(57)【要約】【解決手段】ナノスケール以上の管構造を製造することのできる、管製造システムが提供される。このシステムにより、使用される供給シート物質の構造および原子的構成が制御され、使用されているシート物質に推進力が提供されて、シート物質は種々のシステム構成材を通って連続的に前進する。管構造が形成された後、それらはマクロ物体製造用の原料物質として提供されてもよく、それにより、この製造システムおよび方法で形成される管構造の工学的特性によって、そのような物体の性能および能力レベルが向上する。本発明の方法およびシステムによってナノチューブが製造されるので、ナノチューブの製造方法もまた開示される。【選択図】なし
2007535464.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ナノチューブの製造システムであって、
ナノチューブの形成における使用に好適なシート物質に、機械的ストレスを適用する装置、
該シート物質を裂く装置、および
該シート物質を供給または除去する装置
を含むシステム。
【請求項２】
請求項１のシステムであって、該３つの装置が１つの装置を構成するシステム。
【請求項３】
請求項１のシステムであって、機械的ストレスを適用する装置が互いに隣り合う２つのローラーを含み、二つの表面の間を通る物質が機械的に変形されて二つの表面の形状を模倣するように、該ローラーが概して補完的な表面形状を有するシステム。
【請求項４】
請求項１のシステムであって、該シート物質を裂く装置が２つのローラーを含み、それぞれが各々の表面を含み、前記ローラーのそれぞれが、該シート物質の解裂を起こすために互いに充分近接して位置され得るように、調節できるように取り付けられるシステム。
【請求項５】
請求項１のシステムであって、該シート物質を供給または除去する装置が互いに隣り合う２つのローラーを含み、二つの表面の間を通る物質が機械的に変形されて二つの表面の形状を模倣するように、該ローラーが概して補完的な表面形状を有するシステム。
【請求項６】
請求項１のシステムであって、該シート物質を概して管状または丸い形状に形成する装置をさらに含むシステム。
【請求項７】
請求項１のシステムであって、該物質が該物質にストレスを適用する装置または該物質を裂く装置に入る前に、該物質をそろえる装置をさらに含むシステム。
【請求項８】
請求項１のシステムであって、裂かれた物質をナノチューブに融合する融合装置をさらに含むシステム。
【請求項９】
請求項１のシステムであって、裂かれた物質またはナノチューブを保管または保持する装置をさらに含むシステム。
【請求項１０】
請求項１のシステムであって、グラフェンを作る装置をさらに含むシステム。
【請求項１１】
ナノチューブの製造方法であって、
ナノチューブに形成するのに好適な少なくとも１つの物質を供給すること、
該物質にストレスを受けさせて変形させること、
該物質を裂くこと
該物質を概して丸いまたは管状の形状に形成すること、および
該物質をそれ自身融合するか、１つまたは２つの他の物質と融合し、ナノチューブを形成すること
を含む方法。
【請求項１２】
請求項１１の方法であって、該物質がグラフェンである方法。
【請求項１３】
請求項１１の方法であって、該ストレスが機械的ストレスである方法。
【請求項１４】
請求項１１の方法であって、該物質を裂くことが、充分な機械的圧力を適用してグラフェン物質中の共有結合を壊すことを含む方法。
【請求項１５】
請求項１１の方法であって、該物質を概して丸いまたは管状の形状に形成することが、グラフェンシートを、概して丸い形状を表す表面の少なくとも一部を有する２つのローラーの間に供給することを含み、
該ローラーのそれぞれが、ローラーに沿った１つ以上の点で他方のローラーに補完的な形状を含み、その結果、二つの表面は一致して働いて該物質を概して丸いまたは管状の形状に形成し、
裂くことおよび形成することが、同時にまたは実質的に同時に起こる、方法。
【請求項１６】
請求項１１の方法であって、該物質を概して丸いまたは管状の形状に形成することが、該物質を裂くことの後に実施される方法。
【請求項１７】
請求項１１の方法であって、融合が自然発生的に起こる方法。
【請求項１８】
請求項１１の方法であって、方法が連続的方法である、方法。
【請求項１９】
少なくとも１ｍの長さを有するナノチューブ。
【請求項２０】
請求項１９のナノチューブであって、該ナノチューブが少なくとも１０ｍの長さを有するナノチューブ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ナノチューブの製造に関し、さらに具体的には、ナノチューブ、およびナノチューブおよびナノチューブ構造の、形成および／または製造のためのシステムおよび方法に関する。
【０００２】
関連出願の相互参照
この出願は、２００４年９月２８日出願の米国特許出願第10/950,793号、２００４年６月７日出願の米国暫定特許出願第60/577,678号、および２００４年４月２７日出願の米国暫定特許出願第60/565,610号の出願日の利益を請求し、これら全ての全体の開示は、引用によりそれらの全体がここに組み込まれる。
【背景技術】
【０００３】
カーボンナノチューブは、電子、機械、および医学的応用を含む多くの分野で有用である可能性がある、機械的、電気的、および化学的特性を有する管状の炭素構造である。例えば、カーボンナノチューブは、主としてチューブを作っている炭素原子間の強固なｓｐ2結合の存在のため、非常に優れた強度を呈する。さらに、チューブの長軸に沿う炭素原子の列のため、あるチューブでは伝導度が高いこと等、興味深い電気的特性を呈する。カーボンナノチューブは、その上、コンピュータチップのためのヒートシンクにおいて等、種々の用途に魅力を与える熱的特性を示す。加えて、カーボンナノチューブは中空であるため、物質を保持し、輸送し、最終的に放出することができる。この特性により、医学的応用に極めて有用である。これらの小さな構造の、他の独特かつ有用な特性を確認するため、非常に多くの研究がなされている。
【０００４】
ナノチューブは、フラーレンの基本的な格子構造を有する、円柱炭素格子である。殆どのナノチューブは、半分のフラーレン分子で、一端または両端に蓋をする。ナノチューブは、１ナノメーター（１ｎｍ）からわずか数ナノメーター（例えば、５〜１０）または数十ナノメーター（例えば、５０）の外径を有することを特徴とする。多くのナノチューブは幅のわずか数倍の長さであるが、幅の数百万倍の長さを有する加工されたものもある。ナノチューブは、ロープ状構造にそろえることもでき、相対的に軽いが、非常に優れた強度の長いワイヤーに加工することができる。
【０００５】
ナノチューブは、二つの異なるタイプの基本構造：単一壁ナノチューブ（ＳＷＮＴ）および多壁ナノチューブ（ＭＷＮＴ）に加工されている。それらの名前が暗示する通り、ＳＷＮＴは、内部体積を包む単一壁を有するチューブであり、一方ＭＷＮＴは、１つの内部体積が、入れ子の円筒に配置された多層の管状の壁構造によって包まれるチューブである。それらの異なる構造のため、および、それらが製造される際の容易さの差により、ＳＷＮＴおよびＭＷＮＴは、異なる目的（多くの用途が重複するが）を標的とし、使用されている。
【０００６】
現在、種々のカーボンナノチューブの製造方法が知られている。これらの方法には、アーク放電、レーザー切断、および化学蒸着が挙げられる。アーク放電法では、２つの炭素電極間のアーク放電によって、炭素含有蒸気が作り出され、カーボンナノチューブが蒸気から自己組織化する。残念なことに、この方法は不純物のレベルが高く、不純物を全て除去することが可能であったとしても高価である。レーザー切断法では、高エネルギーのレーザービームが多量の炭素含有原料ガスに衝突する。レーザー切断によって製造されるナノチューブは、アーク放電によって製造されるものより不純物が少ないが、収率が著しく低い。化学蒸着法では、炭素含有ガスを加熱した反応性金属にさらし、金属の加熱された表面にナノチューブを形成する。化学蒸着は、大規模に使用することができるが、しばしば幅広い直径のＳＷＮＴとＭＷＮＴの混合物が制御できずに生産され、ＳＷＮＴは常に品質が悪い。さらに、反応中に存在する煤煙および金属からナノチューブを精製することが必要である。
【０００７】
米国特許第6,455,021号にはアーク放電法が開示されており、それによれば、カーボンナノチューブの製造において、前駆体ガスの流れが超高温でプラズマ放電にさらされる。しかしながら、このプロトコルで生成されるナノチューブは、高容量の不純物を含む可能性がある。
【０００８】
米国特許第6,331,690号には、ナノチューブの製造に関連するレーザー切断法が開示されており、それによれば、高エネルギーのレーザーが炭素標的に集束される。この方法では、アーク放電法より、比較的不純物の少ないナノチューブを製造することができるが、収率が低い可能性がある。また、レーザー切断法は大きな資本が必要となることがある。
【０００９】
米国特許第6,689,674号には、ナノチューブ製造のための化学蒸着（ＣＶＤ）法が開示されており、それによれば、前駆体ガスの流れが加熱されて反応性金属表面に向けられる。カーボンナノチューブの製造におけるＣＶＤの使用により、収率良く、比較的不純物が少ないものを生成することができる。しかしながら、製造されるカーボンナノチューブは、多くの欠点を有する可能性がある。
【００１０】
フラーレン格子は複雑であり、フラーレン格子を巻いて円筒またはチューブを形成し得る種々の方法によって、異なる格子構造を有するナノチューブは異なる物理的特性を有し得る。ナノチューブ格子は３つの主要な分類として、ジグザグ、キラル、およびアームチェアが用いられる。一般に、これらの３つの分類の差は、チューブに巻かれる以前の、チューブに沿った中心軸に関するグラフィンシートの配向性に基づくと考えることができる。
【００１１】
これらの現在利用可能なナノチューブ製造方法により、記載した通り、壁数、長さ、直径、および格子構造などの物理的特性について変動性が大きいナノチューブが得られる可能性がある。従って、現在の技術は、単一の壁タイプ、長さ、直径、格子構造または形態を有する、１種類だけのナノチューブを予め選択して製造することができない。このような高温成長法に関連する製造コストの大きな要因は、このようなバッチ型の方法に要するエネルギーコストおよび時間である。
【００１２】
従って、他のことの中でも、長さ、直径、および格子構造についての特異性を有するナノチューブ構造を大量生産法の中で生成できるような、信頼性が高く、恒常的であり、制御可能で、かつ費用効率的なアプローチが必要である。
【００１３】
［発明の要約］
本発明は、所望の特徴を有するナノチューブを提供することにより、当業界における必要性に取り組むものである。また本発明は、迅速で、簡便で、信頼性が高く、かつ比較的安価なナノチューブの製造方法を提供する。加えて、その製造方法により、本発明のナノチューブは、欠陥率が非常に低く、構造の均一性が高い。さらに、本発明の方法により、均一な構造の比較的長いナノチューブの製造が可能になり、その長さは主としてナノチューブの加工に使用されるグラフェン材料の長さおよび品質に依存する。従って、本発明は、比較的長いカーボンナノチューブを提供する。上述のナノチューブおよび方法に鑑みて、本発明は、本発明のナノチューブを加工するためのシステムおよび装置を提供する。
