッド1001は時計回転方向へ回転する。またディスク1002は固定的に支持ロッド1001に取り付けられているため、前記ディスク1002は支持ロッド1001と、時計回転方向へ、共回転する。図10Aに、突起部1003がダイアグラムの左側(または、コンパス上の位置を引用すると“西”位置)にある、任意の出発点を示す。ディスク1003が時計回転方向へ回転するにつれ、突起部1003は図10Bで示すように、描画の最上部(また、“北”とも言える)に到達する。
前記突起部1003は北位置を通過し、またそうすることにより、プローブの下部1006と接触し、プローブ下部1006を垂直位置から、曲げられ位置へ屈折させる。これを、図10Bで図示する。前記信号発生器1008はプローブ1005における折れ曲がりを感知し、突起部1003が北位置を回転通過したことを指示する信号を伝達する。
【００７７】
ディスク1002が時計回転方向の回転を続けると、前記突起部は北(最上部)を通過し、図10Cで示すように、突起部は右側に相当する東点へ向かう。前記突起部1003がプローブ1004から去ると、プローブ下部1006はそれの垂直位値へ戻る。下部1006はもはや折れ曲がり位置にないので、信号発生器1008は信号を伝達することを停止する。
ディスク1002が回転を継続するにつれ、図10Dで示すように、前記突起部1003は南位置(底部)へ回転して行き、図10Eで示すように、突起部1003が西側、または左位置にある、出発点へ戻る。突起部1003が再度北位置(最上部)を通過し、プローブ1004を折れ曲げさせ、そして信号発生器1008に他の信号を発生させ、再度、突起部が北位置を通過したことを指示する、このサイクルを繰り返すことができる。
【００７８】
本発明の位置実施態様では、ディスクが360°の完全回転を完了する毎に、信号は伝達される。前記した制御システムには、時間計測手段(すなわち、時計)が含まれ、伝達信号間の経過時間からは、ディスク1002の回転速度、従って支持ロッド1001の回転速度を測定できる。それにより、図10A-Fの装置は、タコメーターである。
図10A-Fで描写した例ではディスク上面に突起部があったが、そのかわりにディスク側面に突起部1020が取り付けられている、このテーマの変種を図10G-Kで示す。近接部1021と遠隔部1022(“近接”はディスクにより近いことを意味し、“遠隔”はディスク1002からより離れていることを意味する)を持つプローブ1004は、実質上同様な方式で配置できる。
図10Gを参照すると、突起部1020は、プローブ1004の近接部1021を折れ曲がり配置に屈折できる南位置にある。この折れ曲がり配置で、信号発生器1023は制御システム(ここでは示していない)へ信号を伝達する。
ディスクが反時計回転方向へ回転するにつれ、それぞれ、図10H-Jで示すように、前記突起部1020は、東位置を通過し、次いで北位置を、そして西位置を通過する。突起部1020が一周してきて南位置へ再度くると、ディスク1002が回転を完結したことを指示する他の信号が信号発生器1023から伝達される。
【００７９】
信号発生器1023により伝達される波形パターンを、図10Lに示す。図10G中の突起部1020の位置により、四角波パルス1024が信号発生器1023により発生でき、図10H-Gでは信号発生されないので、波形パターンは1025、1026、及び1027ではフラットである。図10Kのサブアセンブリーの配置により、別の四角波パルス1028が発生する。もちろん、スパイク型パルス、Gaussian型パルス、負型パルス、三角形パルスなどのいかなるタイプの波形パターン(図10L)も発生できることは、この分野の熟練者には理解できるであろう。
本発明者らにより開示された種々のダイアモンドイド類の形状におけるおびただしい変種により、発生される波形タイプの、同様に多岐にわたる選択ができる。例えば、図10Pに、中央ディスク1033(大きな円で示した)に2つの突起部1034と1035(小さな円で示した)が取り付けられた、12種類の縮合オクタマンタン類を概略図で示す。図10Pで示すシクロオクタマンタン類の突起部は、ディスクの最上部または側面のいずれかに取り付けることができる。1個の突起部がディスク上面にあり、他突起部がディスク底面にあることを示す側面図を、参照番号1036で示す。
1030、1031、及び1032で示される縮合オクタマンタン類を、オクタマンタン類の形状差により3種類の波形パターンが発生できることの説明に、使用できる。図10M-Oを参照すると、シクロオクタマンタン類1030、1031、1032により生成される３種類の波形が、それぞれ、図10M、10N、及び10Oで示されている。もちろん、他の多数の波形パターンが可能である。
