(57)【要約】【課題】【解決手段】フラーレンやナノチューブ、ナノ粒子の改良された生成方法を提供する。この方法は、適切なエネルギー源によりアセトン、エチレン、メタン、一酸化炭素等の合成ガスに変換される炭化水素液の提供に基づくものである。この合成ガスは、フラーレンやナノチューブ、ナノ粒子の生成に必要な前駆物質を形成するものである。記載の方法により形成されたナノチューブは一般に、従来生成されたナノチューブに比べ短く幅広のものである。フラーレンやナノカーボンを生成するための改良された装置も開示され、この装置では、可動コンタクタが密閉可能なチャンバの第一の電極に取り付けられ、該コンタクタは第二の電極に対し、電極間に電気アークを形成できるように離間している。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
フラーレン、ナノチューブ又はナノ粒子を生成する方法であって、前記方法は、
ａ）有効炭素源として炭化水素液を提供する段階と
ｂ）投入エネルギーを提供して、前記炭化水素液がアセチレン、エチレン、メタン又は一酸化炭素を生成する段階と
を含むことを特徴とする方法。
【請求項２】
前記炭化水素液が芳香族炭化水素液を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記炭化水素液がベンゼン、トルエン、キシレンを含む、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
投入エネルギーが電気、抵抗加熱、レーザービーム又は電子ビームであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項５】
投入エネルギーが電気であり、１８〜６５Ｖの電圧で提供されることを特徴とする請求項４に記載の方法。
【請求項６】
電気が２４〜３６Ｖの電圧で提供されることを特徴とする請求項５に記載の方法。
【請求項７】
投入エネルギーとして、２電極間の電気アークを作出することを特徴とする請求項４〜６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項８】
電極が、黒鉛、タングステン又はモリブデンから形成されることを特徴とする請求項７に記載の方法。
【請求項９】
バッファガスも提供される、前記請求項のいずれかに記載の方法。
【請求項１０】
前記バッファガスがアルゴンであることを特徴とする請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
バッファガスが０．８〜１．０気圧の圧力で存在することを特徴とする請求項９または１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記請求項１〜１１のいずれか一項に記載の方法であって、段階ｂ）の後に、電極上の炭素質堆積物の機械的除去によりナノチューブとナノ粒子を分離し、次いでナノ粒子／ナノチューブ残留物を酸化し、酸処理し、デカントすることを特徴とする方法。
【請求項１３】
請求項１〜１１のいずれか一項に記載の方法であって、段階ｂ）の後に、溶離液を用いて炭化水素液と煤からフラーレンを分離し、次いで８〜１０Åの篩により濾過することを特徴とする方法。
【請求項１４】
直径が２〜５ｎｍであることを特徴とする短尺化単層ナノチューブ（ｓｈ−ＳＷＮＴ）。
【請求項１５】
長さが０．１〜１μｍであることを特徴とする請求項１４に記載の短尺化単層ナノチューブ（。
【請求項１６】
長さが０．１〜０．５μｍであることを特徴とする請求項１５に記載の短尺化単層ナノチューブ（
【請求項１７】
直径が２〜３ｎｍであることを特徴とする請求項１４〜１６のいずれかに記載の短尺化単層ナノチューブ。
【請求項１８】
平均直径が２〜１５ｎｍで、長さが５０〜１０００ｎｍであることを特徴とする短尺化多層ナノチューブ（ｓｈ−ＭＷＮＴ）。
【請求項１９】
直径の中央値が６０〜８０Åで、長さが１００〜３００ｎｍであることを特徴とする請求項１８に記載の短尺化多層ナノチューブ。
【請求項２０】
２〜６層のＳＷＮＴで構成されていることを特徴とする請求項１８及び１９のいずれか一項に記載の短尺化多層ナノチューブ。
【請求項２１】
フラーレン、ナノチューブ又はナノ粒子を生成するための装置であって、該装置は、フラーレン、ナノ粒子、及びナノチューブの生成に使用される液体炭化水素反応物質を含むことができるチャンバを含み、前記チャンバは、第一の極性を有する少なくとも一個の第一の電極と第二の極性を有する少なくとも一個の第二の電極を含み、前記第一の電極と第二の電極とは互いに近接して配置されており、前記第一の電極にはコンタクタが固着されていることを特徴とする装置。
【請求項２２】
前記コンタクタがタングステン、モリブデン又は黒鉛で形成されていることを特徴とする請求項２１に記載の装置。
【請求項２３】
前記コンタクタが球状であることを特徴とする請求項２１または２に記載の装置。
【請求項２４】
前記第一の電極がタングステン、モリブデン又は黒鉛で形成されていることを特徴とする請求項２１〜２３のいずれか一項に記載の装置。
【請求項２５】
前記第一の電極がロッド状であることを特徴とする請求項２１〜２４のいずれか一項に記載の装置。
【請求項２６】
前記第二の電極は複数の空洞部を有するマトリクスからなり、空洞部は第一の電極を収容できるものであることを特徴とする請求項２１〜２５のいずれか一項に記載の装置。
【請求項２７】
前記装置は、電極の領域或いは電極付近の領域にガスが供給されるガス取込口を含むことを特徴とする請求項２１〜２６のいずれか一項に記載の装置。
【請求項２８】
前記装置は、冷却手段を含むことを特徴とする請求項２１〜２７のいずれか一項に記載の装置。
【請求項２９】
前記冷却手段は、チャンバ壁内の空洞壁であってそこを通って冷却剤が循環する空洞壁により形成されていることを特徴とする請求項２８に記載の装置。
【請求項３０】
前記チャンバが、チャンバ内の圧力を所定のレベルに維持するための圧力調整手段を含むことを特徴とする請求項２１〜２９のいずれか一項に記載の装置。
【請求項３１】
ナノカーボン試料内にガスを封入する方法であって、前記方法は、
ａ）ナノカーボン試料を、試料中のナノチューブの内少なくとも一部のものの一端を開端させるのに充分に酸化する段階と、
ｂ）開端したナノチューブに前記ガスを導入する段階と
を含むことを特徴とする方法。
【請求項３２】
ナノカーボン試料を酸により周囲温度で３０〜１２０分間酸化することを特徴とする請求項３１に記載の方法。
【請求項３３】
ナノカーボン試料を３５０〜６５０℃の温度で酸化することを特徴とする請求項３１に記載の方法。
【請求項３４】
請求項３１〜３３のいずれか一項に記載の方法であって、ナノカーボン試料の酸化を
ｉ）５００℃を超える温度で３０〜９０分間加熱する段階と、
ｉｉ）段階ｉ）のナノカーボン試料を塩酸、フッ酸又は硝酸に１０〜２４時間浸す段階と、
ｉｉｉ）段階ｉｉ）のナノカーボン試料を約６００℃の温度で３０〜１２０分間加熱する段階と
により行うことを特徴とする方法。
【請求項３５】
前記ナノカーボンを、５２０℃〜６５０℃の温度で１０分までの時間、前記ガス雰囲気において加熱することにより、前記ガスを前記開端したナノチューブへ導入することを特徴とする請求項３１〜３４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項３６】
前記ナノカーボン試料を、５２０℃〜６５０℃の温度で１０分までの時間、前記ガス雰囲気において加熱し、前記加熱された試料を真空パージし、前記試料を前記ガスに７０気圧以上の圧力で曝露することにより、前記ガスを前記開端したナノチューブへ導入することを特徴とする請求項３１〜３４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項３７】
前記ナノカーボン試料が、直径が１μｍ以下の短尺化ナノチューブを含むことを特徴とする請求項３１〜３６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項３８】
前記ガスが、水素、ヘリウム、アルゴン、クリプトン、キセノン又はそれらの放射性同位体であることを特徴とする請求項３１〜３７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項３９】
ナノカーボン試料内に封入された第一のガスを取り除き、前記第一のガスを第二のガスに置換する方法であって、前記方法は、ナノカーボン試料を真空下で加熱する段階と、前記ガスを前記試料に導入する段階とを含むことを特徴とする方法。
【請求項４０】
前記第二のガスを、約７０〜１５０気圧の圧力でナノカーボン試料に導入することを特徴とする請求項３９に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、新しい炭素同素体、即ちフラーレンやカーボンナノチューブ、ナノ粒子（バッキーオニオン）の生成に関する。更に、本発明は、このようなナノカーボン（特に、ナノチューブやナノホーン、ナノファイバー、その他のナノ有孔ポーラスカーボン）内部への、貯蔵を目的としたガスの封入（encapsulation）に関する。
【背景技術】
【０００２】
カーボンナノチューブはフラーレン様の構造体であり、五員環を含むキャップで閉じられた端部を有する円筒からなる。ナノチューブは、黒鉛電極のアーク蒸発時にカソード内に堆積した材料に含まれるものとして、１９９１年、飯島［参考文献番号１５、以下同じ］によって発見された。現在ナノチューブは、エレクトロニクス産業において、材料や強化、研究やエネルギー生成（例えば、水素貯蔵用）に利用し得る好ましい特性を有するものとして認められている。しかし、ナノチューブの商業的規模での生成は難しいのが現状である。
【０００３】
これら同素体は、化学や物理学の両分野における基礎研究や、電子工学や非線形光学、化学技術、医学等における応用研究のための最も好適な材料の一種である。
【０００４】
炭素同素体の新しい形態、フラーレン、ナノチューブ、ナノ粒子（バッキーオニオン）の生成プロセスは、炭素含有物質のアブレーションによりカーボンクラスタの低温プラズマを形成し、特定のアニール条件下でクラスタを同素体へ結晶化することに基づくものである［１］。アブレーションは、レーザビームやイオンビームや電子ビーム、炭化水素の熱分解、電気アーク放電、抵抗加熱や誘導加熱等に基づいて行われる。次いで、フラーレンの場合は、通常、ベンゼン、トルエン、キシレン、クロロベンゼン、１，２−ジクロロベンゼン等の芳香族溶媒により煤から溶出される［２］。一方、ナノチューブの場合は、気体酸化剤（空気、酸素、酸化炭素、水蒸気等）［３］や液体酸化剤（硝酸、塩酸、硫酸等の酸やこれらの混合物）［４］を用いて、煤やバッキーオニオンから分離される。
【０００５】
異種の炭素同素体（例えばフラーレンやナノチューブ／バッキーオニオン）を形成するプロセスは競合的であるため、生成プロセスや結晶化（アニーリング）の条件を変更することによりそれらの生成量のバランスを変えることができる。アーク放電プロセスにおいては、バッファガス（ＨｅやＡｒ）の圧力を（フラーレン生成に最適な）５０〜１５０Ｔｏｒｒから５００Ｔｏｒｒに高めることにより、多層ナノチューブ（ＭＷＮＴ）／オニオンが優先的に形成される［５、９］。最初に用いる黒鉛ドナーに金属触媒（Ｃｏ、Ｎｉ、Ｐｔ、Ｆｅ等）を含浸させることにより、単層ナノチューブ（ＳＷＮＴ）が優先的に形成され［６］、その収率は黒鉛をレーザアブレーションに付す場合、７０％にも達する。レーザアブレーションによって得られる結果は注目すべきものではあるが［１］、レーザアブレーションに基づくプロセスや装置はいずれも、電気エネルギーから、蒸発ターゲットに蓄積されるエネルギーへの変換率が極めて低い（数％）ため、商業的には成り立たないと結論づけられる。
【０００６】
古典的バックミンスターフラーレン（Ｃ６０やＣ７０）の生成プロセスに比べ、これより低次或いは高次のフラーレン（即ち、Ｃ６０とＣ７０を除く全てのフラーレン）の同様な生成プロセスの開発はそれ程進んでいない。その主な問題点は、これら低次或いは高次のフラーレンの収率が極めて低いことにある。古典的フラーレンの収率が０〜４０％であるのに対し、Ｃ７４、Ｃ７６、Ｃ７８、Ｃ８４の収率は通常約１〜３％であり、Ｃ９０、Ｃ９４、Ｃ９８の収率は０．１％に満たない［６］。低次フラーレンに至っては、収率は更に低くなってしまう。その結果、このようなフラーレンについては得られる量が少なすぎるため、一般的な性質を研究することができないのである。
【０００７】
フラーレンを生成するための既存の方法及び装置［７］では、Ｈｅガスが５０〜１５０Ｔｏｒｒの圧力で満たされている収容部内に黒鉛電極を配置することが示されている。特定の条件下（２００Åまでの電流、５〜２０Ｖの範囲の電圧）において黒鉛アノードを蒸発させると、蒸発した黒鉛クラスタはフラーレン分子を形成できる。この分子は、主にＣ６０（８０〜９０％）とＣ７０（約１０〜１５％）であり、少量の高次フラーレン（総量は３〜４％を超えない）を含む。個々のフラーレンを分離するためには、高速液体クロマトグラフィ（ＨＰＬＣ）が必要である［８］。
【０００８】