【００１４】
一般に、本発明の方法は、厚さ約１原子のグラフェン(ｇｒａｐｈｅｎｅ)シート等の、ナノメーターの厚さの物質を短軸に沿って曲げて、その物質から円形、好ましくは半円形の構造を形成するために、機械力の使用を含む。この方法はさらに、選択した点で、または、導入された曲線に沿った軸線に平行な選択した線に沿って、曲げた物質を裂くための、機械力または電磁放射の使用を含む。曲げた物質を裂く際に、曲げた物質には２つの縁があり、それぞれは他方に並行であり、かつ物質の湾曲軸に沿っている。従って、本発明の方法は機械合成法である。この方法の１つの様相によれば、２つの縁をそれらの全体の長さに沿って互いに接合するに充分接近させて管状構造を形成するが、それがナノチューブである。別の様相によれば、曲げて裂いた２つの異なる物質を近接させ、第一の曲げた物質の第一の縁が第二の曲げた物質の第一の縁に近接し、第一の曲げた物質の第二の縁が第二の物質の第二の縁に近接するようにする。次に、互いに近接した縁を接合し、管状構造、またはナノチューブとなる。さらに第三の様相では、２つの曲げた物質は、縁が形成される点に近接させ、その後、同時にまたは実質的に同時に、両物質において縁を形成する。これにより、裂いた直後に、互いに近接した位置に置かれた両シートから裂かれた縁が得られる。本方法の全ての様相において、接合方法は自発的であってもよく、またはエネルギーまたは機械力の適用によって媒介されてもよい。
【００１５】
本発明の方法は、実質的にあらゆる長さのナノチューブの生成に適用することができ、その長さは主としてナノチューブ物質として使用される物質の長さおよび品質による。さらに、本方法は制御されるので、少なくとも部分的には、機械的、電気機械的または電磁的手段によって（即ち、化学的または生物学的合成によらず）、高レベルの再現性および正確性が達成でき、予め選択した長さ、直径、および壁構造を有する、高度に均一なナノチューブが得られる。従って、本発明は、様々な長さ、直径、および壁構造のナノチューブを提供する。
【００１６】
基本的形態において、本発明のシステムは、概して、ナノチューブの形成に好適なシート物質にストレスを適用する装置；一点以上で、または、シートに沿った１本以上の線に沿って、該シート物質を裂く装置；および、該物質を供給および／または除去する装置を含む。具体的には、全てのこれらの機能は、一つの装置によって供給されるが、他ではこれらの機能を達成するために２つ以上の異なる装置を備える。好ましい具体例において、本システムはさらに、裂いた物質を概して丸いまたは管状の形状に形成することができる形状に形成する、または、多数の裂いたシートを概して丸いまたは管状の形状に形成することができる形状に形成する、１つ以上の装置をさらに含む。本システムは、出発物質にストレスを与え、及び／または、出発物質を裂く装置に出発物質をそろえおよび／または供給する、１つ以上の装置をさらに含む。加えて、本システムは、裂いた物質および／またはナノチューブを受け入れ、および／または、輸送する、１つ以上の装置を含んでいてもよい。加えて、本システムは、ナノチューブまたはナノチューブに形成されるナノファイバーの支持体を含んでいてもよい。さらに本システムは、グラファイト／グラフェン等の、ナノチューブ物質としての使用に好適な物質を加工するのに必要な、幾つかまたは全ての装置および部品を含んでいてもよい。
【００１７】
ナノチューブ構造を製造するシステムおよび方法は、機械的手段または機械合成法によって達成することが可能であり、他のものの中でも、長さ、直径、および格子構造について特異性を有し制御されるナノチューブ構造が形成または製造され得る。一般に、本発明の機械合成において、工程のいくつかを実施し得る順序は入れ替えてもよい。従って、本発明のシステムにおいて、１つの具体例では、特定の装置がある他の装置に連結してもよいが、一方他の具体例では、その装置は１つ以上の他の装置に連結してもよい。種々の装置の間は、あらゆる好適な機械的コネクタによって連結することができ、その選択は、本発明の装置およびシステムの構築、または本発明の方法の実施に重要な意味を持たない。具体的には、幾つかまたは全ての装置は、１つ以上の他の装置に堅く連結される。具体的には、幾つかまたは全ての装置は、１つ以上の他の装置に可動的に連結される。連結のタイプの選択は、当業者の判断に委ねることができ、あらゆる好適な連結を用いることができる。
【００１８】
本発明は、１つの具体例において、ナノチューブの製造のための機械的合成作用を使用するシステムを提供する。そのような方法の原動力となる作用は、例えば、化学的、熱的、音響的、電界および／または磁界および／または機械的トルク相互作用、またはそれらのあらゆる組み合わせを含む、外界のエネルギー源によって提供され得る。
【００１９】
１つの具体例において、本発明のシステムは、マクロ的ローラーの使用を組み込み、製造方法の間、運転、制動、および他のシステム操作における容易性および柔軟性が向上する。ローラーは、必要とされるトルク能力の量に応じて、ナノスケールまたはあらゆるサイズスケールであってもよい。このような１つのアプローチでは、ナノスケールの表面の特徴を有する巨視的なサイズのローラーによって、寸法スケールの全域において、および、多機能性について、機械学、流体工学、電磁気学、光学、および生体測定システム等の種々のエネルギー領域全域において、一体化がなされ得る。
【００２０】
［発明の詳細な説明］
次に、本発明の種々の例示的具体例の詳細に言及するが、実施例は添付の図面において図示される。以下の詳細な開示は、本発明の種々の具体例を詳細に記載することを意図しており、従って、添付の特許請求の範囲を制限するために用いるべきではなく、むしろ、特許請求の範囲において充分に特許請求された通りの、本発明の種々の具体例をよりよく記述するために用いるべきである。
【００２１】
カーボンナノチューブは、導電性物質における半導体表面として、およびトランジスタにおける使用がすでに認められている。さらに、ハードドライブ等のコンピュータメモリデバイスが、ナノチューブ構成材を用いて作られている。実際、カーボンナノチューブは、電球のような日常的な品目における使用が認められており、電球のフィラメントとなる。しかしながら、製造に費用がかかること、および品質、大きさ、および構造が変動することから、産業上の広範な使用は有意水準には達していない。他のものの中で、本発明は、ナノチューブの製造コストが高いこと、ナノチューブの格子構造の制御がなされていないこと、および、現在製造されているナノチューブの直径および長さについて正確な制御がなされていないことに対処するものである。
【００２２】
本発明は、ナノチューブの製造方法を提供することによって、当業技術の欠点に対処するものである。ナノチューブを作るために現在使用されている方法であって、ナノチューブを化学的または電磁的技術を用いて粗出発物質から新たに製造する方法とは対照的に、本発明は、出発物質として予め成形されたグラフェン物質および機械的エネルギーを利用して、予め設定し、厳密に制御された特徴を有するナノチューブを形成した。
【００２３】
本発明の方法は、ナノチューブの形成方法であって、一般に、ナノチューブの形成に好適な少なくとも１つの物質を供給すること、該物質をストレスにさらして変形すること、該物質を裂くこと、該物質を管状の形状に形成すること、および該物質をそれ自身で融合するかまたは１以上の他の物質と融合しナノチューブを形成することを含む。供給される物質の数、裂く位置の数、工程を実施する順序、およびその他の変化は、本発明の方法によって想定される。同様に、製品に意図される最終的用途に応じて、付加的な工程を実施してもよい。
【００２４】
本方法は、機械力を用いて、約１原子の厚さのグラフェンシート等の、ナノメーターの厚さの物質を、１本の軸（形成されるナノチューブにつき）に沿って曲げ、物質から最終的に概して円形の構造を形成する。本方法はさらに、機械力（例えば、ダイヤモンドナイフ）または電磁放射（例えば、レーザーナイフ）の使用を含み、その使用により、曲げた物質を、局面を導入した軸に沿った線に平行な１以上の選択した線に沿って裂く。曲げた物質を裂くと、曲げた物質に２つの縁が存在し、それぞれは他方に並行であり、物質の屈曲の軸に沿っている。この点で、本方法は、ナノチューブを得る少なくとも２つの異なる方法で実施することができる。１つの方法では、２つの縁を全体の長さに沿って、互いに接合するに充分近接させて、ナノチューブである管状構造を形成する。もう１つの方法によれば、曲げて裂いた２つ異なる物質を近接させて、第１の曲げた物質の第１の縁を、第２の曲げた物質の第１の縁に近接させ、かつ第１の曲げた物質の第２の縁を第２の物質の第２の縁に近接させる。次に、互いに近接した縁を接合し、管状構造またはナノチューブを得る。さらに第３の様相では、２つの曲げた物質は、縁が形成される点に近接させ、その後、同時にまたは実質的に同時に、両物質において縁を形成する。これにより、裂いた直後に、互いに近接した位置に置かれた両シートから裂いた縁が得られる。本方法を実施する全ての方法において、接合方法は自発的であってもよく、またはエネルギーまたは機械力の適用によって媒介されてもよい。
【００２５】
本発明の方法は、実質的にあらゆる長さのナノチューブを作るために適用することができ、長さは主としてナノチューブ物質として使用される物質の長さおよび品質による。さらに、本方法は、少なくとも部分的には、機械的、電気機械的、または電磁的手段によって（即ち、化学的または生物学的合成によらず）制御されるので、高レベルの再現性および正確性を達成することができ、予め選択した長さ、直径、炭素構造、および壁構造を有する、高度に均一なナノチューブが得られる。
【００２６】
より具体的には、本方法は、一般に本方法に使用するのに好適な幅を有するシートの形状の、ナノチューブに形成される少なくとも１つの物質（グラフェン、金属をドープしたグラフェン等）を供給することを含む。即ち、ナノチューブが一片の出発物質から作られる場合、出発物質は、少なくともナノチューブの最終的な外周の幅であるべきである。他方では、ナノチューブが２片の出発物質から作られる場合、物質の各片はナノチューブの最終的な外周の少なくとも２分の１の幅であるべきである。同様に、ナノチューブが３片、４片等の出発物質から作られる場合、各片は最終的なナノチューブの外周の、少なくとも３分の１、４分の１等であるべきである。最終的なナノチューブの形成に使用されない過剰の出発物質は、廃棄物として捨てることができ、またはさらなる方法の実施において使用することができる。また、配向性、切削効率、または関係するあるあらゆる他のパラメータを確認するための、品質管理試験において使用することもできる。
【００２７】
提供される物質は、ナノチューブにおける使用に好適なあらゆる物質であってよい。ナノチューブの製造に使用される、現在最も普及している物質は炭素であり、グラフェンのチューブと記載し得る構造に形成される。本発明は出発物質としてグラフェンの使用を意図する一方、置換グラフェンの使用も想定しており、置換グラフェンでは、１つ以上の炭素原子が別の原子、例えば金属または希土類金属と置換して、ナノチューブに優位で独特の特性を与える。品質および欠陥率がわかっているグラフェンシートが入手可能であり、これらが最も好ましい出発物質であることが想定される。特に好ましいものは、格子構造に欠陥があってもごくわずかのグラフェンシートである。具体例において、出発物質は、炭素含有物質の結晶質形態を含むもの等の、シートの物質であってもよい。例えば、ダイヤモンドシート、ダイヤモンド様非晶質物質、または格子構造中に炭素以外の元素を有するダイヤモンド状格子であり得る。