【００８０】
細胞膜における自己組織化ナノスケールチャンネル及び微小孔構造
高級ダイアモンドイド構成部品の拡張されたダイアモンド格子系構造により、自己組織化ナノスケール構造物を設計するための新規戦略が可能になる。分子のダイアモンド格子様配列を形成する自己組織化スキームにより、強くて、かつ容易に調製可能な構造が製造できる(Moore & Lee、1994)。この出願で議論されたすべてのダイアモンドイド系成分は、ダイアモンド格子上に重ね合わせ可能な骨格を有している。強くて、容易に組み立てられるナノスケール構造物を計画する一手段は、拡がりを持ったダイアモンド格子上に、所望のナノ構造、例えば1nmの開孔を持つ膜透過性微小孔、をアセンブリー全体が重なるように設計することである。このようなナノ構造物設計を用いて、異なる高級ダイアモンドイド構成部品、及び/または構成部品の組み合わせをその骨格に重ね合わせでき、個々の構成部品間の短いフレームワークだけを残して、大部分のナノ構造骨格を満たす構成部品の組み合わせを同定できる。これらの短い相互結合用セグメントが高級ダイアモンドイド構成部品同士を結合するために使用され、またダイアモンド構造を密接に近接させ、ナノ構造物を完成させるであろうリンカーが選択される。
【００８１】
リンカー化学は、特異的に望ましいナノ構造物の要件に最も合うように、結合強度、結合角及び強度に関して最適化される。潜在的なリンカー化学はまた、所望のナノ構造物の構築に使用されるダイアモンドイド構成部品の選択に影響する。例えば、高度の対称性を持つダイアモンドイド構成部品がリンカー反応で、より多数の異なる取り付け部位を持つ高級ダイアモンドイドより、それらは副生物の生成が少ないので、あるアプリケーションには最も望ましいかもしれない。リンカー化学はまた、目的とするナノ構造物の最高の収率が得られるように最適化される。
【００８２】
ダイアモンドイド類(特に、テトラマンタン及びそれより高級なダイアモンドイド)は、R.M. Carlsonらによる、本出願の譲受人に譲渡され、引用することで本明細書中に組み込まれる、“高級ダイアモンドイド類を濃縮するプロセス”と表題付けされた同時係属出願明細書中で開示される水素化クラッキングプロセスを用いて、合成廃棄物や副生物から良好な収率で再生されるという珍しい能力を持っている。リンカー化学、例えば、水素化クラッキングにより最も生成しやすい副生物と廃棄物を与えるジスルフィド結合が好ましい。幾つかの高級ダイアモンドイド構成部品構造は、特異的なアプリケーションに対してはすぐれている。例えば、図8Bの[12312]ヘキサマンタンのディスク形状は、スタッキング機構によるナノ構造物のさらなる超構造物への自己組織化が望ましいところでは、利点を持っている。これは、[12312]ヘキサマンタン構造が元来disioticであり、そのためdisoitic分子構造物に特徴的なスタッキング組織化を容易に受けることによる。
【００８３】
図11は、このナノ構造物の設計と構築法を図示している。図11Aで、ダイアモンド格子の(111)結晶平面を1101で示している。1101で示される物体は約1,000個の炭素原子からなる縦、横46及び35nmのダイアモンドシートであり、このダイアモンドシート上に、所望の微小孔構造が、外径が約2.5nmを示す円1102及び内径が約1nmを示す円1103の形でスケッチされている。この構造を前記ダイアモンド格子から切り出すことができ、ダングリング炭素sp3結合を水素原子で飽和できるならば、図11Bで示す、ナノ-微小孔が得られるであろう。図11Bで、膜貫通性チャンネルとして動作でき、またはサイズ分離プロセスで機能できるであろうこの微小孔の炭素フレームワーク構造を、1104で示す。1104で示すこの微小孔は、ダイアモンドから純粋に設計されている。再度、その構造を図11Bに、その(111)ダイアモンド結晶面が紙面に平行になるように配置する。同じサイズの微小孔構造を、他のダイアモンド結晶面表面から切り取ることができるであろう。1105で示される微小孔の外径は、2.2〜2.5nmである。微小孔を貫通するチャンネルは、1106で示す1nm直径の開孔を有している。このようなナノ構造物は、本質的に疎水性であり、また親油性二層細胞膜と会合する傾向があるであろう。1104で示されるこの構造はまた、親水性を賦与するため及び特異的な細胞受容体部位と相互作用する官能性をもたらすために、テンプレートへの取り付けなどで誘導体化できるであろう。
【００８４】