ＨＰＬＣはその特性上、高次フラーレンの生産性が非常に低く、その結果、高次フラーレンの市場価格は極めて高く、グラムあたり＄１，０００〜１０，０００を超える。トルエンによるカラムクロマトグラフィに付すことにより高次フラーレン混合物が得られ、次いで、これらを微結晶粉体として沈澱させる。この混合物は主にＣ７６、Ｃ７８、Ｃ８４、Ｃ９２を含むが、様々な量のＣ７６〜Ｃ９６も含んでいる。従って、通常の不活性ガスアーク法は、高次フラーレンの生成には利用できない。このような技法によるＣ７６、Ｃ７８、Ｃ８４の生成量はプロセッサあたり一日約２ミリグラムであり、低次フラーレンの生成量は更に低い。
【０００９】
古典的フラーレンＣ６０、Ｃ７０よりも優先的に低次／高次フラーレンを生成させることが上の問題を解決するのに役に立つことは明らかである。
【００１０】
Ｍｏｄａｋら［１０］は、液体ベンゼン及び／又はトルエン媒体中で高電圧ＡＣアーク放電を使用することにより、偶然、低次フラーレン（Ｃ３６、Ｃ４０、Ｃ４２、Ｃ４４、Ｃ４８、Ｃ５０、Ｃ５２、Ｃ５４、Ｃ５８）水素化物や高次（Ｃ７２、Ｃ７６）フラーレン水素化物とＣ６０との混合物を生成した。黒鉛電極の尖った先端を液体中に浸し、その電極に１５〜２０ｋＶオーダーの電界を通過させた。溶解しなかった黒色（煤）粒子を濾過により除去した後、処理した液体を真空蒸発させ、エーテルで洗浄（ＨＰＬＣ）して赤色固体を分離した。質量分光法により分析したところ、Ｃ５０からＣ７６までの範囲のフラーレンの存在が判明した。主なフラーレン分子はＣ５０ＨＸであり、Ｃ６０、Ｃ７２ＨＸ、Ｃ７６ＨＸも含まれ、これらの３種は同程度の量で存在し、Ｃ５０ＨＸの含有量の１／３〜１／８であった。
【００１１】
しかしながら、この方法ではＣ７６より大きいフラーレンもナノチューブ／ナノ粒子も生成されなかった。また、このプロセスは高電圧アークを使用するため、大量の電気エネルギーが消費される。このアーク生成においては、電極の先端が「炸裂（exploded）」して生成物中に黒鉛片や金属片（金属電極を使用した場合）が残ってしまう。
【００１２】
この方法の大きな欠点は、プロセスが自己調節するものでないことである。このような装置においては、電極の先端が数回「炸裂」した後、破壊されてしまう。特定のギャップにおいてアークを発生させなければならず、アノード先端が消費されてしまうため、プロセス中にギャップを確認しなければならない。
【００１３】
モダックの方法では、ベンゼン／トルエン分解プロセス中に大量のガスが放出されるため、安全上の問題がある。モダックの方法の他の問題点は、フラーレンの所望の組成物を提供するための、或いはナノチューブ／ナノ粒子を生成するための分解プロセスを調節／制御する手段（例えば、液体の分解で放出される気体炭化水素以外の付加的なバッファガス）が無いことである。その結果、フラーレン混合物を個々の種に分離するためにＨＰＬＣが必要となる。
【００１４】
ＭＷＮＴ/バッキーオニオンを生成する基本的な方法［５、９］として、直径６ｍｍの黒鉛棒（アノード）と直径９ｍｍの黒鉛棒（カソード）を反応容器内に同軸に配置し、不活性（圧力５００〜７００Ｔｏｒｒまでのヘリウム）ガス雰囲気に保持し、これら電極間に１８Ｖ電圧のＤＣアーク放電させる方法がある。この方法では、アノードが消費されるにつれて堆積物がカソード上に堆積するため、カーボンナノチューブ／バッキーオニオン堆積物を大量に連続生成することが不可能であるという問題がある。電極間を適切な距離（ギャップ）に維持することが要求されている。
【００１５】
Ｏｓｈｉｍａら［１１］は、同じＤＣ電圧（好ましくは１８〜２１Ｖ）／電流（１００〜２００Ａｍｐ）において電極間のギャップ（好ましくは０．５〜２ｍｍの範囲）を維持すると共に、プロセス中にカソード堆積物を剥がし取るための複雑な機構を示している。これによると、一装置（電極対）あたり一時間に１グラムまでの炭素質堆積物を生成することができる。堆積物のナノチューブ／バッキーオニオン組成は、文献［５、９］のものと同じであると考えられる、即ちナノチューブ：カーボンナノ粒子（バッキーオニオン）は２：１である。電気エネルギーの比消費量は、堆積物１グラムあたり約２〜３ｋＷｈである。装置が複雑であることや、比エネルギー消費量が高いこと、加えて高価な不活性ガス（ヘリウム）を消費しなければならないことが、この方法でのＭＷＮＴ/バッキーオニオン堆積物の大量生成に限界を与える最も重要な要因である。
【００１６】
これらの方法に代えてナノチューブを大量に生成するために、オルク［１２］は、液化ガス（Ｎ２、Ｈ２、Ｈｅ、Ａｒ等）中に炭素質電極を浸すことによってＤＣアーク放電装置を簡略化することを提案している。アークについての他のパラメータは略同じである（電圧１８Ｖ、電流８０Ａｍｐ、ギャップ１ｍｍ、電極直径４〜６ｍｍ）。しかしながら、この「簡略化」により得られる結果は前記の各方法よりもむしろ悪いものである。電極間のアークを僅か１０秒程維持することはできたが、生成量は極めて少なかった。堆積物の組成は、前述の各方法と略同じであった。
【００１７】
前記堆積物の性質を改善するため、気体／液体酸化剤を用いてＭＷＮＴを精製・開端（uncap）し［３、４］、開端されたナノチューブを異なる物質（金属や半導体等）で充填することによりナノワイヤ／ナノデバイスを生成することが考えられている。ナノチューブの先端はバッキーオニオンの側壁に比べて反応性が高い。このため酸化すると、カーボンナノチューブのみが最終的に残り、バッキーオニオンは消失する。
【００１８】
最近、バッキーオニオンはダイヤモンドを生成するのに非常に有望な物質であることが見出された。しかしながら、従来のプロセスで生成されるバッキーオニオンの量はナノチューブより少なく、従来の方法により堆積物を精製するとバッキーオニオンは完全になくなってしまう。従って、バッキーオニオンを生成する或いは精製するための改良したプロセスを見出すこと必要とされている。
【００１９】
ナノチューブに（ナノワイヤ生成のために）金属を充填する、或いは（燃料電池を作るために）水素等の物質を充填するためには、ナノチューブを開端する必要がある。従来の方法によってチューブの開端を行う際の主要な問題は、酸化時にチューブ端部が炭素質／金属の破片で塞がれてしまい、酸化後、開口したチューブの端部に他の材料を充填するのが複雑になり、充填されたナノチューブの最終生成量が低減してしまうことであると考えられる。
【００２０】
Ｃｈａｎｇは、封入物質が満たされている黒鉛アノードと黒鉛カソードの間に水素ＤＣアークを放電させて、カーボンナノチューブに該物質をｉｎ  ｓｉｔｕで封入する方法［１３］を提案している。前述の各方法との主な違いは、アーク放電中に、即ちｉｎ  ｓｉｔｕでナノチューブ内に物質を封入する条件を提供するために、水素雰囲気を使用することである。アーク放電についての全てのパラメータは前記プロセスと略同じである（電圧２０Ｖ、電流１００Ａｍｐ、電流密度１５０Å／ｃｍ２、ギャップ０．２５〜２ｍｍ、ガス圧１００〜５００Ｔｏｒｒ）。水素の作用は、水素の存在によりサブミクロン黒鉛シートの炭素ダングリングボンドが終端されるため、シートが充填物質を包み込むことができるということであると考えられる。この方法によって作成された試料のＴＥＭ試験結果から判断すると、直径約１０ｎｍのナノチューブの内の約２０〜３０％には銅が充填されている。ゲルマニウム充填ナノチューブは１０〜５０ｎｍであり、その生成量は銅充填ナノチューブよりもはるかに少ない。水素の代わりにヘリウム（１００〜５００Ｔｏｒｒの範囲の同一圧力）を雰囲気に使用すると、フラーレン、銅ナノ粒子やゲルマニウムナノ粒子、アモルファスカーボン（煤粒子）が好適に形成されるが、ナノチューブは全く形成されない。水素と不活性（Ｈｅ）ガスの混合物も封入に使用できる。
【００２１】
Ｓｈｉらは、Ｙ−Ｎｉ合金複合黒鉛棒をアノードとして使用したＤＣアーク放電法によるＳＷＮＴの大量生産について報告している［１４］。直径約１．３ｎｍのＳＷＮＴを約４０％含むクロス（布）状の煤が生成される。この発明の最も重要な特徴は、アノードにＹ−Ｎｉ合金が添加されていることである。しかしながら、堆積物の収量や比エネルギー消費量は、前記各方法とほぼ同じであった。
【００２２】
これら従来技術のプロセスの主要な欠点は、非古典フラーレン、ナノチューブ、バッキーオニオンの生成量が少ないことである。これらのプロセスを用い最良の環境で行っても、炭素質堆積物（２０〜６０％のナノチューブと６〜２０％のバッキーオニオンとを含む）の典型的な生成速度は１ｇ／時間足らずである。更に、これら従来技術のプロセスは、商業的に実用レベルのシステムへの規模の変更は容易ではない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２３】
ＷＯ−Ａ−００／６１４９２において、本出願人らは、高次のフラーレンやナノチューブを生成する装置及び方法を記述している。この出願に記載されている装置は密閉チャンバを含み、該チャンバは反対極性を有する炭素（黒鉛）電極対を含む。第一の電極（電極Ａ）は黒鉛パイプからなり、このパイプは、電極Ｂを形成する円筒形黒鉛マトリクスの鉛直方向円筒状の孔に設けられている。移動自在な球形黒鉛コンタクタが、電極Ａの上方に位置決めされている。一旦電流が通されると、コンタクタは電極間にアークを発生させる。コンタクタは自在に移動できるため、この装置では、アーク発生プロセス中にコンタクタが往復運動する自動調節プロセスが提供される。この往復運動の脈動特性により、最適な電流密度が提供され、ガス生成物によるアークギャップが飽和されることを防ぐ。この装置を用いた場合の収量は、既に知られている従来技術に比べて顕著に高いものである。
【００２４】
本発明の更なる目的は、ＷＯ−Ａ−００／６１４９２に開示された装置及び方法に更なる改良を提供することである。
【００２５】
ＷＯ−Ａ−００／６１４９２の方法では、アーク放電電極は黒鉛である。当技術分野における当時の理解では、これらの電極はフラーレンやナノチューブ生成のための炭素源として作用すると考えられていた。プロセス動作時、電極のエロージョンが観察され、これは前記見解を補強するものであった。
【００２６】
しかしながら、本発明者らは、反応条件下で炭化水素液から所謂「合成」ガス（アセチレンやエチレン、メタン、一酸化炭素等）が生成されるのであれば、これらのガスは、ナノチューブやナノ粒子の生成のために有効な炭素源や前駆物質として作用するであろうことを見出した。
【００２７】
従って、カーボンナノチューブやナノ粒子（特に、非古典フラーレンやバッキーオニオン）の大量生成のための新しいプロセス及び装置が必要とされている。
【００２８】
また、金属触媒（通常ＣｏやＮｉ）と混合した炭素質ターゲットのレーザアブレーション［１６］によって、それにより生成する単層ナノチューブ（ＳＷＮＴ）は、典型的にはロープ状構造を有し、不定長で、直径は１〜１．４ｎｍである。よって、用途によってはＳＷＮＴをより短い（長さが１００〜４００ｎｍの）断片に切断する必要がある［１７］。
【００２９】
ＮｉやＹ等の金属触媒を含有する黒鉛電極間のアーク放電によって生成されるＳＷＮＴは、平均直径が更に大きく１．８ｎｍとなり、長さには限界がない［１８］。
【００３０】
多層ナノチューブ（ＭＷＮＴ）は、典型的には一構造体内に同心円状に配列された数個のナノチューブを有する。ＭＷＮＴは、長さが１ｍｍに至るものが報告されている［１５］が、典型的には長さが１μｍ〜１０μｍ、直径が１〜１００μｍや２〜２０ｎｍである。これまでの文献に記載された方法のいずれにおいても、このような寸法のナノチューブが報告されている。
【００３１】
本発明者らは、短尺化ナノチューブ（ｓｈ−ＮＴ）の製造方法を見出したが、この方法により得られるナノチューブは特定の用途においてより好適なものとなる。
【課題を解決するための手段】
【００３２】
本発明は、フラーレンやカーボンナノチューブ、ナノ粒子を従来可能であったよりもより大量に生成するプロセス及び装置を提供する。本発明は、フラーレンやナノチューブ、バッキーオニオン等のナノ粒子の商業的な大量生産が可能となるように規模の変更を行うことができる。
【００３３】
従って本発明は、フラーレンやナノチューブ、又はナノ粒子を生成する方法であって、前記方法は、
ａ）有効炭素源としての炭化水素液を提供する段階と
ｂ）投入エネルギーを提供して、前記炭化水素液がアセチレン、エチレン、メタン又は一酸化炭素を生成する段階と
を含むことを特徴とする方法を提供する。
【００３４】
好ましくは、投入エネルギーは、電気アーク、抵抗加熱、レーザ、電子線或いは任意の適切な放射線のいずれかによるものである。投入エネルギーの重要な役割は、炭化水素液から元素へのクラッキングを誘発すること及び制御すること、「合成」ガス（即ちアセチレンやエチレン、メタン、一酸化炭素）の最適な生成のための条件を提供すること、従ってナノチューブ及び／又はナノ粒子の最適な生成のための条件を提供することである。
【００３５】
炭化水素液は、任意の適切な炭化水素液でもよいし、異なる液体の混合物でもよい。適切な炭化水素液としては、シクロヘキサンやベンゼン、トルエン、キシレン、アセトン、パラアルデヒド、メタノール等が挙げられる。任意選択的ではあるが、炭化水素液は芳香族炭化水素液とすることができる。
【００３６】
好ましくは、芳香族炭化水素液は、芳香族化合物のみからなるものや、芳香族化合物と他の液体炭化水素（例えば、トルエンベースのナフテン酸Ｃｏ−Ｎｉ溶液、硫黄（ＳＷＮＴ成長促進剤と考えられる）のトルエン溶液等）を含む。