【００２８】
グラフェンを出発物質として使用する場合、格子構造に関して、あらゆる可能な角度で本方法に提供することができる。従って、提供の角度（即ち、送り込みの角度）を調節することによって、異なる構造（ジグザグ、キラル、アームチェア）を有するナノチューブを製造することができる。重要なことには、現在利用可能な他の方法と異なり、本発明の方法の単一の出発物質および単回の実施から得られる全てのナノチューブは、予め規定された単一の角度で提供された、同一の出発物質シートに由来するので、同一の構造を有するであろう。従って、当業界で知られている方法に見られる不整合、および純粋で同一のナノチューブを得るためのコストは、本発明の方法を使用することによって回避される。
【００２９】
本方法はまた、物質をストレスにさらし、物質の長さに沿った軸の周囲で曲げるように物質を変形させることを含む。具体例において、湾曲は円形または実質的に円形である。他の具体例において、湾曲は半円形または実質的に半円形である。一般に、湾曲は、全体の円弧長にかかわらず、完成した場合に円を形成する円弧を表すことが好ましい。ストレスはあらゆる好適な手段によって提供することができるが、機械的ストレスを使用することが好ましい。機械的ストレスは、あらゆる好適な手段によって与えることができるが、図に示したもの等、曲げた構造上で出発物質を引き伸ばすことによって与えるのが好ましい。
【００３０】
また本方法は、予め選択した点で、または最終的なナノチューブの長軸に平行な予め選択した線に沿って、物質を裂くことを含む。従って、本発明によれば、裂くのは形成されるチューブの軸に平行（即ち、湾曲が形成される平面に垂直）になるであろう。一片の出発物質を使用する具体例では、１回裂くことは必要であるかもしれない。多数片の出発物質を使用する具体例では、多数回裂くことが必要であろう。加えて、多数のナノチューブが一片の出発物質から形成される場合、１回裂くことで２つの別々のナノチューブのための縁を製造することができる。
【００３１】
裂くことにより、ナノチューブの形成に使用される少なくとも１つの縁が製造される。縁はバッチモード（例えば、３工程：シートをプレスまたは裂く装置に移動させ、シートを裂き、裂いた物質を装置の外に移動させる）で作ることができるが、シート物質が所与の速度で裂くことができる装置に供給され、シートがある点を通りながら裂かれる、連続的方法を使用することが好ましい。図に見られる通り、互いに向かい合って配置されるローラーは、送り込まれたシートを受け取り、それを裂く点を横切って移動させ、裂かれた（または裂かれて融合した、以下参照）物質を吐き出するために使用することができる。同様に、グラフェンシート等を裂くための、他の知られている装置を、機械的ローラーの代わりに使用することができる。例えば、物質がある点に沿って通りながら裂かれるように、レーザーエネルギーを使用することができる。
【００３２】
変形することおよび裂くことをいずれの順でも実施できることに注目することは重要である。１枚の出発物質から１回で多数のナノチューブを製造するために、裂く前に出発物質を変形させることが好ましいが、それは必要ではない。さらに、他の目的のために、変形の前に裂くことが好ましいこともある。
【００３３】
本発明の方法は、裂いた物質を、その縁のそれぞれが自身の物質からまたは別の出発物質シートからの別の縁に近接するような形状に変形させることをさらに含む。縁は、２つの縁の間で自発的に、または機械的圧力または電磁放射等のエネルギーの添加を通して融合が起こり得るもう１つの縁と、充分に近接するように調整すべきである。例として、ナノチューブが出発物質の別々のシート由来の２片から形成される場合、それぞれの物質は、裂いた後に一方のシートの縁と他方のシートの縁とを整列させて、２つの半円を形成する２シートの間に２つの小さなすき間を有する円形の形状になるような半円に形成されるであろう。縁は、自発的に融合して管状構造を形成するか、またはエネルギーの添加に際して管状構造を形成できるように、互いに充分近接しているべきである。この同一の一般的記述が、３シート以上の出発物質からのナノチューブの製造に適用でき、各シートが最も近接した隣のものと融合して最終的に管状構造を形成することが理解される。
【００３４】
物質の好適な形状への形成には、物質が既に所望の形状であるならば、本発明によるさらなる加工のため、互いに関連する物質を単に整列させることも含まれることが理解される。この解釈では、供給工程および切断工程の結果として物質が既に好適な位置にある場合は、形成工程は単に、裂いた物質を融合が起こるようにその適切な位置に維持することを含む。
【００３５】
縁で物質を融合して管状構造を形成することにより、ナノチューブが形成される。融合は、あらゆる好適な方法によって行うことができる。しかしながら、形成工程は、縁が自身の構造中に存在するエネルギーによって自発的に融合することができるように、融合される縁が充分に近接して実施されることが好ましい。勿論、縁に充分な反応性がない場合、または、縁が充分に近接していない場合は、機械力または電磁放射（例えばレーザー）等の外部エネルギーを用いて縁を融合することができる。
【００３６】
図に見られる通り、具体例において、多数のナノチューブが１シートの出発物質から作られることが想定される。このような具体例において、得られるナノチューブは個々に使用することができる。あるいは、具体例において、ナノチューブの製造方法は、ナノチューブを相互作用させて多数の個々のナノチューブからなるロープまたはロープ様構造を形成できる条件に、ナノチューブを充分な時間さらすことを含む。
【００３７】
１つの具体例において、本発明の方法は加圧後の方法を含む。この任意の工程は、例えばローラーまたは電磁放射によって圧力または他のエネルギーを適用し、２以上のナノチューブ（ナノチューブの束を含む）を融合させて、チューブの単一の収集物を作ることを含む。融合がナノチューブの１以上の末端で起こり得る一方、融合部位の大多数はチューブの長軸に沿っていることが想定される。融合は１以上のナノチューブの全長、実質的に全長、または１以上のナノチューブの長さの一部に沿って起こり得る。種々の束のナノチューブ間での他のものとの融合の型および程度は、他のナノチューブに関係しない。従って、束の中の１つのナノチューブは、その全長に沿って他のものと完全に融合してもよく、一方、他のナノチューブはそれらの全長未満で融合するか、他のナノチューブと融合しなくともよい。さらに、個々のナノチューブが他のものの周囲に巻かれる場合、多数のナノチューブがこの方法の間に連結されてもよい。２以上のナノチューブの融合により、ナノチューブを含む複合体の機械的性能を改善することができる。特別の分子様態の作用に制限する意図はないが、本発明のこの具体例は、本発明のナノチューブまたはナノファイバーの加圧重合と考えてもよい。
【００３８】
本発明のナノチューブを作るために使用される装置の構成、物質がナノチューブに変わる速度、および使用され得る他のパラメータ（例えば圧力の量）に依存して、本発明の方法の実施中に熱が産生され得ることが認められる。ある状況では、産生される熱の一部または全てを除去することは、有益であるかまたは望ましいかもしれない。本発明の具体例によれば、少なくとも一部の熱を除去する手段は、本発明の装置および方法に含まれていてもよい。例えば、図１、４、９、１０Ａ、または１１Ａに関して、熱の除去方法であって、中空の領域がローラー１７および１８の内側に存在し、中空のチューブを形成するなどして冷媒の提供などをする方法が行われてもよい。冷媒は、ローラーの中空領域内部で流れが起きて本方法中に産生される熱の除去などが行われる、１以上の知られている熱交換液体および／または気体を含んでいてもよい液体および／または気体等の、熱を伝導するあらゆる媒体であってもよい。勿論、これは熱除去の１つの可能な方法であり、熱の除去を行う好適な手段は多数ある。例えば、エアーナイフ、または、アルゴンまたは他の不活性ガス類等の、他の気体および／または気体類を使用することができる。熱の除去方法は、熱を除去するためだけではなく、埃等の外来物質が高圧ローラー１７および１８の間に入るのを防ぐためにも使用することができる。従って、熱除去手段は、システムを維持し、かつ、製造システムおよび方法の高圧ローラー部分に入る外来物による不具合を防ぐために、付加的に使用してもよい。同様に、除去が必要な過剰の熱がない場合、本方法は、システムおよび方法を維持するため、および／または、システムおよび方法の不具合を防ぐために単独で使用することができる。或いは、種々の厚さを有する種々の原子の種々の層を高圧ローラーの物質構造中に組み込んで、熱除去を促進し、および／または、ホットスポットの局在化を防ぐようなローラーを構築してもよい。本方法で形成されるナノファイバーは、自身が優れた熱伝導体であるという事実によって、熱を除去するために作用し得ることが明白であろう。従って、熱管理のための付加的手段は、ある状態では必要ではない可能性があり、従って熱管理工程および要素を含めることは任意である。
【００３９】
本発明の方法に照らして、本発明はナノチューブを提供する。本発明のナノチューブは、１以上の用途について有利な１つまたは多数の特性を有し得る。例えば、本発明の方法は連続法として実施することができるので、本方法は利用可能な出発物質の量および長さによってのみ制限される。従って、本発明のナノチューブは、数メートル、または数キロメートルの長さであり得る。つまり、ナノチューブは、約１マイクロメートル、１００マイクロメートル、１ｍｍ、１ｃｍ、１０ｃｍ、１００ｃｍ、１メートル、１０メートル、１００メートル、１ｋｍ、または１ｋｍ超等の、１００ｎｍから数キロメートルの長さのいずれでもあり得る。実際に、具体例において、知られている格子配列のグラフェンシートの製造方法は、ナノチューブの製造方法に関連しており、それにより、物理的特性を制御された純粋な出発物質がナノチューブの製造方法に実質的に無制限に供給される、堅固なシステムが得られる。
【００４０】
加えて、本発明のナノチューブは、１以上の所望の特性を有することができ、出発物質およびナノチューブの形成において制御が可能であるので、所与のバッチからの全てのナノチューブが同一の特性を有することが推測できる。
【００４１】
本発明は、１つの具体例において、ナノチューブ構造の製造に機械的手段を使用するシステムを提供する。例えば、このシステムは、組み合わせる場合、連続的製造システムを形成して、非常に長いナノチューブ、またはあらゆる所望の長さのナノチューブの製造を可能にする、ケーシング、フィードローラー、切断ローラー、および形成ローラー等の機械機器を含んでもよい。さらに、このシステムおよびその構成機器により、製造コストを比較的低レベルで維持しながら、長さ、直径および格子構造が実質的に均一である、ナノチューブの製造が可能になる。
【００４２】
今度は図１Ａを参照すると、１原子厚のシート物質２から管構造１を形成する付加的工程が図示され、そこでは、３は、図１Ｂの製造システムおよび方法の切断ローラー部分内部で完成される、管構造の部分的形成を表す。