ダイアモンド格子からこのようなナノ構造物を切り出すことができないので、それを作製する次の段階は、本出願明細書の前のセクションで述べてきたこれらの高級ダイアモンドイド構成成分または構成成分の組み合わせの中から、図11Bの1105で示すナノ構造炭素フレームワークに、フレームワークの大部分がカバーされ、必要な相互連結を形成するための短い介在セクションだけが残るように重ね合わせ可能な高級ダイアモンドイド構成成分または構成成分の組み合わせを特定することであり、このような方法で、様々な高級ダイアモンドイド構成部品の構造物が微小孔ナノ構造パズルに合致させるための小片として使用される。目的は、カバー率、安定性及び連結の容易さに関して、ナノ孔フレームワークに最も合致する構成部品のセットを見つけることである。
【００８５】
ナノ微小孔炭素フレームワークの主要部分を満たすことができる高級ダイアモンドイド構成部品の模範的なセットを、図11Cの1113、図11Dの1115、及び図11Eの1120で示す。図11Cで、微小孔のフレームワークを満たすために使用される、ナノ-微小孔炭素フレームワークに重ね合わせられ、他のフレームワーク部品に対して濃く印刷されている、６個の[12312]ヘキサマンタン分子が、1107〜1112で示される。ヘキサマンタン残基を連結している10個の炭素原子からなるフレームワーク部品を、図11Cの1114で示す。図11Dで、微小孔フレームワークを満たすのに使用された6個の[121321]ヘプタマンタン分子のうちの2個を、1116及び1117で示す。これらはまた、ナノ-微小孔フレームワークに重ね合わされ、他のフレームワーク部品と較べて濃く印刷されている。ヘプタマンタン残基を連結する、6炭素原子からなるフレームワーク部品を、図11Dの1118で示す。図11Eで、微小孔フレームワークを満たすのに使用される6個の[1213(1)21]オクタマンタン分子のうち2個を、1121と1122で示し、そしてそれらは、ナノ-微小孔フレームワーク上に重ね合わされ、かつフレームワークの他部品と較べて濃く色づけされている。オクタマンタン残基を連結するフレームワーク部品は、図11Eの1124で示され、3炭素原子からなる。図11Cの1114、図11Dの1118及び図11Eの1124に相当する相互連結域の拡大図を、図11Fの1135に示す。この相互連結フレームワークは、図11F中の1125〜1134で示される、できるだけの10原子からなる。1126、1127、1129、1130及び1134で示されている相互連結原子は、第二炭素原子に相当し、そして1125、1128、1131、1132、1132と1133で示される原子は、第三炭素原子に相当する。図11Bで提起された微小孔構造のダイアモンド格子を完成するための図11C中1107〜1112で示されるヘキサマンタン構築ブロックの相互連結には、図11Fの1125〜1134で示される10炭素原子の組み込みが必要とされる。しかしながら、剛性微小孔構造物の構築には、提起されたダイアモンド格子の完全な閉鎖及び炭素原子だけの連結のいずれも必要ではない。より大きな剛性を持つナノ-微小孔を生成するヘキサマンタン構築ブロックへの連結は、ヘキサマンタン類上の第二炭素よりもむしろ第三炭素原子によってなされる。図11Gで、微小孔の相互連結域に境を接するヘキサマンタンフレームワーク中の第三炭素原子を、1137、1138、1140、1141、1143、及び1144で示す。第二炭素原子は、1139と1142で示され、そしてこれらは剛性構造物を構築するための相互連結用としては、最も好ましくない。
【００８６】
図11F中の1136で示される結合は、別個ヘプタマンタン構築ブロック2炭素間の、図11D中の1118Aで示される結合に相当する。この炭素-炭素結合は、この分野の熟練者には既知の多数の炭素-炭素結合形成反応のいずれかにより、形成できる。ヘプタマンタン残基の第三炭素を利用した連結により、剛性の増加を達成できる。
図11Fの1127と1128で示す炭素原子は、図11Eで示される2個の別個オクタマンタン構築ブロックにより共有された原子に相当する。この種の結合融合は不可能であることから、図11Bで示される微小孔構造物構築用の実行可能構築ブロックのリストから、[1213(1)21]オクタマンタンが除外される。
ダイアモンドイド類を使用したナノ-スケール構築物の剛性改良のための他の規則は、最多数の第四炭素原子へ直接連結されたこれらの第三炭素への相互結合を作ることである。中間的な剛性を持つ構造物を生成する結合は、最多数の第三炭素へと直接結合され、最少数の第二炭素原子へと結合された、これらの第三炭素によりなされる。第二炭素原子への直接連結でつくられたもの以外の最低剛性構造物は、最多数の第二炭素へ直接連結された第三炭素によるものである。