【００３７】
本発明において、本発明者らは、エネルギー源としては、自動調節される低電圧接触による電気（ＡＣ又はＤＣ）アーク放電が好適であると考える。
【００３８】
フラーレンを生成するためには、フラーレンの多環芳香族炭化水素（ＰＡＨＣ）前駆物質を生成するための条件や、これらが互いに相互作用しフラーレンを形成するための条件を作り出すことが好ましい（実施例１参照）。
【００３９】
フラーレンの生産性は、電極システムの幾何形状、芳香族炭化水素の種類、電極材料、バッファガスの存否を選択し使用することにより高くなる。
【００４０】
ナノチューブ／ナノ粒子を生成するには、電気エネルギーの消費量を最小限にしつつ堆積物を連続的に（長い程、良い）生成する最適な条件を作り出すことが好ましい。より好ましくは、所望の生成物、例えば低次フラーレンや高次フラーレン、ＳＷＮＴ、ＭＷＮＴ、バッキーオニオン等を最適に生成するために、最適電圧やアノードの種類を特定のものとすることができる。
【００４１】
比エネルギー消費量は、分解する対象が芳香族液体である場合に最も少なくなる。
【００４２】
芳香族系の液体の分解によって、極めて広範な種類の前記ＰＡＨＣ前駆物質を形成することが可能である。しかしながら、特定の好適な条件下では、最も安定なＰＡＨＣは数種類に過ぎない。従って、互いに相互作用（凝集）することにより、数種類の可能な組合せのみのカーボンクラスタが形成でき、数種のフラーレンにアニールされる。例えば、芳香族（例えばベンゼン）骨格中、最も安定なＰＡＨＣは、Ｃ１６Ｈ１０、Ｃ２４Ｈ１２、Ｃ３８Ｈ１４の３種である。これら最も安定な多環式前駆物質のうちの二物質間でのプラズマ−化学相互作用（凝集）のための条件が提供されると、６種類のみの凝集が可能となる。
【００４３】
これら６種類の反応により、次のフラーレンが生成できる。
【００４４】
2005502572.tif 000003
【００４５】
前記前駆物質の内の一種が減少すると、対応するフラーレンが減少するか或いは生成されないことが分かる。例えばＣ２４Ｈ１２の場合、対応するフラーレンはＣ３８、Ｃ４４、Ｃ４６、Ｃ６０である。従って、Ｃ２４Ｈ１２の形成が少なくなると、Ｃ６０（同時にＣ３８、Ｃ４４、Ｃ４６）の生成も同様に少なくなる。
【００４６】
更には、単一の前駆物質を形成する条件を提供することによって、数種のフラーレンを優先的に形成することが可能であることが分かる。例えば、ＰＡＨＣの内Ｃ３８Ｈ１６が最も豊富な種である場合、Ｃ７４（ＣＨ２）２やＣ７６Ｈ４が優先的に生成されるであろう。更には、前記フラーレン（或いは最も可能性の高いものとして、これらのカーボンクラスタ前駆物質）を凝集させるための適切な条件が提供されると、プラズマ−化学相互作用により、次に示すＣ７６より高次のフラーレンの形成が可能である。
【００４７】
Ｃ５０＋Ｃ５０                      −＞  Ｃ９８＋Ｃ２
Ｃ５０＋Ｃ５０（ＣＨ２）２            −＞  Ｃ９８＋Ｃ２＋２ＣＨ２
Ｃ５０＋Ｃ５０（ＣＨ２）４            −＞  Ｃ９８＋Ｃ２＋４ＣＨ２
Ｃ５０（ＣＨ２）２＋Ｃ５０（ＣＨ２）４  −＞  Ｃ９８＋Ｃ２＋６ＣＨ２
Ｃ５０（ＣＨ２）４＋Ｃ５０（ＣＨ２）４  −＞  Ｃ９８＋Ｃ２＋８ＣＨ２
Ｃ６０＋Ｃ６０                      −＞  Ｃ１１８＋Ｃ２
Ｃ７６Ｈ４＋Ｃ７６Ｈ４                −＞  Ｃ１５０＋Ｃ２＋４Ｈ２
Ｃ７４（ＣＨ２）２＋Ｃ７４（ＣＨ２）２  −＞  Ｃ１４８＋４ＣＨ２、等
【００４８】
Ｃ５０が最も豊富なフラーレン種の場合、生成される最高次のフラーレン種はＣ９８である。
【００４９】
従って、本発明者らは、ＰＡＨＣ前駆物質の優先的生成や互いの相互作用の条件を調整することにより、フラーレン組成を変えることを提案する。主な特徴は、バッファガスの使用とその圧力、液体の組成及び／又は電極の組成の変更、適用電流の型や電圧の変更である。
【００５０】
更に分解を調節することにより、ナノチューブやナノ粒子の連続的な生成プロセスが実施できる。
【００５１】
有機液体は全て誘電体であるため、有機液体中で電気アーク放電を開始する閾値となる電圧が存在し、この閾値は電極の幾何形状により異なる。
【００５２】
このように、電気エネルギー源を用いる場合について、最適な生成のための印加電圧の範囲が決められた。好ましくは、ナノチューブ生成で使用される電圧は１８〜６５Ｖの範囲である。より好ましくは、ナノチューブ生成で使用される電圧は２４Ｖ〜３６Ｖである。ＭＷＮＴに比べて、（直径がより小さい）ＳＷＮＴやバッキーオニオン、特にフラーレンを生成するためには、エネルギー値はより特定の値であることが好ましい。従って、ＭＷＮＴの最適な生成のための印加電圧は、バッキーオニオンやフラーレンのための電圧よりも若干低くするべきである。
【００５３】
誘発器／制御器としてアークが使用される場合、電極は、任意の適切な材料から任意の形状で作成できる。例えば、アノードを黒鉛製或いは金属製とすることができる。また、電極の形状は、四角柱や三角柱、円柱や先端を切り取った円柱、平らな円盤、半球等とすることができる。また、電極は、黒鉛や真鍮やステンレス鋼で作られたマトリクスに設けた円柱状或いは角状の孔の内部に配置することができる。
【００５４】
好ましくは、電極材料は導電性を有し、１５００〜４０００℃オーダーの高温に耐えるよう選択されるべきである。好ましくは、電極材料は黒鉛である。黒鉛は安価な固体炭素質材料であるため、電極を作成するのに好ましい。電極を形成するのに、タングステンやモリブデン等の耐熱金属を使用することができる。カソード材料は、通常の構造材料から選択してもよいし、真鍮やステンレス鋼等の材料から選択することもできる。これらの材料は、ＤＣアークが適用される場合に特に有用である。
【００５５】
電極の一方は可動であるため、二電極間の電気アークは、電極の一方へ電圧を印加する前或いは印加した後に、二電極を互いに接触させることにより開始できる。電流が電極を流れた後、分解プロセスにより放出されるガスにより、電極同士は所定の間隙だけ離間させられる。
【００５６】
アーク生成に必要な電圧値は、電極のサイズや組成、アークギャップの距離、周囲媒体（液体）に依存する。炭化水素液が最も好ましい。
【００５７】
電力源は、一方の電極に対して、交流電圧を提供するものでも、直流電圧を提供するものでもよい。
【００５８】
バッファガスは、カーボンクラスタ同士の、フラーレンやナノチューブ、ナノ粒子分子への最適な縮合（condensation）を促進させる。一般に、本プロセスにおいてバッファガスは、分解下で放出されるガスで構成される、即ちアセチレンや水素を主成分とし、エチレンやメチレン、エタン、メタンの混合物が含まれるガスで構成される。従って、一般に、前記炭素同素体を生成するための付加なバッファガス流は必要ない。しかしながら、付加的なバッファガスを加えることにより、バッファガスの組成の調節や、電極からアークギャップへのバッファガスの流量調節が可能となり、最終的には、炭素同素体生成物の組成を制御できる。
【００５９】
好ましくは、前記付加バッファガスは不活性ガスである。より好ましくは、前記不活性ガスはアルゴンである。
【００６０】
アルゴンは、アーク生成を促進し、高次フラーレンやナノチューブの形成プロセスを促進する。フラーレンを生成する場合、アルゴン（とＯ２や空気等の酸化剤）により、好ましくないＰＡＨＣ前駆物質の生成が抑制され、所望の高次フラーレンの生成が促進される。このように、本発明者らは、アルゴン流量を増加させることによりフラーレンの一前駆物質であるＰＡＨＣ（Ｃ２４Ｈ１２）の生成を抑制できることを見出した。この前駆物質の抑制により、Ｃ６０や数種の低次フラーレンの生成が著しく減少し、主成分がＣ９８のものを生成できる。主フラーレン混合物Ｃ５０の分離は、モレキュラーシーブを用いた濾過により行われる（実施例１参照）。空気や酸素等の酸化剤は、数種のフラーレン前駆物質を低減させたり、ナノチューブ／ナノ粒子の構造を変更するのに有用であろう。
【００６１】
ハロゲン（フッ素や塩素、臭素）は、ハロゲン化フラーレンやハロゲン化ナノチューブの生成に用いることができる。
【００６２】
しかしながら、芳香族液体の分解下で生成される全ての付加的ガスは、貴ガスを除き抜き出すことができる。
【００６３】
好ましくは、液体上方の圧力は所定の圧力とし、制御される。分解プロセス中には、ガス生成物が放出され、これらガス生成物はアークギャップ周囲のガス（アニーリング）ゾーンに膨張して、炭素蒸気やアセチレン等のバッファガスの最適密度が低減する。液体上方の圧力が所定の最適値に選択されている場合、アニーリング（ガス）ゾーンは最適化され、フラーレンやナノチューブ／ナノ粒子の生成も最適化される。
【００６４】
液体上方の圧力を適切に選択することにより、ギャップを壊すことなくアーク間ギャップを通る電流を増加させることができる。しかしながら、圧力が高すぎる場合には、ギャップは最適生成に必要とされるギャップよりも小さくなる。
【００６５】
好ましくは、本体からガスを放出して最適圧力を維持するため、自動制御バルブが使用される。
【００６６】
好ましくは、液体上方の圧力は０．８気圧〜１．０気圧である。この圧力範囲では、十分な量のフラーレンやナノチューブ、ナノ粒子を生成することができるため、好ましくは、プロセスは、密閉された本体或いはチャンバの内部で実施される。本体内の炭化水素液上方の空間は、真空ポンプにより排気させることができる。空間を排気した後、希ガスや任意の適切なガス混合物等の所望の雰囲気を、分圧を構成するように再充填することができる。より好ましくは、アルゴンが使用される。
【００６７】
密閉された本体は、好ましくはステンレス鋼製である。反対極性を有する電極対が本体内に配置されている。断面積が小さい方の電極（電極Ａ、ＤＣアークにおいてはアノード）は、炭素質物質（黒鉛）製や耐熱金属（好ましくはＭｏやＷ）製の長尺ロッド或いはパイプとして作成することができる。このロッド或いはパイプの一端は電源に接続される。アーク生成開始に適した、黒鉛製或いは金属製の可動コンタクタ（電極Ｃ）が他端に接続されている。このコンタクタは、断面積が大きい、もう一方の反対極性を有する電極（電極Ｂ、ＤＣアークにおいてはカソード）に近接している。
【００６８】
電流フィードスルーは本体壁面を貫通しているが、導電体からは絶縁されている。そのため電流源と本体は電気的に接触していない。電流フィードスルーが貫通している本体の孔は、外部雰囲気の本体内への流入や本体からのガスのリークを防ぐため、シール材で密閉されている。
【００６９】
電極Ａと導電体間の電気的接触は、両者間に電気伝導を提供する任意の手段により行うことができる。絶縁体は、電極と本体との電気的絶縁を提供する。絶縁体はまた、本体を外部雰囲気から分離した状態に維持するためのシールを提供する。
【００７０】
フラーレンやナノチューブ、ナノ粒子の生成中に電極が消費されるので、フリー（自己可動）コンタクタ（電極Ｃ）を用いることにより、電気アークのための所望のギャップを略一定の値に設定することができる。
【００７１】
装置を始動させるためには、反対極性を有する電極同志をかろうじて接触する距離に調節しなければならない。この場合、電極同士が接触している状況で、電極Ａから電極Ｂに電流を流すのに十分なだけの電圧が電極Ａに印加されるように電圧源を作動させなければならない。電流が流れると、液体の分解により放出されたガスにより自動的に電極同士が離間し、所望のアークギャップを生じさせる。実際には、ギャップは非常に小さく、このアークを「接触アーク」と記述してもよい程、電極が接触しているように見えることもあろう。フラーレンが生成される場合、生成の持続時間（０．５〜８時間）は、生成されたフラーレンの処理液体への溶解度に依存する。芳香族成分のみからなる液体やそれらの混合物には、生成されたフラーレンの殆どが溶解する。しかしながら、十分な量の煤粒子が液体中に現れるとすぐに、煤粒子は生成されたフラーレンの半分近くを吸着する。従って、芳香族成分のみからなる液体を使用する場合、液体と煤の両画分からフラーレンを抽出する必要がある。
【００７２】
反応時間を８時間超に増やしても、プロセスでは破壊プロセスと合成プロセスの両方が起こっているため、フラーレン生成量は比例的に増加しない。
【００７３】
生成量のこのような比例的増加は、フラーレンが煤の粒状物中に蓄積される場合にのみ可能である。処理溶液に対するフラーレンの溶解度が非常に低い場合、溶解度のより高い種（例えばＰＡＨＣ）を添加することによりフラーレンは溶液中に析出させられる。フラーレン分子は煤粒子に連続的に吸着して本体底部に沈澱するため、プロセスによるフラーレンの分解が防止される。これにより、プロセスの反応を時間制限なく行うことができ、煤に吸着したフラーレンを本体底部へ堆積させ、一定の洗浄手続や抽出手続により煤から分離することができる。しかしながら、フラーレン溶解度が低い分解液（アセトンやメタノール等）では、研究や産業的用途に利用するのに十分な量のフラーレンは生成されない。
【００７４】
従って、本発明者らは、フラーレン生成の際の反応時間は、液体がＰＡＨＣで飽和される時間によって限定されるものと考える。
【００７５】