【００４３】
今度は図１Ｂを参照すると、本発明の１つの具体例に従って、あらゆる決められた長さのナノチューブの製造を可能にするシステム１０が図示される。システム１０は、示される通り、貯蔵器１１を含み、その内部では、グラファイト供給原料物質、例えば、液体のトリクロロベンゼンまたはジクロロベンゼンまたは他の好適な液体の、水性容量が供給されてもよい。グラファイト供給原料物質は、最初にタンニンでコロイド状溶液にして、水溶液、例えば、アクアダッグ、または油中分散液、例えば、オイルダッグを形成してもよい。１つの具体例において、水溶液または油中または水中分散液は、凝集を防止したグラファイトより成ってもよい。
【００４４】
システム１０は、貯蔵器１１において、水性グラファイト供給原料物質に部分的に沈められたドラム１２もまた含んでいてもよい。このようにドラム１２を設置することで、実質的に均一な薄層（即ち、単原子厚）の供給原料物質が、ドラム１２の外面１２１上に堆積され得る。ドラム１２が回転するに従い、供給原料物質がドラム１２に外面１２１上に連続的に堆積されてもよい。いくつかの例において、マイラー（登録商標）(Mylar(R))または他の好適な開始剤網目状物等の先導剤（即ち、開始剤基質）を、供給原料物質の連続的薄層の開始を容易にするために使用してもよいことに注目すべきである。先導剤（示さず）は、ドラム１２の外面１２１上に置かれてもよく、供給原料物質は、ドラムが貯蔵器１１を通って回転するに従って、ドラム外面に堆積されてもよい。部分的に沈んでいるように図示したが、ドラム１２は、水性グラファイト供給原料物質に、実質的に、または完全に沈めることができることを理解すべきである。
【００４５】
システム１０は、１つの具体例において、ドラム１２の直前に、レーザー１３等の、電離放射線の発光源もまた有していてもよく、これは、ナノチューブの製造に使用するためのドラム１２上の薄い液体層からの供給原料物質のシートの形成を助成する。１つの具体例に従って、ドラム１２の外面１２１上の供給原料物質の薄層が上へ（即ち、図１Ｂの透視図で反時計回りに）回転するので、レーザー１３は、堆積した非炭素原子を除去するために用いてもよい。具体的には、レーザー１３は非炭素原子を気体中に電離するために使用してもよく、その結果、これらの非炭素原子は、次に供給原料物質の層から脱着されてもよい。供給原料物質の層上に残った炭素原子は、その後、およそ１原子厚のグラフェン物質のシート１４を形成することが可能である。
【００４６】
また、本発明のシステム１０は、ドラム１２の下流に位置するフィードローラー１５を含んでいてもよい。１つの具定例において、システム１０におけるフィードローラー１５の存在は、シート１４がドラム１２から離れて、次の段階およびシステム１０の残りの部分に沿って前進するのを補助することができる。シート１４を先導するものが存在することによって、それは必要ではないが、その後システム１０に沿って移動するための、シート１４のフィードローラー１５への方向付けがさらに容易になり得ること、および、そのような輸送媒体は、連続的なベルト構造または１以上の好適なベルト物質で構築され得る構造等であってもよいことに注目すべきである。
【００４７】
なおも図１Ｂを参照するが、システム１０は、フィードローラー１５の下流に位置する整列ローラー１６をさらに含んでもよく、これは、横方向に調節して、続くナノチューブ形成のためのシステム１０内の経路に沿って、シート１４の整列の調整を補助し得る。特に、整列ローラー１６を含むことで、シート１４が適切に整列するのを補助し、その結果、シートは整列されて、１組の切断ローラー１７および１８に供給され得る。排出ローラー１７および１８は、ナノチューブまたはナノファイバー２０であり、それらを貯蔵するため、取り込みローラー１９の周囲に巻くことができる。
【００４８】
従って、具体例において、グラフェンシート物質は、フィードローラー手段によって整列されて、形成されるカーボンナノチューブ格子構造の軸について、六角らせん格子構造のキラル角を規定してもよい。その後、グラフェンシート物質を切断ローラーに供給して、好適な切断手段によってグラフェンシートの共有結合を切断してもよい。このようにして、形成されるカーボンナノチューブ構造の直径が規定されてもよい。
【００４９】
本発明のシステム１０に関連して使用される、ドラム１２およびローラー１５、１６、１７、および１８は、１つの具体例において、ローラー２４に関連して示されるものと類似の一般的な特徴を有するように設計されてもよい。図２Ａおよび２Ｂで示される通り、ローラー２４は、ローラー２４の各末端に取り付けた軸２２を収納するためのケーシング支持体２１（即ち、ソケット）を含んでもよい。ケーシング支持体２１は、ローラー２４を支える働きをし、内部で軸２２がローラー２４の回転と共に回転し得る領域を提供する。代わりの具体例において、ローラー２４はその末端２０１および２０２（図２Ｂ参照）が軸２２の代わりに働くように設計され得ることが望まれるべきである。ケーシング支持体２１内でのローラー２４の回転を容易にするため、軸受２３が、ケーシング支持体２１の内部表面の周囲に、および／または、軸２２または末端２０１および２０２に周囲に、提供されてもよい。
【００５０】
本発明のローラー、および図２Ａおよび２Ｂに記載されたもののようなそれぞれの構成材は、所望の適用および機械的トルク回転作用によって、ナノスケール以上の範囲の、あらゆる大きさ、配置または形態に設計されてもよい。また、１つ以上のローラーを設計して物質のナノチューブへ導入を可能にしてもよく、物質はナノチューブの内部または外部に結合するか、または単にナノチューブ内に取り囲まれる。
【００５１】
今度は図３を参照して、グラフェンシートまたは他のシート物質１４を複数の細長い一片（ストリップ）に切断する方法の最初で、ローラー１７および１８が接触する点の前の、１組の切断ローラー１７および１８の断面図が示される。本発明の１つの具体例に従って、切断ローラー１７および１８のうちの１つは、「オス」ローラーとして設計し、他方を「メス」ローラーとして設計してもよい。図３に示す通り、切断ローラー１８は、「オス」ローラーであるよう設計され、一方切断ローラー１７は「メス」ローラーとして設計されてもよい。そのように図示されているが、切断ローラー１８が「メス」ローラーとして設計されてもよく、切断ローラー１７が「オス」ローラーとして設計されてもよいことに注目すべきである。
【００５２】
図示した通り、１つの具体例において、切断ローラー１８は、ローラー１８の外面の周囲に位置する少なくとも１つのトーラスまたはトロイド（即ち、ドーナッツ形状）構造３１を含んでいてもよい。ある具体例において、図３に示されるもののような、複数のトロイド構造３１を使用してもよく、各トロイド構造３１は、ローラー１８の一端３２から反対の端３３へ連続的に、空間的に位置する。トロイド構造３１の存在により面が提供され、最初にその面上にシート１４が置かれ、その面の周囲でシート１４はその後のナノチューブ形成のためのストリップに切断される。トロイド構造３１は、本発明の１つの具体例に従って、図３に示す通り、ローラー１８の外面に同一平面状に位置してもよい。あるいは、トロイド構造３１は構造３４に補完的であって、形状が３４等の凹状構造および補完的な凸状構造の形状であってもよい。このような具体例において、各切断ローラーの２つの凹状および凸状の形状は、互いに適合し、互いに内部ではめ込まれるようなものである。トロイド構造は、グラファイト（三方晶系）またはダイヤモンド様（四面体型）結合、グラファイト、フラーレン様構造を含む同質または異質構造であってもよい結晶性および／または非晶性原子配列のような、非常に広範な構造的多様性を有し得る種々の物質で構築されてもよく、そのような構造は、例えばダイヤモンドまたはダイヤモンド様物質、および／または、電子ビーム溶接で結合された、および／または、真空蒸着法で形成された、ダイヤモンド様物質またはカーボンナノチューブ等のフラーレン物質であり、電子ビーム溶接および真空蒸着法は、産業的方法の需要に最適に適応するための、そのような異なる原子構造の製造を可能にし、ここでそのような方法は、構造を自身の構造および図３のローラー１８等の他の支持構造へ結合するために使用される。
【００５３】
なおも図３を考察するが、切断ローラー１７は、他方で、トロイド構造３１または他の補完的な構造を切断ローラー１８上で補完的に受けるような、ローラー１７の表面の周囲に位置してもよい少なくとも１つの桶状溝３４を含んでいてもよい。ローラー１８に複数のトロイド構造３１がある場合、同様の数の桶状溝３４をローラー１７上に備えてもよい。桶状溝３４は、そのような具体例において、ローラー１７の一端３５から反対の端３６まで、連続的に位置してもよく、その結果、桶状溝３４は、相対するトロイド構造３１またはローラー１８上の他の補完的構造に適合してもよい。ローラー１７および１８のいずれかまたは両方、好ましくはこれらのローラー上の１つ以上のトロイド構造は、ナノチューブ形成の方法の間に産生された過剰の熱を除去するための放熱板として働くことができる。ローラーを作るために使用される物質は、少なくとも部分的には、熱伝導特性に基づいて選択することができる。同様に、ナノチューブを形成する物質に接触する装置の他の部品は（形成方法のあらゆる段階で）、ここに記載した通り、熱を伝導し、従って放熱板として働くことができる、１以上の物質を含んでもよい。
【００５４】
今度は図４を考察するが、図１Ｂにおける切断ローラー１７および１８の断面図が、ローラー１７および１８間の接触点で示される。シート１４が２つのローラー間の接触点に向かって移動するにつれて、シート１４をトロイド構造３１について徐々にカールしてもよく、その結果、図３におけるＬ１からＬ８までの負荷点でグラフェンシート１４の共有結合が弱められる。ローラー１７および１８間の接触点に達した際に、ローラー１７上の桶状溝３４の間に備えられた縁Ｌ１〜Ｌ８（即ち、負荷点）は、シート物質１４に対して充分な機械力を与え、シート１４の共有結合を負荷点Ｌ１〜Ｌ８で切断または破壊し、その結果、グラフェンのカールしたストリップ２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃ、２０Ｄ、２０Ｅ、２０Ｆ、および２０Ｇを形成する。本発明の具体例において、追加のエネルギーを適用して結合の切断を容易にする。このような追加のエネルギーがグラフェンシート幅程度の追加の延伸によって供給されて、結合に追加のストレスを与えてもよい。同様に、追加のエネルギーは、例えばローラー１７または１８の１つから他のローラー（それぞれ１７または１８）にグラフェンシートを横切って流れる、電気力によって供給されてもよい。
【００５５】
１つの具体例において、桶状溝３４は、図３に示されるもの等の、類似の大きさの直径を有するように設計してもよく、その結果、カールしたストリップ２０Ａ〜２０Ｇは、類似の幅のものが供給されてもよい。しかしながら、桶状溝３４は、種々の幅のストリップを提供するため、直径の大きさを変えて設計することができる。さらに、上記に示される通り、ローラー１７および１８およびそれぞれの構成材は、例えば、ナノスケール、ミリスケール、マイクロスケールまたはマクロスケールのような、あらゆる大きさまたはスケールのものであってもよい。
【００５６】