【００８７】
図11Gで示されるヘキサマンタン構築ブロックの相互連結は、ヘテロ原子結合を使用することでなされる。一例として、ジスルフィドの酸化性生成で連結されるヘキサマンタン構築ブロックへのチオール官能基の応用が挙げられる。
高級ダイアモンドイドからナノ-スケール構造物を構築する際にこのスルフィドとジスルフィド連結を応用することは重要な利点を有する。第一に、出願人らは高級ダイアモンドイド類をそれらのスルフィド類から再生できる水素化クラッキング法を開発した。水素化クラッキング収率は非常に良好で、スルフィド/ジスルフィドナノスケール構築操作由来の廃棄物及び副生成物からの、貴重なダイアモンドイド材料の回収を可能にしている。このことは、貴重な高級ダイアモンドイド類の損失を最小化できるため、ナノ-スケール構築のための低収率ジスルフィド媒介プロセスを実行可能とする。ある種の蛋白質を構築するためのよく知られた生物学的プロセスにおけるジスルフィドアセンブリー。
【００８８】
次ぎに、チオール中間体類はジスルフィド連結化生成物から容易に除去でき、そして目的とする生成物が、ジスルフィド類だけを含むように設計される。図11H〜11Nに、ナノスケール構築物用のこのプロセスの一例が図示されている。図11Hに、図11Cで示されるものと同じであるが、2個のチオール基を含む[12312]ヘキサマンタン構築ブロックが、1145に、その(111)ダイアモンド結晶面に垂直な図として、また1146に、それに平行な図として示されている。図11Iは、6個のヘキサマンタン構築ブロックについてのジスルフィド連結生成物で、硫黄が図11F中の1126と1127で示した炭素に相当するダイアモンド格子中の炭素原子を置換している以外は、図11Cで示したものと同じ微小孔構造になっている。111ダイアモンド面に垂直な図を1147に、それに平行な図を1148に示す。図11J中で、図11Iの図1147及び1150で示される図11Iの図1148に相当する、この微小孔構造の対応する空間充填模型を1149に示す。1.2nmに相当するこの微小孔の内径が1151で示され、2.7nmの外径が、1150で示されている。留意すべきことは、この生成物が、ジスルフィド結合を有し、チオールを含まない、平坦な立体構造を持つ、わずか6-ヘキサマンタン含有の生成物にすぎないことである。この生成物は、約2400Daltonsの分子量を持つ6-ヘキサマンタン含有オリゴマ生成物を分離するサイズ排除クロマトグラフィーを用いて反応混合液から単離できる。次いで、チオール類はジスルフィド類と比較してチオール類を選択的に保持するクロマトグラフィー法を用いて留分から除去できる。最後に、非常に形状選択的なHypercarb高性能液体クロマトグラフィーなどのクロマトグラフィー法により、異性体副生物を含まないディスク形状生成物が得られる。ヘキサマンタンは水素化クラッキング操作を用いて、ヘキサマンタン含有廃液および副生物から回収できる。
【００８９】
図11IとJで示した微小孔構造からのチャンネル形状ナノ構造物のさらなる構築は、[12312]ヘキサマンタンのジソチック性、すなわち、ディスク様構造を有する分子が強いスタッキング性向を持つ性質、を利用することで可能である。あるいは、図11KからNで示す追加的ジスルフィド架橋が管状構造物を発生させるのに使用できるであろう。図11Kの1152と1153は、その(111)ダイアモンド結晶面へ結合された2個の追加的チオール基を有するシクロマンタン構築ブロックを示している。これらのチオール類はそれぞれ、第四炭素に直接結合され、第二炭素には結合されていない第三炭素を通して取り付けられ、非常に剛性な架橋生成物を生成する。図11Lの1154、及び1155で、1.7nm長さの二量体管状生成物を示す。また、図11Mの1156と1157で、3.6nm長さの四量体管状生成物を示す。最後に、図11Nの1158と1159で、7.5nm長さの八量体管状生成物を示す。これらのオリゴマ性ナノ-微小孔構造物の調製において、多数の副生物型が形成するが、前に挙げた単離回収プロセスにより使用に適した生成物が得られる。
【００９０】
図11Oの1160で示されている典型的な細胞膜は、1162で指示される約4〜5nmの厚さを持つ脂質二重膜からなる。図11L、11M、及び11Nで示す微小孔/チャンネル構造物は、生物学的アプリケーションで必要とされる範囲に広がる寸法を有している。図11L中の1155で示す二量体形はこれらの層の1層だけを横断し、ある種の生物学的アプリケーションには好ましい性質を示すが、四量体形および八量体形生成物の両方ともに、完全に二重層を横断する。膜貫通チャンネルを図11Oの1163で示す。