次いで、煤を液体から分離するため、処理した液体を任意の適切な技法により濾過に付さなければならない。濾過には、ワットマンフィルタやその同等品を使用できる。液体と煤における最も豊富な種はＰＡＨＣであるため、フラーレンを分離する前に、任意の適切な洗浄手段によりそれらを除去／減少しなければならない。液体は、まず、真空下或いはアルゴン、Ｎ２、ＣＯ、ＣＯ２等の不活性雰囲気下で乾燥させなければならない。次に、液体と煤の残留物は、任意の適切な複合溶剤、例えばメタノール及び／又はアセトン（これらに対するフラーレンの溶解度は最も低く、ＰＡＨＣの溶解度は高いという特徴を有する）で洗浄される。
【００７６】
次いでフラーレンは、任意の適切な溶離液、例えばベンゼンやトルエン、キシレン、クロロベンゼン等の芳香族液体等を用いて液体と煤とから分離しなければならない。最も好ましくは、トルエン、ｏ−キシレン及びクロロベンゼンである。
【００７７】
次いで、高次フラーレンを低次フラーレンから効果的に分離するために、任意の適切な方法で、溶離液を適切なナノ細孔物質に通して濾過しなければならない。最も好ましくは、溶離液を８／１０Åモレキュラーシーブにより濾過する。
【００７８】
次に、低次フラーレンを、芳香族化合物やＣＳ２等の任意の適切な非極性溶剤を用いてモレキュラーシーブから抽出することができる。
【００７９】
ナノチューブ／ナノ粒子を生成するため、堆積物が長い電極全体に亘って成長するまでプロセスを続けることができる。この時点で、電圧は、安全ワイヤや他の任意の適切なセンサを用いて自動的に落とすことができる。
【００８０】
電極からの炭素質堆積物の分離は、例えば電極表面から堆積物を擦り取る等、機械的に行なうことができる。
【００８１】
アモルファスカーボンからのナノチューブ／ナノ粒子の分離は、「温和な」酸化（約３５０℃の空気中で数時間（１２〜２４時間））によって行うことができる。大量の試料では、このような手続により、煤粒子の酸化により放出される大量のエネルギーによって試料が過熱されるのを防ぐ。次いで、次の手順により金属を除去することができる。無機酸（ＨＮＯ３、ＨＣｌ、ＨＦ、Ｈ２ＳＯ４やこれらの酸の混合物）を用いて室温で注意深く処理し（ナノチューブの球状端の酸化や開端ナノチューブが金属含有酸溶液で満たされることを防ぐためである）、ナノチューブ／ナノ粒子残留物をデキャンティングし、残留物を水で洗浄する。次いで、カーボンナノ粒子（オニオン）を、空気中５３５℃で数時間（通常１〜４）時間酸化することができる。
【００８２】
ナノチューブの開端は、空気中、より高い温度（通常は６００℃）で１〜２時間酸化させることにより行うことができる。
【００８３】
開放端部の炭化水素や炭素質の破片の除去は、更なる酸化（空気中５３５℃で数分間）と組合せ、不活性ガス（最も好ましくはアルゴン中）雰囲気下での加熱後に更に真空中での加熱を行うことにより行うことができる。好ましくは、処理したナノチューブに所望の物質（例えば水素）を充填する手順は、上述の手順全てと組合せて、即ち、真空中での試料の加熱後に同一セル内で行なうべきである。
【００８４】
上述のように、本発明の新しい方法により短尺化ナノチューブ（ｓｈ−ＮＴ）の提供が可能となる。この短尺化ナノチューブは、特定の用途に特に適したものである。
【００８５】
本発明は、直径が２〜５ｎｍの範囲に分布した短尺化ＳＷＮＴ（ｓｈ−ＳＷＮＴ）を提供する。好ましくは、ｓｈ−ＳＷＮＴの直径の範囲は２〜３ｎｍである。
【００８６】
好ましくは、ｓｈ−ＳＷＮＴの長さの範囲は０．１〜１μｍである。より好ましくは、短尺化ナノチューブの長さの範囲は０．１〜０．５μｍである。
【００８７】
従って、本発明のｓｈ−ＳＷＮＴは、従来のＳＷＮＴに比べて長さが大幅に短く、直径が大きい。
【００８８】
本発明はその更なる様相において、平均直径２〜１５ｎｍ、長さ５０〜１０００ｎｍの短尺化多層ナノチューブ（ｓｈ−ＭＷＮＴ）を提供する。
【００８９】
好ましくは、ｓｈ−ＭＷＮＴの直径の中央値は６０〜８０Å、長さ１００〜３００ｎｍである。
【００９０】
好ましくは、ｓｈ−ＭＷＮＴは２〜６層のＳＷＮＴ、通常は２〜３層のＳＷＮＴから構成される。
【００９１】
このように、本発明に係るｓｈ−ＭＷＮＴは、上記文献に記載のものに比べて大幅に短いものである。
【００９２】
ｓｈ−ＭＷＮＴ及びｓｈ−ＳＷＮＴの粉末試料は、３〜４Ｖ／μｍオーダーの低電界で比較的高い電子放出を示す。ｓｈ−ＳＷＮＴ試料では、電子放出は約２Ｖ／μｍで開始する。
【００９３】
意外にも本発明者らは、本発明の新規なナノチューブは既存の従来のナノチューブに比べて、その一端を容易に開くことができることを見出した。
【００９４】
更に、本発明のナノチューブは、従来のナノチューブに比べて再シールを容易に行うことができる。
【００９５】
本発明のｓｈ−ＭＷＮＴの生成に使用する炭化水素液は、任意の適切な炭化水素とすることができる。例えば、液体はシクロヘキサンやベンゼン、トルエン、アセトン、パラアルデヒド、メタノール等をベースとしたものとすることができ、或いはこれらの混合物とすることもできる。
【００９６】
本発明によると、フラーレンやナノ粒子、ナノチューブ（特にｓｈ−ＮＴ、ｓｈ−ＭＷＮＴやｓｈ−ＳＷＮＴ）を生成するための装置が提供される。この装置は、フラーレンやナノ粒子、ナノチューブの生成に使用される液体炭化水素反応物質を含むことができるチャンバを含み、前記チャンバは、少なくとも一個の第一の極性を有する電極と少なくとも一個の第二の極性を有する電極を含み、前記第一の電極と第二の電極とは互いに近接して配置されており、前記第一の電極にはコンタクタが固着されている。
【００９７】
電極間の間隔は、電極間に電気アークを通すことができる程度でなければならない。
【００９８】
好ましくは、前記第一の電極と第二の電極の間に印加される電圧は直流電圧或いは交流電圧とすることができる。
【００９９】
好ましくは、直流電圧の範囲は１８〜６５Ｖである。
【０１００】
好ましくは、交流電圧の範囲は１８〜６５Ｖ（実効電圧）である。
【０１０１】
好ましくは、コンタクタは黒鉛で形成したものであるが、任意選択的にはタングステンやモリブデンで形成されたものとすることができる。好ましくは、前記コンタクタは球状である。任意選択的には、前記コンタクタは半球状とすることができる。任意選択的には、前記コンタクタは、三角形や四角形の断面を有する角柱状、円柱状や先端が切り取られた円柱状、或いは平坦状とすることができる。
【０１０２】
金属コンタクタは、スポンジＴｉの直方体やＡｌの円柱で構成することができる。
【０１０３】
好ましくは、前記第一電極はタングステンで構成したものであるが、任意選択的には、第一電極は、モリブデンや炭素含有物質（黒鉛等）で構成したものとすることができる。
【０１０４】
好ましくは、前記第一電極はロッド状である。
【０１０５】
好ましくは、第二電極は、第一電極を収容し得る空洞部を複数有するマトリクスから構成される。
【０１０６】
好ましくは、装置は、電極の領域や電極付近の領域にガスが供給されるガス取込口を含む。
【０１０７】
好ましくは、前記ガスは貴ガス、希ガス或いは不活性ガスである。
【０１０８】
好ましくは、前記ガスはアルゴンである。
【０１０９】
好ましくは、前記装置は冷却手段を含む。冷却手段は、例えば、チャンバ壁内に空洞壁を含むことができ、この空洞を通って冷却剤が循環される。冷却剤の温度は、チャンバの内容物の温度よりも低くなければならない。
【０１１０】
好ましくは、前記チャンバは、チャンバ内部の圧力を所定のレベルに維持するための圧力調整手段を含む。
【０１１１】
より好ましくは、前記所望の圧力レベルは０．８〜１．０気圧である。
【０１１２】
Ａ．Ｃ．Ｄｉｌｌｏｎら［１７］は、炭素単層ナノチューブ（ＳＷＮＴ）内に水素を貯蔵する方法を記載しており、その総取込量はｍｇスケールの試料に対し７重量％に至るものであった。この方法では、ＳＷＮＴからなるもの（５０重量％）が、レーザアブレーション法により収量１５０ｍｇ／時間（１回のインストールに対し約１．５ｇ／日）で生成される。ＳＷＮＴの直径は１．１〜１．４ｎｍと推算されている。この方法では、粗製物を３ＭのＨＮ０３中において１２０℃で１６時間還流した後、０．２ミクロンポリプロピレンフィルター上のマット状の固形物を収集し、脱イオン水で洗浄する。乾燥後、カーボンマットを滞留空気下５５０℃で１０分酸化させ、ＳＷＮＴ（９８重量％）のみからなるものが得られる。精製した１〜３ｍｇの試料を、４ＭのＨＮ０３（２０ｍＬ）中、高エネルギープローブを用いてパワー２５〜２５０Ｗ／ｃｍで１０分〜２４時間超音波処理し、ＳＷＮＴをより短い断片に切断する。使用する超音波プローブはプロセス中に一部破壊されるので、金属粒子でＳＷＮＴの質が損なわれる。
【０１１３】
次に、約１ｍｇの切断ＳＷＮＴの乾燥試料を１０−７Ｔｏｒｒの真空下５５０℃で数時間アニーリングし、室温まで冷却した後、大気圧下において水素を充填させる。この方法では、水素取込量が７重量％という優れた結果が得られるが、原料の使用量が少ないことや、高価な超音波プローブに大きなエロージョンが起こること、多量の試料の場合には真空アニーリングが難しいことから、この方法は多量のナノチューブを生成するのに実用的ではないことが分かる。
【０１１４】
Ｃ．Ｌｉｕらは、直径がより大きい（１．８ｎｍまで）ＳＷＮＴへの水素貯蔵を室温で穏やかな圧力（約１１０気圧）において行う方法［１８］を述べており、この方法では０．５ｇの試料に対する総取込量は４．２重量％であった。ＳＷＮＴ試料の調製は水素アーク放電法により行い、ＳＷＮＴからなるもの（５０〜６０重量％）を約２ｇ／時間で得た。次に、（ナノチューブを開端させるために）このＳＷＮＴ試料を塩酸（ＨＣｌ）に浸し、（開放端の炭素質破片や炭化水素、ヒドロキシル基を除去するために）真空下５００℃で２時間熱処理した。水素取込量は、貯蔵（約６時間）中の圧力変化により概算した。試料を大気圧下に戻しても、水素の一部（２１〜２５ｒｅｌ％）は室温でナノチューブから脱着しなかった。１５０℃で真空加熱を行うと、水素はナノチューブから完全に放出された。Ｄｉｌｌｏｎの方法と比較するとこの方法の生産性は非常に高い。しかしながら、多量のナノチューブに対する真空加熱についてはその信頼性に未だ問題が残っている。
【０１１５】
ナノカーボンへの水素貯蔵を制限している最も重要な問題点は、ナノ細孔開放端の炭化水素や炭素質破片を真空下でアニーリングすることが、特に多量のナノカーボンを産業的規模で処理する場合、事実上不可能であることである。
【０１１６】
本発明によると、ナノカーボン試料内にガスを封入する方法が提供される。この方法は、ナノカーボン試料を酸化し、可能な限り多量のナノカーボンを精製すると共に試料中のナノチューブの少なくとも一端を開端させる段階と、ナノチューブに前記ガスを導入する段階とを含む。
【０１１７】
一般に、金属や金属炭化物を酸化物へと酸化するため、ナノカーボン試料を高温で、好ましくは５５０℃以下で酸化させる。より好ましくは、ナノカーボン試料の酸化は、ＳＷＮＴに対しては３５０〜６５０℃、典型的には約５３５℃で行い、短尺化ＭＷＮＴ（ｓｈ−ＭＷＮＴ）ナノチューブの球状端を開端するためには約６００℃で行う。また、金属酸化物を除去するためのナノカーボン試料の酸化は、酸により周囲温度で行う。理想的には、ナノカーボン試料の酸化は、空気中で、通常３０〜１２０分、好ましくは約６０〜９０分行う。
【発明を実施するための最良の形態】
【０１１８】
本発明の好ましい一実施形態においては、ナノカーボン試料を、第一の酸化段階と第二の酸化段階とを含む三段階の工程で酸化させる。通常、第一の酸化段階は高温で、好ましくは５００℃以上、より好ましくは５２０〜５５０℃、典型的には約５３５℃で、３０〜９０分、理想的には約６０分間行う。通常、第二の酸化段階は、酸にナノカーボン試料を浸すことにより室温で、好ましくは、塩酸、フッ化水素酸、硝酸又はこれらの混合物中で好ましくは１０〜２４時間行う。通常、第三の酸化段階は、約６００℃（例えば５５０〜６５０℃、より好ましくは５８０〜６２０℃）で３０〜１２０分間、好ましくは６０〜９０分間行う。理想的には、第一の酸化段階と第三の酸化段階は空気中で行う。
【０１１９】
好ましくは、ナノカーボン試料は、ナノカーボンの真空パージ前に空気中で再加熱される。通常、再加熱段階は、好ましくは５００℃を超える温度、より好ましくは５２０〜６５０℃、典型的には約５３５℃で、短時間（例えば約３分）行う。典型的には、ナノカーボン試料は、ナノカーボンにガスを導入する前に真空パージされる。これに替えて、再加熱段階は、任意の不活性ガス雰囲気下、最も好ましくはアルゴン雰囲気下において行うことができる。
【０１２０】
本発明の一実施形態においては、アルゴン、クリプトン、キセノン等の貴ガスやその放射性同位体がナノカーボンに導入される。このような例においては、ガスは、通常、初期圧が約７０気圧以上（典型的には７０〜１５０気圧）であり、典型的にはナノカーボン試料に短時間で、例えば約２〜３秒で導入される。これに替えて、ナノカーボン試料へのガスの導入は、複数回の導入操作や連続的な導入操作で行うことができる。従って、例えば、本発明によりナノカーボン試料に水素を導入する場合、水素を、間隔をあけて数回に分けてナノカーボンに導入するか、或いはナノチューブ内の水素圧と水素供給容器内の水素圧が等しくなるまで連続的に導入する。
【０１２１】