しかしながら、それらの大きさにかかわらず、ローラー１７および１８上にそれぞれ位置する桶状溝３４およびトロイド構造３１は、その後のナノチューブまたはより大きなスケールの構造の製造で、ナノスケール以上のストリップ２０Ａ〜２０Ｇが形成できるよう、大きさがナノスケール以上であってもよいことに注目すべきである。
【００５７】
今度は図５を参照するが、システム１０は、さらにグラフェンのストリップ２０Ａ〜２０Ｇをカーボンナノチューブにカールするため、さらに一組の形成ローラー（図１中に示さず）を伴ってもよい。図５に示される通り、上部形成ローラー５Ａおよび下部形成ローラー５Ｂは、ナノコーンまたはナノらせんであっても、またはダイヤモンドまたはダイヤモンド様物質で構築されてもよく、切断ローラー１７および１８の下流に備えられてもよい。１つの具体例において、上部および下部形成ローラー５Ａおよび５Ｂのそれぞれは、それぞれ図７および８の通り、円錐群または形成ローラー３を構成することができ、それらは軸１についてスペーサー（示さず）をおいて配置されてもよく、スペーサーは、図２Ｂ中のケーシング支持体構造２１によって提供されるものに類似の支持体を提供するために使用し、前記円錐群または形成ローラー３が側方へ動くのを防ぐ。円錐群または形成ローラー３はそれぞれ、溝領域を含む。これらの溝は、形状について変動性を有して、図１Ａの連続的な管形成方法を容易にしてもよい。加えて、ローラー１上の、図７および８における円錐群または形成ローラー３は、好ましくはもう１つのローラー１に対して、円錐群または形成ローラー３を有して相対して並べてもよく、その結果、形成される溝は経路を形成してもよく、カールされたグラフェンのストリップ２０Ａ〜２０Ｇがローラー１７および１８から出るときには、その経路を通って提供されてもよい。直径が以前の段階から徐々に小さくなる溝を提供することによって、カールしたストリップ２０Ａ〜２０Ｇのそれぞれの縁３および４は、図７および８中の形成ローラー３または図５および６中の５Ａおよび５Ｂのそれぞれの段階で、互いに接近するように徐々に押されてもよい。
【００５８】
縁３および４を互いに接近させ得るため、図７および８中の一連のローラー１および形成ローラー３、または図５および６中の５Ａおよび５Ｂ、または円錐群は、互いに下流に備えられてもよく、図７および８中の形成ローラー３または図５および６中の５Ａおよび５Ｂを有するそれぞれは、図７および８中の前記の形成ローラー３または図５および６中の５Ａおよび５Ｂの間の経路について徐々に小さくなる溝を備える。このように、図７および８中の円錐群または形成ローラー３または図５および６中の５Ａおよび５Ｂが相対して並ぶ場合、連続的に小さくなる経路が、カールしたストリップ２０Ａ〜２０Ｇに提示されてもよく、その結果、縁３および４が充分接近して縁３および４からのダングリングボンドが結合し得るまで、それらを徐々に接近させ（図６参照）、それによって、カールしたグラフェンのストリップ２０Ａ〜２０Ｃおよび図８の相当物のそれぞれから、管構造を形成する。
【００５９】
あるいは、形成される溝の最も幅広い点、例えば図７および８中の形成ローラーまたは図５および６中の５Ａおよび５Ｂの直径は、図７中の下流の一連のローラー１および形成ローラー３の至る所で同一であってもよく、または直径および／または形状が変化してもよい。ローラー１に対する、図７および８中の相対する円錐群または形成ローラー３の間、または図５および６中の５Ａおよび５Ｂの間のスペースは、徐々に小さくなってもよい。このように、図７および８中の相対する円錐群または形成ローラー３、または図５および６中の５Ａおよび５Ｂによって形成される経路は、徐々に小さくなって、縁３および４に至り、続いて互いに接近してもよい。図７および８中の形成ローラー３、または図５および６中の５Ａおよび５Ｂの間に形成される溝において徐々に小さくなる直径と、図７および８中の相対する円錐群または形成ローラー３、または図５および６中の５Ａおよび５Ｂ、および／または軸１の間のより小さいスペースとを組み合わせることによって、縁３および４を合わせてカールしたグラフェンのストリップ２０Ａ〜２０Ｇのそれぞれからナノチューブを形成するのを容易にすることが望まれるべきである。
【００６０】
図７は、システム１０に関連して使用してもよい、もう一組の可能な形成ローラーを図示する。図５および６に示されるもの等、円錐群５Ａおよび５Ｂを有する相対する左右の形成ローラーを有するよりも、例えば、図５および６に示されるローラー５Ａおよび５Ｂに実質的に横断する方向で備えられてもよい、上部および下部の形成ローラー３がある。図７は、ローラー５Ａおよび５Ｂの位置から（図５および６の透視図から）約９０度回転した、一組の形成ローラーを提供する。ローラー５Ａおよび５Ｂのように、一連の形成ローラー３は、ストリップ２０Ａ〜２０Ｇの縁３および４の接合を容易にするため、溝の直径が徐々に小さくなるか、または相対するローラー軸１の間のスペースが徐々に小さくなるか、またはその両者を備えてもよい。
【００６１】
再度、図１Ｂを考察するが、システム１０は、切断ローラー１７および１８の下流に位置する取り込みローラー１９、および図７および８中の形成ローラー３または図５および６中の５Ａおよび５Ｂを備えてもよく、カールしたストリップのそれぞれの縁が合わさってナノチューブまたはナノファイバーまたはより大きな管構造の連続的ストランドを形成する時点で、管構造またはナノチューブファイバーのストランドは、取り込みローラー１０に向かって、図７および８中の形成ローラー３または図５中の５Ａおよび５Ｂから前進してもよい。特に、ローラー１９は回転して、その後の貯蔵のため、糸巻と類似の方法で、その外面に、図７および８中の形成ローラー３または図５および６中の５Ａおよび５Ｂから来るナノチューブのストランドを巻きつける。ナノチューブのストランドが近くの点で必要である場合、ストランドは取り込みローラー１９に巻いたものを伸ばして、使用するための所望の長さに切断することができ、または、ストランドは多壁ナノチューブ（ＭＷＮＴ）を製造するためにナノチューブを供給するものとして使用してもよく、ここで、このようなナノチューブは、図１０Ａおよび１０Ｂおよび１１Ａおよび１１Ｂの静止したナノチューブ１Ａ〜１Ｅの代わりに使用され、従って、形成されたナノチューブは使用されて、図９に示される通り、方法で新たに形成されたナノチューブに沿って移動することができ、そのナノチューブは多壁ナノチューブを製造し、そこでこの方法は、所望ならば、いくつかの類似の工程につながって、ナノチューブの追加の壁を加えることができる。
【００６２】
ナノチューブのこれらのストランドが切断されて所望の長さのナノチューブを製造することが必要になり得る範囲内において、ストランドは、例えば、機械的エネルギー、化学的エネルギー、熱エネルギー、レーザーエネルギー、電子ビームエネルギー、イオンビームエネルギー、および／または他のタイプのエネルギーを単独または組み合わせて使用して、切断し、物質内の共有結合を壊してもよい。
【００６３】
図１Ｂは図示した通りの構成材を有するシステムを提供するが、これらの構成材はあらゆる望ましい方法で編成してもよいことに注目すべきである。例えば、フィードローラー、整列ローラー、切断ローラー、および形成ローラーは、貯蔵器および取り込みローラーの間で線状に編成してもよく、その結果、シート１４は切断ローラーに直接供給されて、シート１４の経路を単純化してもよい。また、シート物質１４からナノチューブを製造する図１Ａの形成方法を達成するための、少数および／または異なる要素を含む、あらゆる装置または方法を使用してもよい。即ち、本発明の装置の部分として記載されるあらゆる要素の組み合わせが、本発明に従って使用し得る。１つのこのような非制限的な編成において、ドラムまたはローラーを伴う種々の部分が簡略化されるであろう。このような構造形では、切断ローラーが方法の第一工程で使用されるであろうが、ここで、レーザーエネルギー、または電子ビームおよび／またはイオンビーム等の他の好適なエネルギー源を用いてナノスケールのはっきりした特徴を有するグラフェンのストリップを直接的に形成する目的で、切断ローラーは、トリクロロベンゼンまたはジクロロベンゼンまたは他の好適な液体の薄膜でコートされるであろう。従って、グラフェンのストリップは、グラフェンシート物質からのグラフェンのストリップの機械的形成または機械合成とは対照的に、マクロ的ローラーのナノスケール特性の形状に従って製造されるであろう。このようなより少ない工程および／または要素の簡略化された方法において、グラフェンは、形成されるグラフェンのストリップを湾曲させ、縁の結合を完成させ得るであろうローラーのナノスケールの表面特性に直接的に相対して、ストリップに形成され、管（チューブ）を形成するであろう。場合によっては、形成されたグラフェンのストリップはさらなる加工を要して、電気および／または磁場を用いた縁の操作によって、および／または、機械合成法で、縁の結合を管構造に完成させてもよく、この操作または合成法では、縁の結合は互いに接近させて、縁の結合を連結して管構造またはナノファイバーとする。
【００６４】
システム１０および１１に関連して使用するローラーは、熱膨張および消耗による劣化を最小限にするため、充分に硬くて強固であることが好ましいので、ローラーを作る物質は、充分に硬くて強固であることが必要であろう。従って、使用してもよい物質は、ダイヤモンドまたは、グラファイト、ガラス状炭素等ダイヤモンド様被覆固体物質、または、種々の形状のフラーレン等の、他の炭素をベースにした物質を含む。加えて、固体のダイヤモンド、石英等の他の物質、または金属、またはスズカーバイド、またはタングステンカーバイド等のあらゆる他の好適な硬い物質、または好適に硬いあらゆる組み合わせまたはマトリックス複合材料を含んでもよい。このような構造は、種々の物質で構成されてもよい。その物質は、グラファイト（三方晶系）またはダイヤモンド様（四面体）結合のように、非常に広範な構造的多様性を有し得る。その物質はまた、結晶質および／または非晶質の原子配列を有してもよく、その原子配列はグラファイト様、フラーレン様構造を含む、同質または異質構造を含んでもよい。その構造は、電子ビーム溶接で結合された、および／または、真空蒸着法で形成された、ダイヤモンドまたはカーボンナノチューブ等の、ダイヤモンドまたはダイヤモンド様物質および／またはフラーレン物質を含むことができ、電子ビーム溶接および真空蒸着法は、産業的方法の需要に最適に適応するための、そのような異なる原子構造の製造を可能にし、ここでそのような方法はシステム１０および１１に関連して使用する構造を形成するために使用される。
【００６５】
図９を参照して、あらゆる規定された長さのナノチューブの製造に使用される、別のシステム１１が示される。システム１１は、１つの具体例において、２つの独立部分を提供するために、図１Ｂで示される必須の実質的システム１０であるＡ部分、および追加的な実質的複製のＢ部分を含んでもよく、それぞれは補完的な連続的グラフェンシートを産生することができ、そのシートからは、Ａ部分でカールしたストリップが切られ、同時にＢ部分でカールしたストリップが切られて、管構造のストランドまたはファイバーまたはナノファイバーを形成してもよい。
【００６６】