【００９１】
この分野の熟練者は、前に開示した典型的な実施態様の多くの改良を容易に思いつくであろう。従って、この発明は係属請求項の範囲に入る全ての構造と方法を含むものとして解釈されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【００９２】
【図１】本発明の実施例の外観であり、如何にダイアモンド類が石油原料から単離されるか、ナノスケール構築物の構成部品として使用するためにカタログ化され、指標化され、そして一個以上の構成部品を含む部分組立物を形成するために組み合わされるかを示している。
【図２】石油原料からダイアモンドイド類を単離するための一般的なプロセスフローを示している。
【図３Ａ−Ｄ】ダイアモンド結晶格子の一般的な配向を示し、方向に依存する弾性率や拡散などの特性を強調するために、如何に格子が配向されるかを示している。
【図４】ダイアモンド格子内のアダマンタンサブユニット強調して、ダイアモンド結晶構造に対するアダマンタンサブユニットの関係を示したものであり、さらに種々のダイアモンドイド類を化学量論式で列挙したものである。
【図５Ａ】番号付けされた炭素原子を持つ一般的なロッド形状ダイアモンド類である。
【図５Ｂ】ロッド軸に垂直な平面に投影した図5Aの典型的ロッドに由来する原子の平面図である。；
【図５Ｃ−Ｇ】種々の長さを持つダイアモンドイドロッドを図示したものである。
【図５Ｈ】図5Bの投影原子をそれらの番号と特徴で記述したものである。
【図６】図6A〜Dは、典型的なダイアモンドイドブラケットを図示したものである。
【図７】図7A〜Hは、典型的なダイアモンドイドネジ類とネジ特徴を図示したものである。
【図７Ｉ】キラルなネジ形状ダイアモンド対の典型的なガスクロマトグラフ(GC)を図示しており、GCカラムはキラルなエナンチオマ類を光学分割できる。
【図８Ａ】この場合はシクロヘキサマンタンである典型的なダイアモンドギアーを、以後の使用のために炭素を番号付けして図示したものである。
【図８Ｂ】シクロヘキサマンタンギアーの構造を炭素原子からなる2個の平行層として強調する観点から図示したものである。
【図８Ｃ】(111)結晶面へ投影した図8Aの典型的なギアーに由来する原子の平面図である。
【図８Ｄ−Ｅ】シクロヘキサマンタンギアーの幾何学的外観を図示したものである。
【図８Ｆ−Ｇ】回転子または羽根を作るためにシクロヘキサマンタンギアーへ取り付けできる典型的な置換基を図示したものである。
【図８Ｈ−Ｉ】2個のかみ合ったシクロヘキサマンタンギアーを図示している。
【図８Ｊ−Ｌ】典型的なシクロヘプタマンタン、シクロオクタマンタン、及びシクロノナマンタンギアーを図示している。
【図９】図9A〜Dは、原子間力顕微鏡チップとして使用する典型的なダイアモンドイド類を図示している。
【図１０Ａ−Ｆ】タコメータを含む典型的なダイアモンドイド系部分組立品を示す。
【図１０Ｇ−Ｐ】典型的な信号波形発生器を示す。
【図１１Ａ−Ｎ】自己組織化ダイアモンドイド微小孔またはチャンネル構造を強調している概念図である。
【図１１Ｏ】細胞膜脂質二分子膜の典型的微小孔またはチャンネルを示している
【図１】
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【図２】
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【図４】
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【図５Ｈ】
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【図７Ｉ】
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【図８Ｄ−Ｅ】
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【国際調査報告】
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2005532921.tif 000044
2005532921.tif 000045
2005532921.tif 000046
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