また、本発明は、ナノカーボン試料内に貴ガスや水素等のガスを導入する方法を提供しようとするものである。この方法は、ナノカーボン試料を加熱する最初の段階と、加熱された試料を真空下に置く任意の段階と、試料にガスを導入する段階とを含む。一般に、加熱段階は真空段階の前に行われるが、一実施形態においては、加熱段階を不活性ガス雰囲気において、好ましくはヘリウム中やアルゴン中で行う。通常、試料は、高温（好ましくは５００℃を超える温度、より好ましくは約５３５℃）で、理想的には短時間（例えば２〜３分（長くとも１０分））で再加熱される。
【０１２２】
また、本発明は、ガス導入のためのナノカーボン試料を調製する方法を提供しようとするものである。この方法は、一般的な段階として、上に述べた各酸化段階により試料を酸化する段階を含む。
【０１２３】
好ましくは、本発明の方法に使用されるナノカーボン試料中のナノチューブの大半の長さは１ミクロン未満である、即ち、上に述べたような短尺化ナノチューブである。より好ましくは、本発明の方法に使用されるナノカーボン試料中のナノチューブの大半の長さは、０．２〜０．５ミクロンである。通常、ナノカーボン試料に含まれるカーボンナノチューブには、それらの新しい変形種、即ち単層ナノホーン（ＳＷＮＨ）も含まれる［１９、２０］。ＳＷＮＨ（ナノホーン）は長い単層小球体であり、その円錐先端の角度は２０°、直径は２〜３ｎｍ、長さは３０〜５０ｎｍである。従って、ＳＷＮＨは本発明のＳＷＮＴと非常に近い直径を有するが、長さに関してはかなり短い。ＳＷＮＨは、典型的には直径が約８０ｎｍの球状凝集体を形成する。本発明に用いるナノカーボン試料においては、ＳＷＮＨの凝集体は２００〜３００ｎｍを超えることもあるし、更にこれより大きいこともある。ＳＷＮＨは開口した孔を有する構造をとるが、殆どの場合その孔は閉じている（通常、３倍超）。おそらく、ＳＷＮＨは、本発明の第一及び第二の酸化段階においては安定しており、第三の酸化段階で閉じた孔が開かれる。従って、ＳＷＮＨは短すぎて長時間過酷な状況に耐えることができないものであるため、ＳＷＮＨが大部分を占める試料を用いる場合、第三の段階は非常に注意深く制御されなければならない。従って、このような試料に対しては、不活性ガス雰囲気下で試料の再加熱を行うことが好ましい。これは、（例えば燃料電池における）ナノカーボン吸着剤の複数回使用（ガス再充填）時に、ＳＷＮＨが更に分解されてしまうことを防ぐためである。
【０１２４】
好ましくは、本発明の方法に用いられるナノカーボン試料中の短尺化単層ナノチューブ（ｓｈ−ＳＷＮＴ）の大半の直径は２〜５ｎｍである。
【０１２５】
ナノカーボン試料のサイズは任意のものとすることができる。本発明は特に、多量の試料にガスを封入するのに適している。その試料は、ナノチューブ／ナノホーン／ナノファイバー（ＧＮＦ）が微量とはいえないレベルで含まれているものである。
【０１２６】
好ましくは、前記ガスは不活性（貴）ガスである。好ましくは、前記不活性（貴）ガスは、ヘリウムやアルゴン、クリプトン、キセノンやそれらの放射性同位体である。
【０１２７】
任意選択的には、ガスは水素とすることができる。
【０１２８】
好ましくは、本発明の方法は、ガス含有ナノチューブを真空加熱することにより、ナノカーボン試料内に封入された第一のガスを第二のガスに置換する段階と、前記第二のガスをナノチューブ試料に導入する段階とを更に含む。好ましくは、再加熱したナノカーボン試料を真空パージして前記第一のガスを除去する。
【０１２９】
好ましくは、第二のガスは、約７０〜１５０気圧でナノカーボンに導入される。
【０１３０】
次に、本発明を、添付の図面を参照しつつ実施例により説明するが、これは単なる例示に過ぎない。
【実施例】
【０１３１】
実施例１．フラーレンの生産
図１に示すように、フラーレン生産装置の個々のセルは、密閉された本体１を含む。本体１内には、電極Ａ（３）用のホルダ２及び電極Ｂ（５）用のホルダ４が設置され、球状黒鉛コンタクタ６が、電極Ａの上側で金属グリッド７の下側に配置されている。この構造は、炭化水素液８に浸され、バッファガス導入用のバルブ９、及び通常は溶接に使用される標準ＡＣ電源１０（３相電圧、５３Ｖ、５０Ｈｚ）に接続される。小径の円筒状黒鉛パイプ３（電極Ａ）が、円筒状セラミック絶縁体１１を介してホルダ２に設置され、安全ワイヤによってホルダに接続される。これらのパイプは、黒鉛マトリクス５（電極Ｂ）の垂直円筒の穴の内部に、軸方向に設置される。図１に示す装置の設計では、１９組の電極／コンタクタが、稠密な六角形パッケージとして、垂直に設置されている。黒鉛パイプは、長さ２０〜５０ｍｍの範囲内又はそれより長く、外径／内径は４／１〜２ｍｍであり、電極Ａ３を提供する。相応する球状黒鉛コンタクタは、直径が１１〜１２．５ｍｍの範囲内であり、パイプの上、黒鉛マトリクス５（電極Ｂ）円筒の穴に置かれる。この穴の直径は、１３〜１３．５ｍｍの範囲内である。全ての黒鉛部材は、市販のロシアングラファイト、型番ＭＰＧ−６で作成した。
【０１３２】
円筒状ステンレス鋼の本体（チャンバ）２０は、上部からベンゼンやトルエン、キシレン等の芳香族液体、又はこれらの混合物で、少なくとも球状黒鉛６コンタクタを覆うに十分なレベルまで満たされる。ワットマンフィルタ１２は、本体上部に設置され、放出ガスの気泡とともに炭化水素液から放出される煤粒子を吸着する。
【０１３３】
装置のスイッチを入れる前に、空気を本体１から自動バルブ１３を通じて排出し、純アルゴンガスをバルブ９を通じてパイプに供給し、空間を所望の高次フラーレン生産に最適な圧力とする。圧力は圧力計１４によって制御される。上部蓋１５及び下部蓋１６はテフロン（登録商標、以下同じ）製であり、絶縁を提供すると共にプロセス中にアーク放電が観察できるようにする。本体（及び炭化水素液）冷却水は、入口１７から出口１８へと流れる。ゴムリング１９が本体を密閉する。
【０１３４】
パイプ内のバッファガス圧は、パイプ先端にガス球を維持可能なレベルに調節されるため、アーク開始と同時に温度勾配によって自動的にアーク内を通るガス流が生じる。
【０１３５】
電源１０のスイッチが入れられると同時に、プロセスが開始される。通常のＡＣの下では、アークは、コンタクタ６と電極３、５の間に順番に生じる。よって、両電極３、５及びコンタクタ６は、徐々に目減りすると同時にカソード堆積物で覆われ、数時間は電極形状を事実上一定に保つ。ダイオードを使用することにより、パイプ（電極Ａ）をアノードとして使用してフィードできるようになり、プロセスの進行につれパイプ及びコンタクタのみが徐々に目減りする。この方法ではフラーレン収量は半減する。アークは最高の明るさを保つようにする。即ち、アーク電流強度は、本体内部圧力や炭化水素液の組成（誘電率を変えること）、アークの断面積、電極／コンタクタとして使用される黒鉛の型等のパラメータを変えることにより、可能な限り高くなるようにされる。本発明者らは、ベンゼンベース液体中でＣ９８を高収率で生産するためには、ＡＣ電圧５３Ｖ、アーク強度１００〜３００Ａ／ｃｍ２を使用すれば十分であることを見出した。これは、上述の電極形状の場合は、アークの断面積３〜４ｍｍ２に対し３〜１２Ａｍｐの電流に相当する。
【０１３６】
前記の最も明るいアークという最適な状況を得るためには、オシロスコープを使用して電流の時間依存性を制御すればよい。その後、ホール効果に基づく適当な市販のプローブによって、平均電流を粗く制御する。
【０１３７】
よって、約１００組の電極を有するようなより大きなプロセッサを使用した場合、平均電流は１００〜１１０Ａｍｐの範囲であるが、１９組の前記電極を有するより小さなプロセッサの場合は、平均電流は１５〜３０Ａｍｐの範囲内で変動する。
【０１３８】
生産の持続時間（０．５〜８時間）は生産されたフラーレンの処理液体中への溶解度に依存する。
【０１３９】
フラーレンの溶解度が処理液体中のそれらの濃度よりも高い場合、フラーレンは殆ど液体中に蓄積される。例えば本発明者らは、本装置によって純ベンゼン中で一組の電極あたり最初の３０分毎に約０．４ｍｇ収量でＣ９８を生産できることを見出した。最も簡単な装置構成では、液体の減少は電極の組毎に約２０ｍｌと妥当な最小値とすることができる。Ｃ９８の濃度は０．０２ｍｇ／ｍｌ（最初の３０分後）と考えられ、これはベンゼン中のＣ９８の溶解度よりも大幅に低い。例えば、ベンゼン中のＣ６０の溶解度は、約１ｍｇ／ｍｌであり、これは芳香族液体中最も低い。従って、純芳香族液体及びそれらの混合物の中で、生産されたフラーレンの殆どは液体中に存在する。しかしながら、液体中に煤粒子が十分な量出現すると同時に、粒子は生産されたフラーレンのほぼ半数を吸着する。よって純芳香族液体を使用した場合は、液体と煤の両留分からフラーレンを抽出する必要がある。
【０１４０】
本発明者らは、一組の電極を有する装置において３０分間で、１２０〜１５０ｍｌの純ベンゼン（サンプル２及び３）及び／又はディーゼル燃料と混合したベンゼン（サンプル１）を処理し低次及び高次フラーレン混合物の生産に成功した。サンプル１は、バッファガスの導入無しに、液体上の空気下で生産された。サンプル２は、アルゴンをアークの総断面積（単位はｃｍ２）あたり約０．００２〜０．００３ｍ３／ｈの流入量で導入し生産された。サンプル３は、アルゴンをアークの総断面積（単位はｃｍ２）あたり約０．００１ｍ３／ｈの流入量で導入して生産された）。
【０１４１】
処理後、全ての液体をワットマンＮ４２によって濾過した（サンプル１からは約０．２ｇの煤が集められ、サンプル２及び３からは約１ｇの煤が集められた）。液体と煤サンプルを、真空オーブン中７０℃で乾燥した。濃褐色の残留物（ベンゼン液体から、サンプル２及び３）及び黒色煤サンプルを、磁気撹拌器及び／又はソックスレー抽出器を使用して、温かいメタノール及び／又はアセトンで２〜２４時間洗浄した。洗浄後、残留物（液体及び煤サンプルの）を、ソックスレーを使用して１００ｍｌのベンゼンで６時間、又はクロロベンゼンで２４時間抽出した。
【０１４２】
いくつかのサンプルは、高次フラーレンから低次フラーレンを分離するためにモレキュラーシーブで濾過した（８Åと１０Åのグラニュラーシーブの組合せにより内径１１．２ｍｍのチューブ内で２〜３グラム）。濾過した液体を、約２ｍｌに濃縮し、サンプルのそれぞれ約５０μｌを、分析カラム及びプロモケム社（Promochem）バッキープレップ（Buckyprep）（予備）カラムを使用したＨＰＬＣ−ＭＳとＴＯＦ  ＥＳＩ−質量分光器  ＶＧ  Ｂｉｏ  Ｌａｂ．とを組合せて分析した。アルドリッチＣ６０／Ｃ７０フラーライト（fullerite）及び高次フラーレン参照サンプルを使用してＨＰＬＣ−ＭＳ装置を補正した。
【０１４３】
図２に、サンプル１（モレキュラーシーブで濾過せず）のＨＰＬＣ（分析カラム、ヘキサン：トルエン＝９５：５、ＵＶ信号３３０ｎｍ）、ＴＯＦ  ＥＳＩ−マス及びＵＶスペクトルを示す。アルドリッチフラーライト参照サンプルのＴＯＦ  ＥＳＩ−ＭＳ及びＵＶスペクトルは、Ｃ６０とＣ７０の典型的な特徴のみを示した。サンプル１のＨＰＬＣダイヤグラム（図２）は、多数のピークの存在を示し、それらの中で、保持時間が３．０１分のものはＣ６０に対応する。ＭＳスペクトルは分析カラムが定常的にＣ９８を抽出することを示し、他の特性ピークは現れない。数種の登録ＨＰＬＣピークについて収集したＵＶスペクトルによって、Ｃ９８のこの性質が確認される。Ｃ６０より高次のフラーレンの中でＣ９８が主要な種であり（〜７０％）、ほぼ２０％がＣ７６Ｈ４付加物、約〜１０％がＣ６０であることが分かる。
【０１４４】
図３に、モレキュラーシーブで濾過し、ガラスバイアル内に約３ヶ月保持したサンプル２及び３のＴＯＦ−マススペクトルを示す。これらのスペクトルは、バッキープレップカラムを装備したＨＰＬＣ−ＭＳ装置を使用して得られた。サンプル３のスペクトルによると、一組の電極あたり３０分間に０．４ｍｇ（アーク断面積は約３〜４ｍｍ２）より多い予想産出量でＣ９８が生成された。よって、１９組の電極を有する装置を使用すると、３０分間でＣ９８を７．６ｍｇより多く生成可能である。サンプル３からは、微量のＣ１５０が検出された。
【０１４５】
図２のマススペクトルによると、主要フラーレン種は、付加物を有するＣ５０（本発明者らは、これらをメチレン付加物、Ｃ５０（ＣＨ２）２及びＣ５０（ＣＨ２）４と推定する）及びＣ９８であり、Ｃ６０及びＣ７６Ｈ４は１／５である。Ｃ５０フラーレンより小さい種は、低次フラーレン（Ｃ２８、Ｃ３０、Ｃ３２、Ｃ３８、Ｃ４４、及びＣ４６）、同様に多環芳香族化合物（ＰＡＣ）であろう。ＭＳによるとサンプル１の主要ＰＡＣは、Ｃ１６Ｈ１Ｏ、Ｃ２４Ｈ１２及びＣ３８Ｈ１４であり、これらは通常、芳香族骨格中最も安定な炭化水素であるとされる。図３によると、殆どの小さな種（Ｃ５０フラーレンやＣ５０（ＣＨ２）２を含む）は、８及び１０Åの細孔を有するモレキュラーシーブによる濾過によって、サンプル２及び３から分離された。ＰＡＣはモレキュラーシーブによって分離できないため、濾過された（missing）種は、低次フラーレン及びそれらの付加物／化合物、即ち、Ｃ２８（３３６ａ．ｕ．）、Ｃ２８ＣＨ２（３５０）、Ｃ３０（３６０）、Ｃ３０ＣＨ２（３７４）、Ｃ３２（３８４）、Ｃ３２Ｏ（４００）、Ｃ３８（４５６）、Ｃ４４Ｈ２（５３０）、Ｃ４６（５５２）、Ｃ５０（６００）及びＣ５０（ＣＨ２）２（６２８）と結論される。Ｃ１６Ｈ１０、Ｃ２４Ｈ１２及びＣ３８Ｈ１４（前駆物質）の濃度とＣ５０、Ｃ６０、Ｃ７６Ｈ４及びＣ９８フラーレン濃度間には相関があるのが分かる。見出された相関によると、本発明者らは、Ｃ９８を除く全ての前記フラーレンは、これら最安定な多環前駆物質（即ち、Ｃ１６Ｈ１０、Ｃ２４Ｈ１２及びＣ３８Ｈ１４）間のプラズマ−化学相互作用によって（記載の本実験条件下では）以下のように生成されることを示唆する。