システム１１は、システム１０の様に、貯蔵器１１Ａおよび１１Ｂを含んで設計してもよく、それぞれの中に、グラファイト供給原料物質、例えば液体のジクロロベンゼンまたはトリクロロベンゼン、他の好適な液体の水性容量が供給されてもよい。以下で、システム１１の特徴に言及する場合、Ａ部分に備わる特徴を「Ａ」で示し、Ｂ部分に備わる特徴を「Ｂ」で示すことを認識すべきである。
【００６７】
またシステム１１は、それぞれ貯蔵器１１Ａおよび１１Ｂの中にドラム１２Ａおよび１２Ｂを含んでもよい。ドラム１２Ａおよび１２Ｂは、水性供給原料物質の実質的に均一な薄層がドラム１２Ａの外面１２１Ａおよびドラム１２Ｂの外面１２１Ｂ上に堆積される限り、図９に示す通り、部分的に沈められるか、または実質的に沈められるか完全に沈められてもよい。先導剤、またはマイラー（登録商標）(Mylar(R))等の開始剤基質（示さず）を、供給原料物質の連続的薄層の開始を容易にするために使用してもよい。１つの具体例において、先導剤を外面１２１Ａおよび１２１Ｂ上に配置して、ドラム１２Ａおよび１２Ｂがそれぞれの貯蔵器内で回転するに従って、供給原料が外面上に堆積されてもよい。
【００６８】
システム１１は、電離放射線の放出源、例えば、ドラム１２Ａおよび１２Ｂにそれぞれ隣接するレーザー１３Ａおよび１３Ｂを、さらに含んでもよい。レーザー１３Ａおよび１３Ｂは、液体の供給原料物質の薄層上の、非炭素原子を気体中に電離するために使用してもよく、その結果、これらの非炭素原子はその後、供給原料物質の層から脱離し得る。供給原料物質の層上に残存する炭素原子は、その後、ナノチューブの形成に使用するための、約１原子の厚さのグラフェンのシート１４Aおよび１４Ｂを形成することができる。
【００６９】
ドラム１２Ａおよび１２Ｂの下流で、システム１１はフィードローラー１５Ａおよび１５Ｂを備えてもよい。１つの具体例において、フィードローラー１５Ａおよび１５Ｂは、シート１４Ａおよび１４Ｂがそれぞれドラム１２Ａおよび１２Ｂから出てシステム１１の残りの部分に沿って進行するのを補助するように働くことができる。シート１４Ａおよび１４Ｂを先導するものの存在は、必要ではないが、フィードローラー１５Ａおよび１５Ｂへのその後の方向付けの促進を助長することに注目すべきである。
【００７０】
なおも図９を参照するが、システム１１は、整列ローラー１６Ａおよび１６Ｂをさらに含んでもよく、これらはそれぞれフィードローラー１５Ａおよび１５Ｂの下流に位置する。整列ローラー１６Ａおよび１６Ｂは、１つの具体例によれば、シート１４Ａおよび１４Ｂを調節して適切に整列させるために使用することができるが、その結果、シートは適切に整列されて、システム１１の切断ローラー１７および１８に送られる。取り込みローラー１９は、製造されたナノチューブ２０を回転して取り込み、収容するために使用する。
【００７１】
今度は図１０Ａを考察するが、図９から取った一組の切断ローラー１７および１８の断面図であり、ローラー間の接触点の前で、グラフェンシート１４Ａおよび１４Ｂを複数のストリップに切断する過程の最初の部分である。１つの具体例において、ローラー１７および１８のそれぞれは、一連の交互に位置する、相対的に浅い桶状溝９０１を有する歯９０および相対的に深い桶状溝９１１を含む溝９１を、ローラーの周囲に一端から反対の端まで含んで設計されてもよい。このような設計により、ローラー１７および１８のいずれかのそれぞれの歯９０が、他方のローラーの相対する溝９１と補完的に対になり、溝９１内部に受け入れられる。
【００７２】
この交互の溝の設計により、複数の管構造１Ａ、１Ｂ、１Ｃ、１Ｄおよび１Ｅを有する図１０Ｂ中の土台または型形成物９３が、ローラー１７および１８間で歯９０および溝９１と一直線に位置することが可能になる。
【００７３】
図１０Ｂを参照すると、管１Ａ、１Ｂ、１Ｃ、１Ｄおよび１Ｅは、型形成管９３を成し、固定台または土台９２に取り付けられるが、９２は取り付けられた管が新たに形成された管構造とともに動くのを防ぎ、従って形成管９３は適所に残り、形成方法の型として機能する。管１Ａ〜１Ｅは固定的であるが、管は図１１Ａに示される交互の位置に在るに充分柔軟で長さがある。上記の開示に従って、形成物として使用される固定的なナノチューブは、ヒートシンク（放熱板）に取り付けて、方法過程からの、必要とされるあらゆる熱除去を促進してもよいことに注目すべきである。さらに、固定的ナノチューブは次第に細くなってもよく、その結果上述した通り、ナノコーンを使用する場合に徐々に直径が小さくなる管を形成し、かつ、例えば新たに出来たグラフェンの縁の結合を促進する効果を達成する。
【００７４】
形成管９３は図３のトロイド構造３１と機能が類似しており、ここで３１は面を提供し、その面上にシート１４Ａおよび１４Ｂが最初に置かれてもよく、かつ、面の周りにシート１４Ａおよび１４Ｂが形成されて、その後のナノチューブ形成のためのストリップに切断されてもよい。シート１４Ａおよび１４Ｂのそれぞれは、形成物９３の相対する面上に置かれ、その結果２つのシート１４Ａおよび１４Ｂは形成管９３が間にあって隔てられてもよいことに注目すべきである。１つの具体例において、形成管９３は、管または形成管９３が相対する歯９０および溝９１の間に実質的に適合するように、一連のナノチューブ１Ａ、１Ｂ、１Ｃ、１Ｄ、１Ｅ等から作られてもよい。加えて、形成管９３は、ナノスケール以上であってよい管の大きさによって、予め決められた大きさのあらゆる直径に作られてもよい。
【００７５】
今度は図１１Ａを考察するが、ここでは、図９からの切断ローラー１７および１８の、ローラー１７および１８間の接触点での断面図が示される。シート１４Ａおよび１４Ｂが土台９３の相対する面の全域で２つのローラー間の曲線終点に向かって動かされるに伴い、シート１４Ａおよび１４Ｂは土台９３上のナノチューブ１Ａ〜１Ｅのそれぞれについて徐々によりカールされてもよく、歯９０が動いて相対する溝９１に接近し溝内部に入るに伴い、結果としてグラフェンシート１４Ａおよび１４Ｂの共有結合が変形する。ローラー１７および１８間の接触点に達する際に、歯９０は、土台９３のナノチューブ１Ａ〜１Ｅ、およびその各側面上のシート１４Ａおよび１４Ｂを、しっかりとかつ実質的に完全に相対する溝９１の内部に押すように設計してもよい。その結果、歯９０は、シート１４Ａおよび１４Ｂの面に対して充分量の力を与えるために働き、シートにおける共有結合をせん断または破壊し、図１１Ｂに示す通り、土台９３の片面上で一時的にカールしたストリップ１４Ａが形成され、土台９３のもう片方の面上で一時的にカールしたストリップ１４Ｂが形成される。カールしたストリップ１４Ａおよび１４Ｂは自己結合して、カーボンナノチューブ構造２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃ、２０Ｄおよび２０Ｅを作り出す。
【００７６】
今度は図１１Ｂを考察するが、ここでは、図９からの切断ローラー１７および１８から形成されたグラフェンのストリップの、ローラー１７および１８間の接触点での断面図が示される。上部のグラフェンシート１４Ａは、新たに作られた縁３Ａおよび４Ａを有するグラフェンのストリップに切断され、下部のグラフェンシート１４Ｂもまた、新たに形成された縁３Ｂおよび４Ｂを有するグラフェンのストリップに切断される。高反応性の結合によって、縁３Ａと３Ｂ、および、縁４Ａと４Ｂは結合して、自身の完成に向かい、このようにして図１１Ａの完成された管構造２０Ａ〜２０Ｅを形成する。
【００７７】
代わりの具体例において、ローラー１７および１８のそれぞれは、ローラー１７および１８上の相対する溝が固定的な土台９２上のナノチューブ形成物９３の周囲の約半分に及ぶように、同様の深さの溝（示さず）を備えてもよい。このように、ローラー１７および１８がそれらの接触点に達した時に、ローラー１７および１８上の相対する溝は、ナノチューブ形成物９３の各側面上のシート１４Ａおよび１４Ｂとともに、その間にナノチューブ形成物９３を実質的に包むように働いてもよい。加えて、ローラー１７上の溝の間に備えられる縁（即ち、負荷点）は、ローラー１８上の溝の間に備えられる縁に対して充分な機械力を与えるように働いてもよく、それによりシート１４Ａおよび１４Ｂにおける共有結合がせん断または破壊され、図１１Ｂに示す通り、ナノチューブ形成物９３の一方の片面に図１１Ｂのカールしたストリップ１４Ａが形成され、ナノチューブ形成物９３のもう一方の面に一時的にカールしたストリップ１４Ｂが形成される。
【００７８】
今度は図１１Ｂを参照するが、土台形成物９３のナノチューブ１Ａのそれぞれの側面上にストリップ１４Ａおよび１４Ｂを形成するに際し、相対するストリップ対１４Ａおよび１４Ｂのそれぞれ等は、土台９２のナノチューブ形成物の周囲に、ナノチューブ２０Ａ〜２０Ｅ等を形成するであろう。特に、それぞれの相対するストリップ対は、１つのストリップの縁３Ａおよび４Ａが相対するストリップの縁３Ｂおよび４Ｂに充分接近するように、ナノチューブ形成物９３について位置するので、これらの縁はそれらから出るダングリング結合で結合して、ストリップ対のそれぞれから図１１Ａのナノチューブ２０Ａ〜２０Ｅを形成してもよい。
【００７９】
図１１Ａを参照して、それぞれ新たに形成されたナノチューブ２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃ、２０Ｄおよび２０Ｅは、その後、ローラー１７および１８から進んで取り込みリール１９（例えば、図９参照）に貯蔵されるので、土台９２の管形成物９３の位置から引っ張られるか除かれてもよい。二重壁のナノチューブが形成される限り、ナノチューブ２０Ａ〜２０Ｅは、管形成物９３と共に動いてもよい。このような具体例において、管９３は、貯蔵されたナノチューブのリールからローラー１７および１８の間に連続的に送られてもよい。ナノチューブ２０Ａ〜２０Ｅおよび１Ａ〜１Ｅから形成される二重壁ナノチューブは、ローラー１７および１８から進み、その後、取り込みリール１９に貯蔵されてもよい。多壁ナノチューブが形成される場合、チューブ２０Ａ〜２０Ｅおよび１Ａ〜１Ｅから形成される二重壁ナノチューブを、形成物９３等の、新たな形成物として使用してもよく、上述の方法を、所望の壁数のナノチューブが得られるまで繰り返してもよい。勿論、壁数が増えるに伴って、溝および／または歯の大きさも徐々に大きくする必要があるかもしれないことが理解されるべきである。これを受けて、各方法過程の終点にナノチューブの取り込みリールを動かしてもよく、または、製造されたチューブは、わずかにより大きい溝および／または歯を有する別のシステムに直接運ばれることができる。
【００８０】
システム１０または１１が、ナノスケールの構造間、例えば、ナノスケールのローラー、ナノスケールの溝／歯、またはナノスケールのトロイド構造（即ち、稼動構造）を有するグラフェンシートおよび／またはナノチューブ（即ち、稼動／作用している構造）の間に、相互作用を伴う場合、これらのナノスケール構造間の動きは、稼動している構造と稼動されている構造との間の表面エネルギーの相互作用によって制御されてもよい。
【００８１】