【０１４６】
１．Ｃ１６Ｈ１０＋Ｃ１６Ｈ１０      −＞  Ｃ２８＋２Ｃ２＋５Ｈ２
−＞  Ｃ３０＋Ｃ２＋５Ｈ２
−＞  Ｃ３２Ｈ２＋４Ｈ２
２．Ｃ１６Ｈ１０＋Ｃ２４Ｈ１２      −＞  Ｃ３８＋Ｃ２＋１１Ｈ２（Ｃ２４Ｈ１２が著しく減じられた場合Ｃ３８は消失した）
３．Ｃ２４Ｈ１２＋Ｃ２４Ｈ１２      −＞  Ｃ４４＋２Ｃ２＋１２Ｈ２（Ｃ２４Ｈ１２が減じられた場合、Ｃ４４は消失した）
−＞  Ｃ４６＋Ｃ２＋１２Ｈ２（Ｃ２４Ｈ１２が減じられた場合、Ｃ４６は消失した）
４．Ｃ３８Ｈ１６＋Ｃ１６Ｈ１０      −＞  Ｃ５０＋２Ｃ２＋１３Ｈ２
−＞  Ｃ５０（ＣＨ２）２＋Ｃ２＋１１Ｈ２
−＞  Ｃ５０（ＣＨ２）４＋９Ｈ２
５．Ｃ３８Ｈ１６＋Ｃ２４Ｈ１２      −＞  Ｃ６０＋Ｃ２＋１４Ｈ２（Ｃ２４Ｈ１２が減じられた場合、Ｃ６０は消失した）
６．Ｃ３８Ｈ１６＋Ｃ３８Ｈ１６      −＞  Ｃ７６Ｈ４＋１４Ｈ２（常に存在した、Ｃ３８Ｈ１６も同様である）
【０１４７】
一方、Ｃ９８及び恐らくＣ１５０は、Ｃ５０（又はＣ５０−付加物）及びＣ７６Ｈ４の内の二種間のプラズマ−化学相互作用によって生成されたと推定される。これらを以下に示す。
【０１４８】
Ｃ５０＋Ｃ５０                      −＞  Ｃ９８＋Ｃ２
Ｃ５０＋Ｃ５０（ＣＨ２）２            −＞  Ｃ９８＋Ｃ２＋２ＣＨ２
Ｃ５０＋Ｃ５０（ＣＨ２）４            −＞  Ｃ９８＋Ｃ２＋４ＣＨ２
Ｃ５０（ＣＨ２）２＋Ｃ５０（ＣＨ２）４  −＞  Ｃ９８＋Ｃ２＋６ＣＨ２
Ｃ５０（ＣＨ２）４＋Ｃ５０（ＣＨ２）４  −＞  Ｃ９８＋Ｃ２＋８ＣＨ２
Ｃ７６Ｈ４＋Ｃ７６Ｈ４                −＞  Ｃ１５０＋Ｃ２＋４Ｈ２
【０１４９】
本発明者らは、異なる状況下（例えば、２４ＶのＤＣ）ではＣ５０、Ｃ６０、Ｃ７６、及びＣ９８の存在はもとより、Ｃ８４を含むより広い分布の高次フラーレンが生成されることを見出した。
【０１５０】
サンプル３中に存在するフラーレンの内、Ｃ９８が最も安定なフラーレン種と考えられる。本発明者らは、テストバイアル内に約３ヶ月保持した後のサンプルについて、ＭＳテストを再び行なった。残留物をトルエンに溶解し、ＴＯＦ質量分光器に直接注入した。図４は、モレキュラーシーブで濾過し約３ヶ月保持した後、濾過した溶離液（サンプル３）のマススペクトル（図４ａ）、及び更に３ヶ月プラスティックテストバイアル内に保持したサンプルのマススペクトル（図４ｂ）である。マススペクトルは、主にＣ９８と微量のＣ１５０を示した（図４ｂ）。一方ＰＡＣ  Ｃ３４Ｈ１６は、ほぼ以前と同レベルであった。トルエンで希釈したサンプル３の残留物からは、「塩素化」した種は検出されなかったことを付け加える。
【０１５１】
本プロセス及び本装置の使用によって、所望のフラーレンを優先的に生成すること（即ち、他のフラーレン混合物は殆ど無く、ＨＰＬＣプレパレーションを使用すること無しに）が可能となる。例えば、Ｃ９８は既にｍｇスケールで生産されている。アークの状況を変えることにより、ＰＡＣ前駆物質の組成の変更が可能となり、結果的には、生成される高次フラーレンの組成を変えることとなる。
【０１５２】
モレキュラーシーブに吸着したＣ５０及び他の低次フラーレン種は、特定の溶離液によってそれらから抽出可能なことが分かる。よって、付加的な副産物、Ｃ５０やＣ４６、Ｃ４４、Ｃ３８、Ｃ３２、Ｃ３０、Ｃ２８等も得られる。
【０１５３】
実施例２．図１の装置を用いた、ＡＣ電源によるナノチューブ/ナノ粒子堆積物の生成装置１は、電極３，５への堆積物としてナノチューブの生成に使用できる（図１）。
【０１５４】
本体は、芳香族液体８（ベンゼンやトルエン、キシレン、トルエンベースのナフテン酸Ｃｏ−Ｎｉ溶液等、又はこれらの混合溶液等）で、少なくともコンタクタ６を覆うに十分なレベルまで満たされる。反応開始前、空気を、本体から安全バルブ１３の排出口を通じて排出し、純アルゴンガスを入口９及びパイプ３（電極Ａ）を通じて供給し、カーボンナノチューブ／ナノ粒子生成に最適な圧力で空間を満たす。最も好ましくは、６００〜８００Ｔｏｒｒの範囲である。次いで、開口部からのアルゴン流量は、一組の電極あたり１〜３リットル／時間に維持される。即ち、この装置では約２０〜６０リットル／時間である。
【０１５５】
電源１０のスイッチが入れられると同時にプロセスが開始する。通常のＡＣ下では、アークは、コンタクタ６と電極３、５の間で順番に発生する。よって、電極３、５及びコンタクタ６の両方は、徐々に目減りすると同時に、堆積物によって覆われる。
【０１５６】
パイプ／開口部内のアルゴン流は、ナノチューブ／ナノ粒子堆積物の形成を開始する最適な条件を提供する。
【０１５７】
ナノチューブ堆積物の生成は、アルゴン流量がより多い（電極Ａ３の）開口部で最初に開始される。この場合、（他の）電極Ａ３は、開口部を持たない棒として振舞う。全ての電極Ａ３は、電源１０の電極へ安全ワイヤによって接続される。安全ワイヤは、特定の電極周囲でのナノチューブ／ナノ粒子堆積物形成プロセスが終了した場合に溶解する。
【０１５８】
装置は、電極Ａ３がマトリクスの穴内部に水平に置かれた場合でさえ堆積物を生成可能であることが分かる。この実施例で使用される１９組の電極全ては、同時に電源に接続される。異なる組間のアーク放電は、自己整列し制御される。特定のアークギャップを通じる電流は、堆積物が下向きに成長すると共に増加する。堆積物の境目が穴の底に達する間に、電流は３０Ａｍｐまで
増加する。この時点で、安全ワイヤが溶解し、堆積は終了する。一個の穴でプロセスが終了すると同時に、アルゴン流量が最適である次の電極の組が、堆積物生成を開始する。
【０１５９】
５３ＶのＡＣ電圧では、一組の電極あたり１分間に約１グラムの炭素質堆積物が生成される。１９組の電極を有する装置は、ほぼ２０分で約２０グラムの堆積物を生成する。
【０１６０】
透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）写真によると（図５ａ〜ｃ参照）、ナノチューブは直径が２〜２０ｎｍの範囲内のＭＷＮＴとして現れ、一方バッキーオニオンは４〜７０ｎｍの範囲内のサイズで現れる。Ｘ線回折（ＸＲＤ）プロファイルによると、これら堆積物は、ＭＷＮＴ／ナノ粒子（総量は１〜１０ｗｔ％の範囲内）というよりは、主に黒鉛状炭素（４０〜９０ｗｔ％）から構成される。堆積物中には「カール状」ナノカーボンが存在する（図５ｃ参照）。
【０１６１】
ダイオードを使用することにより、パイプ（電極Ａ）がアノードとして使用できることになるため、プロセス中はパイプとコンタクタのみが徐々に目減りする。図５ｄは、３相電流をダイオードで整流したパルス化正値（電極Ａ３において）モード電流を使用し生成された堆積物の、典型的なＴＥＭ像を示す。
【０１６２】
より低い電圧の使用は、より高いナノチューブ濃度の堆積物が生成可能なため、より好ましく見える。
【０１６３】
しかしながら、ナノチューブ及びナノ粒子生成は、ＤＣ電源を使用するのがより好ましい。
【０１６４】
実施例３．図１の装置を用いた、ＤＣ電源によるナノチューブ/ナノ粒子堆積物の生成
ナノチューブ/バッキーオニオン堆積物の生成には、ＤＣ電源がより好ましいと考えられる。図６は、実験により得られた、堆積物の組成及びその収量のＤＣ印加電圧に対する依存性を示す。この依存性から、この装置においては、ナノチューブ/ナノ粒子堆積物の生成が電圧約２０Ｖから始まることがわかる。ＭＷＮＴ生成に最も好ましい電圧の範囲は２４〜３０Ｖであり、その範囲に対応する堆積物の収量は０．４〜１．０ｇ／分である。印加電圧を３６Ｖより大きくすると、バッキーオニオンや黒鉛、金属クラスタの収量が増加する傾向がある。
【０１６５】
印加電圧を２８〜３０Ｖより大きくする場合には、１個か２個のコンタクタを通常のコンタクタの上に追加配置する必要があり、これにより最適なアーク形成が維持される（これら追加のコンタクタには全く腐蝕しないので、何回も使用できる）。
【０１６６】
この装置の配置では、「硬い」シェルと「軟らかい」堆積物の２種類の堆積物が得られる。
【０１６７】
驚くべきことに、コンタクタをアノードとして作用させるとコンタクタの周りにシェルが形成される。従って、生成時にコンタクタは腐蝕する。ＴＥＭ画像では、堆積物は、むしろ直径の分布範囲が狭い（約６ｎｍ±１ｎｍ）、約６±１層の多量のＭＷＮＴとして観察される（図７参照）。
【０１６８】
ＤＣの場合、カソード（マトリクス）は腐蝕されないが、コンタクタの腐蝕の程度はひどく、アノード（パイプ或いはロッド）３、５は緩やかに腐蝕される。
【０１６９】
印加電圧が２４Ｖの場合のシェルの組成は、ＴＥＭ、ＸＲＤ及びラマン分光法により、ＭＷＮＴ＝５〜３０重量％、ナノ粒子＝５〜１０重量％、アモルファスカーボン及び「カール状」カーボン＝５０重量％、黒鉛＝５０〜１０重量％、金属≦１〜２重量％であることが示された。
【０１７０】
コンタクタではなくパイプが腐食される場合、「軟らかい」堆積物が電極Ａ（アノード）の周りに形成される。この「軟らかい」堆積物は、ＭＷＮＴやナノ粒子と略同一の成分を有するという特徴を有する。
【０１７１】
シクロヘキサンをベースとする混合物を用いると、この装置により得られる堆積物は、芳香族系混合物を用いた場合に比べて収量が１／３になるが、含まれるＭＷＮＴとナノ粒子の量は多くなる。図８は、装置１を用いてシクロヘキサン中に生成された堆積物の典型的なＴＥＭ像である。多くのＭＷＮＴは短く、曲がっているものもあるが、事実上これらは全て略同一の直径を有する。
【０１７２】
芳香族化合物をアセトン等の炭化水素液で希釈すると、ＭＷＮＴ/バッキーオニオンの相対生成量を７０重量％にまで増加させることができる。電極Ｂ（カソード）に異なる材料を使用しても、堆積物の生成量には影響を及ぼさない。しかしながら、ステンレス鋼（ＳＳ）マトリクスを使用すると、ＭＷＮＴが多くＳＷＮＴが若干少ない「軟らかい」堆積物のみが生成される。また、ステンレス鋼マトリクスを使用すると、アノード（電極Ａ）のみが腐蝕される、即ちアーク形成がアノード（パイプ或いはロッド）とコンタクタの間だけで行われる。真鍮製のマトリクスを使用すると、ＭＷＮＴ／ナノ粒子が若干減少し、「カール状」ナノカーボンが増加する。真鍮マトリクスの場合、アノードとカソードの両方が腐蝕される。
【０１７３】
ラマン分光法、ＸＲＤ及びＴＥＭの結果からわかるように、電極Ａ（パイプ）と電極Ｃ（コンタクタ）にＣｏ酸化物やＮｉ酸化物を含浸させると、堆積物の総収量はＣｏ、Ｎｉ触媒を用いない場合と略同等ではあるが、殆どが黒鉛ナノファイバー（ＧＮＦ）から構成されている「カール状」ナノカーボンが４０重量％まで増加する。
【０１７４】
可溶性有機金属化合物を液体に添加すると（例えばナフテン酸Ｆｅ、ナフテン酸Ｃｏ、ナフテン酸Ｎｉのトルエン溶液）、ＦｅやＣｏ、Ｎｉのナノクラスタが同時に生成されてＧＮＦの成長を触媒するため、ＧＮＦの収量を増やすことができる。
【０１７５】
液体に硫黄や硫黄化合物を溶解させると、ＧＮＦの成長が更に促進される。硫黄元素のトルエン溶液（濃度２〜７重量％）を用いると、新しい形状のＧＮＦ堆積物が現れる、即ち非常に薄い「布状」或いは「断片状」のものが本体の壁に堆積する。このような堆積物は、主に、ＧＮＦ（４０〜５０重量％まで）、アモルファスカーボン（１０〜３０重量％）、カーボン及び金属ナノ粒子（５０〜２０重量％）からなるものであることが、予備的知見としてわかった。
【０１７６】
アノードベース（ホルダー）とマトリクス（カソード）の距離を大きくとることにより、カソードマトリクスの孔の外側に堆積物を成長させることができる。堆積物は、アノードの周りにおいて横方向に且つ（アノードベースに向かって）下方向に成長する。この成長は、堆積物（カソード）の端部とアノード側面の間にアークが形成されることによるものであり、「軟らかい」堆積物が成長するのと同様のものである。しかし、この堆積物の断面積は、孔の内部に成長した堆積物の２倍である。前記「外側」堆積物の組成はカソード孔内部に成長した堆積物の組成と略同一のものであること、ナノチューブの収量は孔内部に成長させるよりは基本的に高い（１．３〜１．６倍）ことがわかった。堆積物の成長は、全てのアノードが堆積物で覆われるまで続く。
【０１７７】
この事実により、ナノチューブ堆積物の連続成長のための数多くの道が開かれた。カソード（マトリクス）は（堆積物を生成するための）アーク形成を開始するためにのみ必要であり、その後はアノードと堆積物（カソード）の間でアークが形成され、従って、ナノチューブ/ナノ粒子堆積物の連続生成には長いアノードがあれば十分であってカソードマトリクスは可能な限り「短く」できることがわかった。
【０１７８】
装置１におけるこのようなプロセスを提供するのに、長い金属製のロッド或いはパイプが非常に有用であろう。ステンレス鋼製のロッド／パイプは融点が低いためアノードにはそれほど適しているものではなく、タングステンやモリブデンのアノードが黒鉛電極の代わりに使用するのに十分好適であることがわかった。
【０１７９】
上に述べたのと同一の装置（装置１）において、６〜７本のアノードを設け、ＤＣ電源から同時に給電する。異なる対の間に発生するアークは自己整列する。堆積物が、アノード（電極Ａ）に亘ってマトリクスの孔から下方に成長する（軟らかい堆積物）か或いは球状コンタクタの周りに成長する（シェル）に従い、特定のアークギャップを通る電流は増加する。堆積物の端が孔の底部に達するか或いは前記シェルの表面がマトリクスの孔の表面（カソード）に近接して接触すると、電流は３０アンペアまで増加し安全ワイヤが溶けて、堆積物の生成が停止する。一個の孔においてプロセスが終了するとすぐに、アルゴン流が最適とされた隣接する電極対により堆積物の生成が開始される。
【０１８０】
７本のアノード（電極Ａ）を配置することもでき、同様に、例えば前記電極対を数百にして可能な限り大きな装置を構成することもできる。
【０１８１】
１９本のアノードを用いた本発明の装置によれば、ＤＣアーク電圧約２４Ｖを印加すると、反応時間２０分あたり約１０ｇの堆積物が得られる。ＴＥＭ像（図７）は、高品質の堆積物が生成されたことを示している。ＴＥＭ、ＸＲＤ、ラマン分光法の結果から、堆積物の組成は、ＭＷＮＴ＝３０％、ナノ粒子＝１０％、アモルファスカーボン及び「カール状」カーボン＝３２％、ＳＷＮＴ＝２５％、金属＝０〜３％であることがわかる。
【０１８２】
本発明においては、最適なエネルギー入力によって炭化水素液の適切な分解を行うので、フラーレン、ナノ粒子、ナノチューブを生成するための比エネルギー消費量が最少となる。
【０１８３】
本発明は、本発明の精神や基本的特性から逸脱することなく、他の特定の形状において実施できる。従って、本発明の実施形態は、如何なる観点においても例示的なものであって本発明を限定するものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、前述の記載ではなく添付の特許請求の範囲によって示される。従って、特許請求の範囲の文言や均等の範囲の変更物は全て、本発明の範囲に含まれるものと解釈されるべきである。
【０１８４】
本発明によると、電極対あたりの収量としては記録的な０．２〜１ｇ／分で、非常に低い電気エネルギー比消費量（生成された堆積物１ｋｇあたり５０〜１００ｋＷｈ）でナノチューブ堆積物を連続的に生成することができる。数個の電極対と長いアノードに対してプロセッサを用いることにより、ナノチューブやナノ粒子を多量に生成できる。
【０１８５】
実施例４．図１３の装置によるナノチューブ／ナノ粒子堆積物の生成
図１３に示すフラーレンを生成するための装置は、密閉チャンバ２１を含み、該チャンバは、電極Ａ２３のホルダ２２と電極Ｂ２５のホルダ２４を含み、固定された球状或いは半球状の黒鉛コンタクタ２６が、電極Ａ２３の下方の金属グリッド２７の上方に置かれている。この配置は、炭化水素液２８に浸され、（チャンバ１の中の電極の周りにバッファガスを送るための）バルブ２９と標準的なＡＣ電源３０（通常、溶接に使用される電源（三相電圧、５３Ｖ、５０ＨＺ））とに接続されている。
【０１８６】
より小さい直径の円筒状ロッド２３（電極Ａ）が、円筒状セラミック絶縁体３１によりホルダ２２に設けられ、安全ワイヤによりホルダに接続されている。ロッド２３は、黒鉛マトリクス２５（電極Ｂ）の鉛直方向の円筒状の孔の内部に軸方向に設けられている。
【０１８７】
図１３は、コンパクトな六角形のパッケージ内に１９個の電極／コンタクタの対が鉛直方向に位置合せされた装置の設計を示す。長さが２０〜５０ｍｍ以上で外径／内径が４／１〜２ｍｍの黒鉛ロッドが電極Ａ２３を提供している。黒鉛コンタクタは、ロシア製の市販の黒鉛（ｔｙｐｅＭＰＧ−６）で形成されている。
【０１８８】
実施例５：図１３の装置を用いた、ＤＣ電源によるｓｈ−ＮＴ堆積物とナノ粒子堆積物の生成
使用時、チャンバ２１の円筒状ステンレス鋼本体４１に、上から、ベンゼン、トルエン、アセトン、シクロヘキサン、パラアルデヒド等やそれらの混合物等の炭化水素液が、少なくとも、球状或いは半球状の黒鉛コンタクタ２６を覆うのに十分なレベルまで満たされる。ワットマンフィルタ３２が本体の頂部に設けられ、放出ガスの泡を伴う液体から煤粒子を吸着させる。
【０１８９】
装置を起動させる前に、本体２１の自動バルブ３３から空気を送り出し、バルブ２９からアルゴンガスのみからなる気体をパイプに送り込み、ナノチューブを生成するのに最適な圧力まで空間が満たされる。圧力は、マノメータ３４により制御される。上蓋３５と底蓋３６はテフロン製であり、これにより絶縁を提供すると共に、プロセス中のアーク形成を観察することができるようにしている。本体（と液体）を冷却する水が、入口３７から出口３８へ流れている。ゴムリング３９は本体を密閉する。
【０１９０】
パイプ内のバッファガスの圧力は、ガスの球状体をパイプ先端に保持しておくのに十分なレベルに制御され、これにより、アークが開始されると即座に、温度勾配により、アークを通るガスが自動的に流れ始める。
【０１９１】
好ましい実施形態においては、ＭｏやＷのアノード（直径約３〜４ｍｍ）が、本体の上蓋からマトリクスの孔の内部に吊り下げられている。（球状及び／又は半球状、及び／又は断面が三角形や四角形の柱状体状、円筒状或いは先端が切り取られた円筒状、平坦なプレート状等で形成された）黒鉛や（例えば、スポンジＴｉの直方体やＡｌの円筒体で形成された）金属で作られたコンタクタ２６が、アノードの自由端に、マトリクス孔（カソード）の表面に近接して取り付けられている
【０１９２】
このような幾何形状では、ナノチューブ堆積物の生成形態が二通りある。第一は、孔の内部で生成される形態で、堆積物の成長が孔の下から上に向かって進んでアノード２３を覆う場合である（図１３参照）。第二は、孔の外側でアノード２３の周りに成長する形態である。この場合、堆積物の成長は、横方向と上方向の二方向に進むことができる（図１３参照）。従って、堆積物は、より大きな断面積で、アノード２３の長さによってのみ制限される長さに亘って形成される。
【０１９３】
両方の形態は、アノード２３の自由端がマトリクスの孔の内部に置かれる場合に実現される。この端部が孔の頂部に近接して置かれると、前記内側堆積物４５の生成量は非常に少なくなる（図１３参照）。前記内側堆積物４５と外側堆積物４７は、互いに容易に分離することができる。ベンゼンやトルエン（や他の任意の芳香族液体）内での前記「内側」の生成は、約１８Ｖか１９Ｖの電圧で始まることが判明した。ｓｈ−ＭＷＮＴを生成するための最適な電圧の範囲は２４〜３６Ｖであり、その際の堆積物の収量はそれぞれ１．２〜１．８ｇ／分である（図１４参照）。
【０１９４】
電圧を３６Ｖよりも大きくすると、ｓｈ−ＭＷＮＴの収量は著しく減少するということがわかる。また、電圧が６０Ｖの場合は極微量のｓｈ−ＭＷＮＴしか生成されないことがわかり、ＴＥＭ画像内の殆どの物質は、バッキーオニオン、煤や黒鉛の粒子、「カール状」ナノチューブとして観察された。
【０１９５】
ナノチューブ／ナノ粒子堆積物を成長させるため、図１３の装置２に一本のアノードを使用した。内側堆積物４５及び外側堆積物４７が、１本のＷアノード（直径３ｍｍ）によりトルエン／アセトン混合物中で生成された。Ｃｏ酸化物とＮｉ酸化物（金属換算で３重量％）を含浸させた黒鉛球状コンタクタ（直径約１２ｍｍ）の半分を、アノードロッドの自由端に取り付け、黒鉛マトリクスの孔（カソード）の頂部に配置し、ＤＣ電圧３０Ｖを印加してアーク形成を開始した。アーク形成初期は、電流を約４０〜６０アンペア（約０．７ｇ／分の収量で「内側」堆積物を生成）とし、次いで、電流を２０〜５０アンペアとして「外側」堆積物を生成した（収量は略等しい０．５ｇ／分）。各堆積物は、電極からも互いにも容易に分離した。プロセス後に見ると、Ｗロッドの自由端は若干腐蝕していた。（生成されたままの）内側堆積物４５と外側堆積物４７は、ｓｈ−ＭＷＮＴ＝２０〜４０重量％、多面体粒子、黒鉛「カール状」ナノカーボン、アモルファスナノカーボン及び金属（０．５〜５重量％）を含んでいる。図１５は、前記「内側」堆積物とＳＴＲＥＭが生産したＭＷＮＴ堆積物（シェル）のＸＲＤプロファイルである。
【０１９６】
１２分あたり３０ｇ（収量２．５ｇ／分）の外側堆積物４７が、トルエンとナフテン酸Ｃｏ及びナフテン酸Ｎｉの混合液（トルエンベース）に沈めたＭｏアノード（直径２．５ｍｍ、長さ約１０ｃｍの２本のロッド）により生成された。前記混合物におけるＣｏ及びＮｉ元素の濃度は、約３重量％であった。Ｃｏ酸化物やＮｉ酸化物（金属換算で３重量％）を含浸させた黒鉛球状コンタクタ（直径約１２ｍｍ）の半分を、ロッドの自由端に取り付け、黒鉛マトリクスの孔（カソード）の頂部に配置し、ＤＣ電圧３６Ｖを印加してアーク形成を開始した。アーク形成初期は、電流の範囲を２０〜３０アンペアとし（小さな「内部」堆積物を生成させ）、次いで、電流値を６〜６０アンペア（平均電流値２５アンペア）で変動させて大きな外側堆積物４７を生成させた。Ｍｏロッドは両方とも、ロッドと堆積物の間のアーク形成時に完全に腐蝕された及び／又は溶けた。
【０１９７】
図１６は、堆積物とＳＷＮＴ（ＳＴＲＥＭ）試料のラマンスペクトルであり、両者とも生成されたままのものである。両スペクトルの特徴は全て（即ち、特定のアームチェアＳＷＮＴに対応するラマンピーク）同一であるが、本発明の堆積物に含まれるＳＷＮＴの直径の方が大きい（主に、２．２ｎｍ及び２．７ｎｍ、それぞれアームチェアＳＷＮＴ（１６，１６）及び（２０，２０）に対応）ことがわかる。一方、ＳＴＲＥＭ−ＳＷＮＴは大部分が（１１，１１）、（１０，１０）、（９，９）のアームチェアＳＷＮＴで構成され、（１６，１６）と（２０，２０）やこれ以上のものは殆ど含まれていない。
【０１９８】
堆積物のＴＥＭ画像（図１８ａ〜ｃ参照）によりこれらの知見が確認された。図１８には、ｓｈ−ＭＷＮＴと「カール状」ナノカーボンが、図示した領域全体に亘って示されている。より詳細にＳＷＮＴクラスタを観察すると、ＳＷＮＴの長さ及び直径はそれぞれ０．１〜１μｍ及び２〜５ｎｍであることがわかる。
【０１９９】
高分解能ＴＥＭ画像（図１８ｂ）は、ｓｈ−ＭＷＮＴの一端は半球状で他端が円錐状であることを示している。６００℃までの温度で１〜１．５時間空気中で酸化することにより、円錐状端部の状態をそのままに保ったまま、ＭＷＮＴの層数に関わらずＭＷＮＴの球状端部を全て開端できる（図１８ｃ参照）。
【０２００】
主にナノ粒子と「カール状」ナノカーボンを含む堆積物の黒鉛コンタクタ上への生成を、本発明の装置を用いて、印加電圧６０Ｖか或いはそれより若干高い電圧で行うことができることもわかった。図８は、トルエン中、Ｍｏアノードに６０Ｖで生成された堆積物の典型的なＴＥＭ像である。
【０２０１】
実施例６．短尺化ナノチューブの生成
上に述べたようなｓｈ−ＭＷＮＴ及びｓｈ−ＳＷＮＴを生成するため、図１３の装置（装置２）と実施例４及び５に記載の方法を用い、タングステン製ロッド（直径３ｍｍ）と、炭化水素液としてシクロヘキサン／アセトン／トルエン（ｓｈ−ＭＷＮＴ用）混合液及びトルエン／ナフテン酸Ｃｏ／Ｎｉ（ｓｈ−ＳＷＮＴ用）混合液を用いた。２０〜４０アンペアのアーク電流を提供するため、２４ボルトのＤＣ電圧（通常の車用バッテリー３対を並列に接続）を印加した。４時間の間に、細いｓｈ−ＭＷＮＴの堆積物（約８０ｇ）が４０ｃｍの長さのＷロッドの周りに堆積した。ＴＥＭ試験により、前記堆積物が約２０〜４０重量％のｓｈ−ＭＷＮＴを含んでいることがわかった。Ｃｏ／Ｎｉ触媒を用いて約１０分の間に生成された１５ｇの堆積物には、主に、短尺化ＧＮＦ（長さが１ミクロン未満）を含む「カール状」ナノカーボン形状のもの、ｓｈ−ＭＷＮＴ（１〜５％）及びｓｈ−ＳＷＮＴ（約１％）が含まれていた。
【０２０２】
実施例７．ガス貯蔵
３０ｇのナノカーボン堆積物を生成した。これは、実施例５に記載の方法により、１２分間（収量２．５ｇ／分）、モリブデン（Ｍｏ）（直径２．５ｍｍ、長さ約１０ｃｍのロッド２本）をトルエンとナフテン酸Ｃｏ及びナフテン酸Ｎｉ（トルエンベース）の混合液に沈めたものを用いて行った。前記混合液中のＣｏとＮｉの元素の濃度は約３重量％であった。半分の黒鉛球状コンタクタ（直径約１２ｍｍ）にＣｏ酸化物とＮｉ酸化物を含浸させ（金属換算３重量％）、これをロッドの自由端に取り付けて黒鉛マトリクスの孔（カソード）の頂部に配置し、３６ボルトのＤＣ電圧を印加してアーク形成を開始した。
【０２０３】
ＴＥＭ、ＸＲＤ及びマイクロラマン分光法から、（生成したままの）堆積物の組成が次のものであることが示された。ｓｈ−ＭＷＮＴ（短尺化多層ナノチューブ）が約３０重量％、「カール状」ナノカーボンが合計約５０重量％、残部はカーボンと金属のナノ粒子であった。
【０２０４】
図１８ａ〜１８は、主に「カール状」物質（おそらく、ｓｈ−ＧＮＦ、ｓｈ−ＳＷＮＴ及びＳＷＮＨ）とｓｈ−ＭＷＮＴとからなる堆積物のＴＥＭ像を示す。堆積物中の短尺化ナノカーボンの長さは、１ミクロン未満であり、典型的には０．２〜０．５ミクロンであった。
【０２０５】
従って、ナノチューブを更に短い断片に切断する必要はない。必要なのは、これらを精製し開端することだけである。
【０２０６】