例えば、グラフェンシートを送る方法は、弱いｐｉ結合による機械的手段によって達成されてもよく、この結合はグラファイトの隣接するシートまたは層を保持し、それによってグラフェン層は、機械的フィードローラーによって互いに機械的にはがすことが可能であるが、ここでフィードローラーはナノスケール以上であってもよい。このグラファイト層の放出は、フィードローラー部分で適用されるトルクによる、グラファイト結晶の活発な機械的切断であり、個々のグラフェンシートの弱いｐｉ結合エネルギーをしのぐ。グラフェンシートが、グラファイト供給原料物質から機械的にはがされるに伴い、フィードローラーの表面エネルギーとグラフェンシートは相互作用して、グラフェンシートをフィードローラーの規定の格子構造と整列させるであろう。このグラフェンシートの開放は、フィードローラー部分を通して適用されたトルクによる、グラファイト結晶の活発な機械的解裂であり、これは個々のグラフェンシートの弱いｐｉ結合エネルギーを打開するものである。グラフェンシートが、グラファイト供給原料物質から機械的にはがされるにつれて、フィードローラーとグラフェンシートの表面エネルギーは相互作用して、グラフェンシートを、フィードローラーの規定の格子構造と整列されるであろう。ナノチューブまたは巨大なナノチューブまたは一連のナノチューブを使用する場合、使用するナノチューブのキラリティーは、グラフェンのはがされたシートがいかに整列され、方法の次の段階に送られるかを決定するであろう。このように、２つの作業課題が達成され得る：１）グラファイト供給原料物質からの１シートのグラフェンの供給、および２）形成されるナノチューブ構造の格子構造またはキラル角を規定する、グラフェンシートの機械的整列。
【００８２】
今度は図１２および１３を考察するが、本発明のローラーは、ナノスケールの大きさであってもそれ以上であっても、ローラーの回転を容易にする駆動機構につながってもよい。以下は、ナノスケールのローラーに関連して記述するが、勿論、必要なサイズに適宜拡大縮小することができる。駆動機構１１０は、１つの具体例において、複数のナノギア、例えば、管構造１１１、１１２、および１１３から構築されてもよい。
【００８３】
図１２に示した通り、管構造１１１は、その外面のギアの歯１１４を取り付けていてもよい。１つの具体例において、ギアの歯１１４は、図１３の通り、凹状かまたは凸状の形状であってもよく、外面の周囲で一連の歯１１４に隣接して位置してもよい。加えて、歯１１４は、構造１１２等の、別のナノチューブ構造を補完するように位置してもよい。構造１１２および１１３は、構造１１１と同様に、それらの外面に複数のギアの歯１１５および１１６をそれぞれ取り付けていてもよい。１つの具体例において、ギアの歯１１５および１１６は、ナノチューブであってもよく、かつ、それぞれの管構造１１２および１１３の周囲で一連の他のナノチューブの歯に隣接して位置してもよい。図１２に示す通り、ギアの歯１１４、１１５および１１６は、構造１１１上の歯１１４が構造１１２上の歯１１５に適合し、かつ、構造１１２上の歯１１５が構造１１３上の歯１１６に適合できるような、大きさ、形状および間隔であってもよい。ナノギア１１１、１１２、および１１３の大きさおよび数は変えてもよく、それらのあらゆる多様な組み合わせにおいて、他の構造に対して位置してもよい。
【００８４】
図１３は、本発明のシステムに関連して使用してもよい、ナノギアの別の例を示す。ナノチューブ構造１２１および１２２は、それぞれの外面でギアの歯１２３および１２４を取り付けていてもよい。１つの具体例において、ギアの歯１２３および１２４は、凹状および／または凸状の形状であってもよく、かつ、それぞれ構造１２１および１１２の周囲で一連の他のギアの歯に隣接して位置してもよい。図１２のギアの歯のように、これらのギアの歯は、構造１２１上の歯として適当な形状、間隔およびギアの歯の数のものを用いることによって、構造１２２上の歯とかみあうように位置してもよい。
【００８５】
ギアの歯１１４、１１５、および１１６は、１つの具体例に従って、ベンゼンまたはナフタレン分子、または、ナノチューブ１１１、１１２、または１１３につながることが可能な、あらゆる他の分子および／または原子を含んでもよい。
【００８６】
ナノメカニカルシステムは、本発明の１つの具体例に従って、以下の通り要約してもよい。このシステムは、ナノベアリングを収容するローラーケーシング支持体等の、固定部分を含んでもよく、ナノベアリングの外輪に取り付けられる。このシステムは、さらに、ナノシャフト等の回転部分を含んでもよく、これはナノベアリングの内輪に取り付けることができる。１つの具体例において、ローラーは種々の構造中に組み込まれてもよい。１つのこのような可能な構造は、フィードローラーを有し、ナノスケールで構築されるローラー形成物を含む。フィードローラーは、構築されたナノチューブシャフトまたはナノシャフトを含んで作られてもよい。切断ローラーは、上部または下部切断ローラーに取り付けられた、閉じたトーラスナノチューブ、または下部または上部切断ローラーに取り付けられた、開いたトーラスナノチューブを有する、ナノチューブシャフトまたはローラーで構築されてもよい。ガイドローラーまたは形成ローラーは、ナノコーン構造で構築されてもよく、これは、該ナノコーン構造の中央を通って位置するナノチューブシャフトによって位置を保持されてもよい。このようなナノシャフトによって、ナノコーン構造が自由に回転できてもよく、ここでナノシャフト末端は、ナノコーンの間にスペーサーを有する剛体によって位置を保持される。スペーサーもまた、回転に伴って、該ナノコーンの整列を維持するように働くことができる。
【００８７】
あるいは、ナノシャフトは該ナノコーンに取り付けられてもよく、その場合、ナノシャフトの末端は、ナノベアリングまたはそれ自身のケーシングの内部で自由に回転できる。この具体例におけるナノベアリングは、剛体である末端ケーシングに収容されてもよい。別の可能な構造は、顕微鏡的スケールまたはマクロスケール、および／または、表面がナノスケールの特徴および／または構造を有する巨大なナノチューブローラー構造である。さらなる可能な構造は、レーザーおよび／または電子ビームおよび／またはイオンビームからの磁場および／または電場、または、純粋にナノ機械合成法ではなく操作および形成方法においてナノスケールであろう、供給、切断および形成過程を制御する他の好適な源等の、エネルギー場の使用を組み入れる構造である。
【００８８】
別の具体例において、本発明のシステムは、ローラー形成部分を用いずに実行してもよい。例えば、グラフェンシート物質の変形は、ローラーのカッター部分の内部で、グラフェンシート物質の縁のダングリング結合が合わさるに充分である場合は、ローラー形成部分はナノチューブ形成方法を完成するのに必要ではないかもしれない。１つの具体例において、ナノチューブは、ナノスケールのインプリンティングまたはスタンピング法を使って構築されてもよい。このような方法において、陽性のスタンプおよび補完的陰性のスタンプまたは金型部分を、連続法の図３および４の上部および下部ローラーと同様に、使用してもよい。
【００８９】
今度は図１４および１５を考察するが、ポジの刻印機または上部部分１およびネガの刻印機または下部部分４は、それらが製造方法の間に物理的に接触する場合に互いに適合するように備えられてもよい。上部刻印機部分１は、上部部分１およびチップ３から延びる、少なくとも１つのアーム２を含んでいてもよく、ここでチップ３は、このページ中でまっすぐでもよいナノチューブで構築されてもよく、または、図３および４の通り、結合する２つの末端を有してトーラスの形状を形成してもよい。下部刻印機部分４は、溝６を含んでいてもよく、その内部に、上部からのチップ３が補完的に適合してもよい。下部４もまた、負荷点Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３、およびＬ４を含んでいてもよく、そこにグラフェンシート物質が置かれてもよい。
【００９０】
図１５に示す通り、上部部分１が下部部分４と接触する場合、チップ３は、負荷点Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３、およびＬ４上に位置するグラフェンシート物質５を、補完的形状の溝６に押し付けてもよい。グラフェンシート物質５が溝６内に押し込まれるに従って、シート物質は負荷点Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３、およびＬ４でその共有結合をせん断または破壊されて、グラフェンシート物質が切断されてもよい。溝６は、同様の大きさの直径を有するナノチューブ構造を産生するような直径であってもよいことに注目すべきである。チップ３がまっすぐである場合、溝６の内部で、チップ３は図１５の透視図から実質的に垂直に、紙の外部の面へ読者に向かって移動して、チップ３が下部刻印機部分４から引き抜かれてもよい。トーラス形状において、チップ３は下部刻印機部分４の一端から他方へ転がるであろう。チップ３が引き抜かれまたは転がり出されるに従って、下部刻印機部分４の底で６Ａ、６Ｂ、および６Ｃ部分に切断されたグラフェンシート物質５は、それぞれの溝に残り得る。溝内部の切断シート６Ａ〜Ｃの縁が近接することにより、切断シート６Ａ〜Ｃのそれぞれの縁上の、ダングリング結合が合わさることができ、従ってナノチューブを産生される。１つの具体例において、グラフェンシート物質５は、刻印工程の前に変形されてもよい。あるいは、シート物質５は、刻印工程の前に変形されないままであってもよい。シート物質のこの変形もまた、上述の方法に適用してもよい。上記の方法において、電場および／または磁場を適用して、完成したチューブの金型またはインプリンティング工程からの除去を促進してもよい。
【００９１】
チューブ（即ち、断面図が円）として図示するが、チップ３および補完的な溝６は、チップ３が溝６の内部で補完的に適合し得る限り、あらゆる断面の幾何学的図形であってもよいことに注目すべきである。あるいは、チップ３は、溝６の内部に適合する限り、溝６と非補完的な形状であってもよい。これは、切断したグラフェンシート５が一般に、一度切断すると、シート５の縁を合わせた後に、管形状のナノチューブを形成し得るからである。
【００９２】
加えて、上部および下部刻印機部分は、種々の複雑な構造、例えば、枝状三次元パターン構造であることが可能であり、かつ、ダイヤモンドまたはダイヤモンド様または印加された構造等の物質、または他の好適な物質のエッチングまたは堆積された層を含んで、ナノチューブ形成または他の複雑な３次元構造のための機械的刻印方法を実施してもよい。また、上部刻印機部分１がローラー部分であってもよく、かつ、下部刻印機部分４が非ローラー部分であってもよいこと、または、部分１および４が連続的ローラー方法またはあらゆるそれらの組み合わせであってもよいことにも注目すべきである。
【００９３】
本発明の１つの具体例に従って、刻印方法によって、使用される刻印機がナノチューブの周囲を作る炭素原子の数を決定できるように高度に制御された方法で、カーボンナノチューブ等のナノチューブを製造することができる。具体的には、上部部分１および下部部分４は予め決められた円周または直径寸法を有し、その寸法にグラフェンシート物質が切断され、ナノチューブが特定の直径で形成される。ナノチューブのキラリティーは、グラフェンシート物質または刻印方法において使用される他のシート物質の配列によって制御されてもよい。従って、形成されるナノチューブ構造のキラルベクトル（ｎ，ｍ）の両要素を制御する手段であって、左巻きのキラリティーおよび右巻きのキラリティーのナノチューブが形成され得る手段が提供される。
【００９４】
上部および下部刻印機部分１および４の物理的寸法もまた、形成されるナノチューブの長さを決定することができる。具体的には、上部および下部刻印機部分の長さ寸法は、グラフェンシート物質５または他のシート物質を切断して、同様の長さのナノチューブ構造を形成するようなものであってもよい。