図１６は、堆積物とＳＷＮＴ（ＳＴＲＥＭ社）試料のラマンスペクトルであり、両者とも生成されたままのものである。両スペクトルの特徴は全て（即ち、特定のアームチェアＳＷＮＴに対応するラマンピーク）同一であるが、本発明の堆積物に含まれるＳＷＮＴの直径の方が大きい（主に、２．２ｎｍ及び２．７ｎｍ、それぞれアームチェアＳＷＮＴ及び（２０，２０）に対応）ことがわかる。一方、ＳＴＲＥＭ−ＳＷＮＴは大部分が（１１，１１）、（１０，１０）、（９，９）のアームチェアＳＷＮＴで構成され、（１６，１６）と（２０，２０）やこれ以上のものは殆ど含まれていない。従って、平均では、本発明のＳＷＮＴの直径は、Ｌｉｕら（１．８ｎｍまで）［１８］のものに比べ若干大きい。
【０２０７】
堆積物を、（ナノチューブを酸化せずに金属を除去するため）硝酸及びフルオリック酸（fluoric acid）により室温で１６〜２１時間処理し、蒸留水で洗浄し、空気中５３５℃で１時間乾燥・酸化した。処理後、堆積物は２５ｇに減量しており（初期重量の８３％）、組成はＸＲＤとラマンのデータから次のものであることがわかった。即ち、短尺化多層ナノチューブ（ｓｈ−ＭＷＮＴ）が約３５重量％、ｓｈ−ＧＮＦとｓｈ−ＳＷＮＴとＳＷＮＨの合計が約５５〜６０重量％であった。これは、本発明の方法により、合計９０〜９５％（或いはそれより多い）、収量２ｇ／分でナノチューブを生成することが可能であることを示している。本発明の試料におけるｓｈ−ＧＮＦ、ｓｈ−ＳＷＮＴ及びＳＷＮＨの百分率は、ＬｉｕらのＳＷＮＴ（５０〜６０重量％）［１８］に非常に近いものであった。
【０２０８】
高分解能ＴＥＭ画像（図１８ｂ）からわかるように、ＭＷＮＴ（三層ナノチューブを一種含む）の半球状端部と円錐状端部の両方が、このような酸化処理後でもそのまま保たれている。一方、空気中６００℃までの温度で１〜１．５時間更に酸化すると、ＭＷＮＴの層数に関わらずＭＷＮＴの球状端部は全て開端するが、円錐状端部の状態はそのままに保たれていた（図１８ｃ参照）。これは、円錐状端部を有する非常に短いＳＷＮＨを維持し、球状キャップを有するＳＷＮＴを開端させるのに、極めて意義のあることである。
【０２０９】
このような試料の約１０ｇを空気中５３５℃で約３分再加熱し、得られた熱い試料を即座に円筒状ステンレス鋼製セル（容量約１２ｍＬ）に置いた。このセルは即座に貯蔵システムに接続され（図２１参照）、真空ポンプ２のスイッチを入れて試料をパージした。
【０２１０】
真空（オイルフリー）ポンプを約１０〜１５分間運転した後、ポンプを停止した。次にアルゴンを、初期圧力が約１１０気圧のガス容器５４からガスライン５３を通してセルに短時間（１〜２秒）導入した。圧力は通常の圧力マノメータ５５により制御した。試料の離散を防ぐため、ステンレス鋼「コットン」フィルタ５６を用いた。貯蔵システムの総容量の概算値は（ナノチューブ試料を含まない状態で）約２０ｍＬであった。試料をアセトンに浸すと、ナノチューブ試料１０ｇの「固形」部分は約５ｍＬであった。即ち、（ナノチューブ試料を中に含んだ状態の）ガスシステムの総容量は約１５ｍＬであった。この構成は、圧力変化に基づきガス取込量を推算することができるものである。ガス貯蔵システムはリークのないものであった。
【０２１１】
図２２は、最初の３０分におけるアルゴンの貯蔵を示す。試料のアニーリングを行わなくても約７．６重量％のアルゴンの貯蔵が達成されたことがわかる。
【０２１２】
同一の試料を真空炉中１５０℃で２時間再加熱した後、水素ガスをこれに貯蔵させた。Ｈ２の初期圧は約７０気圧であった。初期圧が低かったため、水素を２０分間導入することを８回繰り返した（ガスシステム内の圧力が２５〜１３気圧に下がるとすぐ、水素の貯蔵は事実上止まった）。このようにすることで、水素をナノカーボン試料への「ポンピング」することができ、試料のアニーリングを行わなくても８サイクル（１６０分）後に２重量％まで増加させることができた（図２２参照）。この結果は、真空アニーリングをしないで行ったＬｉｕ［１８］の結果に非常に近いものであったことがわかる。圧力を落とした後試料を秤量すると、約４０ｍｇ（０．４重量％、即ち水素総貯蔵量の約１／５）の水素が試料中に残っていることがわかった。
【０２１３】
別の１０ｇの試料をセル内に置き、熱制御装置５８を有するヒータ５７を用いて周囲（空気）雰囲気下５００℃〜５３５℃で約３分間再加熱した。次に、セル内を真空にして維持し、ヒータを切って試料を室温まで冷却させた。次いで、試料に水素を７０気圧で繰り返し導入した（２０分×８回）。１６０分（８サイクル）後、３．９重量％の水素取込量を達成した（図２２参照）。これは、Ｌｉｕの（真空アニーリングを行った場合の）同回数での水素取込量に比べても若干多いものであった。圧力を落とした後試料を秤量したところ、約９０ｍｇ（０．９重量％、即ち水素総貯蔵量の約２３ｒｅｌ％）の水素が試料中に残っていることがわかった。この水素は、試料を真空炉中で１５０℃で約２時間再加熱すると放出された。
【０２１４】
このように、初期圧７０気圧では、ｓｈ−ＧＮＦ、ｓｈ−ＳＷＮＴ及びＳＷＮＨが約５０〜６０重量％のもの１０ｇに対して、約４重量％の水素を３７．５ｋｇＨ２／ｍ３の密度で導入することができる。
【０２１５】
本発明の範囲から逸脱することなく改良や変更を行うことができ、それらも本発明の範囲に含まれる。
【０２１６】
［参考文献］
１．  R. E. Smalley、「ボールからチューブそしてロープへ：炭素からの新物質（From Balls to Tubes to Ropes: New Materials from Carbon）」、Proc. of American Institute of Chemical Engineers、South Texas Section、January Meeting in Houston、１９９６年１月４日
２．  P. M. Ajayanら、Nature、１９９３、３６２巻、５２２頁
３．  米国特許第５，６４１，４６６号公報、１９９７年６月２４日、「カーボンナノチューブの精製方法（Method of purifying carbon nanotubes）」、T. Ebessen、P. M. Ajayan、H. Hiur
４．  米国特許第５，６９８，１７５号公報、１９９７年１２月１６日、「カーボンナノチューブの精製、開端及び化学修飾プロセス（Process for purifying, uncapping and chemically modifying carbon nanotubes.）」、H. Hiura and T. Ebessen
５．  T. Ebessenら、Nature、３５８、２２０（１９９２）
６．  K. S. Khemaniら、J. Org. Chem.、１９９２、５７巻、３２５４頁
７．  W. Kraechmerら、Nature、１９９０、３４７巻、３５４頁
８．  F. Diederichら、Science、１９９１、２５２巻、５４８頁
９．  T. Guoら、Chem. Phys. Lett.、１９９５、２４３巻、４９頁
１０．  D. K. Modakら、Indian J. Phys.、１９９３、Ａ６７巻、３０７頁
１１．  米国特許第５，４８２，６０１号公報、１９９６年１月９日、「カーボンナノチューブの生産方法及び装置（Method and device for the production of carbon nanotubes）」、S. Oshimaら
１２．  米国特許第５，５，７５３，０８８号公報、１９９８年５月１９日、「カーボンナノチューブ作成方法（Method for making carbon nanotubes.）」、C. H. Olk
１３．  米国特許第５，９１６，６４２号公報、１９９９年６月２９日、R. P. H. Chang
１４．  Z. Shiら、「アーク放電法によるＳＷＮＴの大量生産（Mass production of SWNT by arc discharge method.）」、Carbon、３７巻、９号、１４４９〜１４５３頁、１９９９
１５． S. Iijima、「黒鉛状炭素のらせん状微細管（Helical Microtubeles of Graphitic carbon.）」、Nature ３４５巻、５６〜５８頁、１９９１
１６．  Andreas Thessら、Science、２７３、４８３〜４８７（１９９６年７月２６日）
１７．  A. C. Dillonら、「水素貯蔵用カーボンナノチューブ材料（Carbon Nanotube Materials for hydrogen storage.）」、Proceedings of the 2000 DOE/NREL Hydrogen Program Review NREL/CP−５７０−２８８９０、２０００年５月８〜１０日
１８．  Liuら、「室温での単層カーボンナノチューブへの水素貯蔵（Hydrogen Storage in 単層ed Carbon Nanotubes at Room Temperature）」、Science、２８６巻、１１２７頁、１９９９
１９．  K. Murataら、Chemical Physics Letters ３３１（２０００）１４〜２０頁
２０．  J. A. Nishaら、Chemical Physics Letters ３２８ ３８１〜３８６頁
【図面の簡単な説明】
【０２１７】
【図１】本発明に係るフラーレン、カーボンナノチューブ及びナノ粒子を生成するための第一の装置（装置１）の概略図である。
【図２】８／１０Åのモレキュラーシーブで濾過する前の溶離液の典型的なＴＯＦ  ＥＳＩマススペクトルである。このマススペクトルは、試料１について１．７〜５．９分に収集した。
【図３】８／１０Åのモレキュラーシーブで濾過した後の溶離液の典型的なＴＯＦ  ＥＳＩマススペクトルである。これらマススペクトルは、試料２については０．１〜４０分に、試料３については０．１〜１６分に収集した。
【図４】８／１０Åのモレキュラーシーブで濾過した溶離液（試料３）を３ヶ月或いは６ヶ月保持したもののＴＯＦ  ＥＳＩマススペクトルである。
【図５】ａ〜ｄは、装置１においてＡＣアーク（印加電圧５３Ｖ）により生成した堆積物の典型的なＴＥＭ像である（（ａ）３相電流、ベンゼン／アセトン＝１：１、（ｂ）１相電流、トルエン、（ｃ）「カール状」ナノカーボン、３相電流、トルエン／ナフテン酸ＣＯ／Ｎｉ、（ｄ）ダイオードにより整流した３相電流（パルス状ポジティブモード）、ベンゼン）。
【図６】実験により得られた、装置１における堆積物の組成と収量のＤＣ印加電圧に対する依存性を示す。
【図７】装置１においてＤＣアーク（印加電圧２４Ｖ）によりベンゼン中に生成された堆積物の典型的なＴＥＭ像である。
【図８】装置１においてＤＣアーク（印加電圧２４Ｖ）によりシクロヘキサン中に生成された堆積物の典型的なＴＥＭ像である。
【図９】ｓｈ−ＳＷＮＴのマイクロラマンスペクトル。ピークの数字はｓｈ−ＳＷＮＴの直径（ｎｍ）を示す。
【図１０】本発明に係るｓｈ−ＳＷＮＴの典型的なＴＥＭ像である。
【図１１】本発明に係るｓｈ−ＭＷＮＴの典型的なＴＥＭ像である。
【図１２】ｓｈ−ＭＷＮＴ粉体試料からの電子放射を示す（Ｄ＝４００μｍ、Ｔ＝１４０秒、１回目のスキャン）。
【図１３】本発明に係るフラーレン、カーボンナノチューブ及びナノ粒子を生成するための装置（装置２）の概略図である。
【図１４】実験により得られた、図１３の装置における堆積物の組成と収量のＤＣ印加電圧に対する依存性を示す。
【図１５】図１３の電極の２種類の変形例の概略図である。
【図１６】Ｒｏｓｓｅｔｅｒ  ＨｏｌｄｉｎｇｓとＳＴＲＥＭにより生産された炭素質試料の典型的なマイクロラマンスペクトルである。
【図１７】トルエン中、３０ＶでＷアノードのコーティングとして生成された堆積物の典型的なＸＲＤプロファイルとＴＥＭ像である。
【図１８】ａ〜ｃは、トルエン混合物中３６ＶでＭｏアノードに生成されたナノチューブ堆積物の典型的なＴＥＭ像である。
【図１９】６０ＶでＭｏアノードに生成された堆積物のＴＥＭ像である。
【図２０】本発明の方法を実現化しているガス貯蔵システムの概略図である。
【図２１】室温におけるナノカーボン試料内への水素（７０気圧）とアルゴン（１１０気圧）の貯蔵を示す図である。
【符号の説明】
【０２１８】
１  密閉本体
２  ホルダ
３  電極Ａ
４  ホルダ
５  電極Ｂ
６  コンタクタ
９  バルブ
１０  電源
【図２】
2005502572.tif 000004
【図３】
2005502572.tif 000005
【図５】
2005502572.tif 000006
【図６】
2005502572.tif 000007
【図７】
2005502572.tif 000008
【図８】
2005502572.tif 000009
【図９】
2005502572.tif 000010
【図１２】
2005502572.tif 000011
【図１４】
2005502572.tif 000012
【図１６】
2005502572.tif 000013
【図１７】
2005502572.tif 000014
【図２１】
2005502572.tif 000015
【国際公開パンフレット】
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【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
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【国際調査報告】
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