【００９５】
ここで提供される刻印方法は、バッチ型または連続的工程または方法のものであってもよく、使用される物質の用途によって決定されてもよい。例えば、連続的方法は、長いナノチューブ構造の製造に使用してもよく、一方、バッチ方法は、ナノチューブ構造の長さが、エレクトロニクスおよびディスプレイ等の特定の用途に制限され得る場合に使用してもよい。本発明の刻印方法もまた、コスト効果的な方法でナノチューブを製造することができるであろう。これにより、種々の用途のためのナノチューブの大量生産が可能になるであろう。
【００９６】
使用にあたり、カーボンナノチューブは、一枚のグラフェンシートで作られてもよい。このシートは、連続的方法で中空の円柱に形成された円筒状のものであってもよく、これは単一壁ナノチューブ（ＳＷＮＴ）構造と呼ぶことができる。また、カーボンナノチューブは、同心円状の円柱に形成された、いくつかのグラフェンシートの円筒状のもので作られてもよく、これは多壁ナノチューブ（ＭＷＮＴ）構造と呼ばれる。加えて、これらのナノチューブのそれぞれのタイプには、キラルベクトルと呼ばれる２桁の数字列（ｎ，ｍ）で特定される、多数の変化形がある。第一桁のｎは、ナノチューブ外周の周りの原子数を意味し、第二桁のｍは、ナノチューブ周囲の格子構造のオフセット角を指定する。第二桁が０である場合、ナノチューブは、アームチェアナノチューブと呼ばれる。両方の桁が同じ（ｎ＝ｍ）である場合は、ナノチューブはジグザグナノチューブと呼ばれる。または、それらはキラルナノチューブと呼ばれ、キラリティーは左巻きであっても右巻きであってもよい。
【００９７】
ＭＷＮＴの形成または製造のためのナノメカニカル法または機械合成方法は、ＳＷＮＴ製造のためのものと同様であり、形成される構造の差は、同心円状に配置または形成されるシリンダーまたは管を製造する、グラフェンシートの追加の層を含む。このようなナノメカニカル法または機械合成方法では、広範な供給シート物質を使用してもよく、例えば、タンパク質、有機分子、無機分子、グラフェン、ポリマー、金属、金属酸化物、金属窒化物、セラミックス、またはあらゆる原子およびあらゆるマトリックスまたはそれらの組み合わせを使用してもよいが、これらに制限されるものではない。加えて、以下により詳細に述べるが、供給シート物質は、基礎物質（例えば、グラフェン）および、供給材料において通常見られないドーパントまたは原子を含み得る。ドーパントは基礎物質の代表的構造の１つ以上の原子を置換することができ、または供給物質の表面に共有結合でまたはイオン的に結合する原子等の、付加的要素であり得る。
【００９８】
本発明の具体例に従って製造されるナノチューブは、ガラス、金属、マトリックス、または複合材料等の物質の強化を含む、多様な用途において有用であり得る。これらの強化された物質は、タイヤ、航空機支持構造体、宇宙船、船殻、構造的ビルディング、車、トラック、列車、線路、道路、および橋等のマクロ物体の製造に使用してもよい。また、本発明の具体例に従って製造されるナノチューブは、化学的、電気的、医学的および機械的システム用途におけるフィルターに使用してもよい。
【００９９】
本発明の具体例に従って形成されるナノチューブ構造は、炭素で構成される必要はない。ナノチューブを形成する物質は、例えば、連続的形成方法の間、個々の原子および／または分子がナノチューブ構造の中心または外面またはナノチューブ格子構造内に所望の間隔および／位置で配置されてもよい方法で、さらに制御し、変えてもよい。そのようなナノチューブ格子構造内への配置は、関連するカム(camed)・ローラーまたは個々の原子および／または分子が、使用されるシート物質の表面および／または格子構造および／または縁の結合部位で挿入または除去される、電子および／またはイオンビーム等の他の好適な手段を使用することによって行われてもよい。ナノチューブの形成において、シート物質の縁がつながって管構造になる前に、原子および／または分子はナノチューブ構造の内面または外面上の縁および／または他の位置に配置されてもよい。このように形成されるナノチューブの格子構造は、構成する原子および／または分子に関して制御される。このような構造は、量子状態の構造を形成し得るので、多量子井戸構造（ＭＱＷＳ）を形成する可能性が見込まれる。そのようなもの（ＭＱＷＳ）は、ナノチューブ表面上の平面的ｓｐ2結合が水素原子等の原子との部分的ｓｐ3様結合へ変化することに起因するので、電気的および／または光子的特性について伝導帯構造に作用するが、これらの特性はすべて形成されるナノチューブ構造の長さによって変化し得る。例えば、伝導帯は散在してもよく、ナノチューブ構造上であらゆる長さまたは間隔であってもよく、または、部分的バンドから成ってもよく、それによって独特のバンドギャップエンジニアリングを実現することができる新規な量子井戸の秀逸な格子構造の形成または製造が可能になる。このような構造の例には、超極短波トランジスタ構造、固体レーザー、光学検波器、低誘電率輸送容器、場合に応じた熱および電気伝導率、導波管構造、超高エネルギー密度コンデンサおよびポリセラミック系、多色および光学検出器、生体類似合成物質、ナノ構造金属マトリックスおよびシステム、生物剤検出用蛍光コーティングフィルター、人口筋肉、太陽電池、原子層制御コーティング、ナノ光子、電池および燃料電池技術、発光素子、高度画像技術、ミクロおよびナノスケールの電気機械システム、スピントロニクス素子、および単一電子トランジスタおよびセンサー等の単一電子素子が含まれる。
【０１００】
ナノ機械合成法における電動作用の方法は、例えば、機械的トルクを、ナノシャフトまたはローラー等のナノチューブ構造につながったギア歯に適用することによって、達成してもよい。あるいは、カーボンナノチューブの回転を直接的に引き起こすか、またはナノチューブギアが媒介した、レーザー電場を使用してもよい。このような運動作用は、ナノチューブ体内の自由電荷と適用されるレーザー電場間の力の相互作用によって達成されてもよい。
【０１０１】
１つの可能な用途は、形成される長いナノチューブ構造を材料とした導電性ケーブルを作ることである。このようなケーブル用には、導電性が銅よりも劇的に高く、約１０００倍であってもよい。さらに、このような長いナノチューブ構造にドープまたは挿入されたドナー原子は、超伝導のケーブルを作ることができ、これは高温での超伝導体になり得る。
【０１０２】
別の可能な用途は、そのような長い導体ケーブルをマクロ機械的方法に取り入れることであり、そこで導体ケーブルは、電気出力を産生することができる。特に、該導体ケーブルの物理的屈曲または変形が起こり得るので、ピエゾフィルムを適用して現在使用されているように、機械的エネルギーから電気エネルギーへの変換が行われる。これらのピエゾフィルムは、センサーとして使用してもよく、またフィルムにナノチューブの使用を組み入れて、性能および信頼性のレベルを向上させることができる。
【０１０３】
別の具体例において、適切に整列された供給原料シート物質からナノチューブ構造を形成するために、ナノ構造を使用して、供給シート物質の機械的供給、回転、切断および形成を達成するような方法で、適用される力を変化させ、送り、かつ方向付けてもよい。この整列は、例えば、供給原料物質を、静電気、水素結合、共有結合、およびファンデルワールス結合の相互作用によってシート形態に編成するための界面活性剤を使用することによって達成されてもよく、ここで、適用された電場および／または磁場を使用して供給原料物質を整列および供給してもよい。この方法により、カーボンナノチューブおよび、整列された供給原料物質シートを機械的に供給、回転、切断して、ナノチューブ構造を形成する他のナノチューブ構造が製造され、形成されるナノチューブ構造における、ねじれまたはキラル角度に関しては制御される。
【０１０４】
種々のナノ構造は、ナノ機械系の構築において使用してもよい。例えば、カーボンナノチューブ、および／または、バッキーボール、カーボンナノらせん、ナノコイル、カーボンナノコーン、ナノインターフェイス、および他のそのようなナノ構造等の他のフラーレンを、ナノチューブおよび／または他のフラーレンの形成に使用してもよく、また、それらは、ナノスケールのギア、モーター、ローラー、カッター、レバーおよび収納容器の形成に使用してもよく、これらは全て、ナノチューブ構造のナノスケール製造のための、ナノ機械的設備に組み込んでもよい。ナノ機械は、ＳＷＮＴおよび／またはＭＷＮＴで構築されてもよく、そこでは、ギアの歯が、ナノチューブ構造に結合した原子および／または分子および／または他のフラーレン構造につながり、かつ、それらを含んでいてもよい。ナノ構造がナノ接合を有するより複雑なナノデバイスの構築に物理的に加われるように、ナノ機械の製作もまたナノ接合を含んでもよい。
【０１０５】
窒化炭素または窒化ホウ素ナノチューブ等のナノチューブまたはあらゆる他のタイプのナノチューブ構造は、ナイロン、セルロース、タンパク質、またはヘミセルロース型物質等の有機および／または非有機分子の使用を組み入れてもよい、本発明のシステムおよび方法に従って構築されてもよい。１つの具体例において、本発明は、用途特異的な多様性が、タンパク質、有機分子、無機分子、グラフェン、ポリマー、金属、金属酸化物、金属窒化物、炭素、窒素、水素、酸素、セラミックスまたはあらゆる原子およびそのあらゆる組み合わせ等の、原子および／または分子のあらゆる組み合わせから構築され得る、ナノチューブ創出の調節可能なアプローチを提供する。そのような新しい構造により、独特の物理的、化学的および電気的特性が提供される。
【０１０６】
本発明の１つの具体例に従って製造されるナノチューブは、所与の用途、例えば、次世代の光源および／またはコンピュータ処理および／またはメモリシステムおよび／またはネットワーク・アーキテクチャ、および高画質ディスプレイを、加工および／または産生する、高温超伝導電気ワイヤー、電子計算および記憶システム、太陽電池、燃料電池、光子ナノチューブに有用な、特定の分子および／または原子を内包するように特注することができる、中空の導管（チャネル）を提供する。また、本発明の１つの具体例に従って作られたナノチューブは、バイオセンサーおよび薬物送達システム、腱または靭帯修復、神経修復、骨修復、眼修復、聴覚修復および総合的補綴学等の次世代の医学的用途、および、病気治療から光学式情報記憶および計算のためのプラスチック等の工業生産にわたる分野の多数の用途にも関連して使用され得る。
【０１０７】
本発明のシステムおよび方法は、本発明の物質の産出がナノスケール、マイクロスケール、ミリスケール、メゾスコピック、および／またはマクロ的製造方法を可能にして、ナノチューブ構造を製造される種々の目的物に組み入れることによってナノチューブの優位点およびユニークな性能を取り込む、現在の製造方法の効果を増強することも可能である。
【０１０８】
さらに、本発明のカーボンナノチューブはマクロ構造中に取り込まれて、構造的完全性を増し、かつマクロ構造の検出を可能にすることが発見された。例えば、これらのナノチューブが橋、ビル、船舶、航空機、線路および道路、宇宙船構造および展開物、航空電子工学および電子工学、高速惑星ネットワーク、宇宙電力および推進システム、および道路中に存在することで、構造的完全性が高められたことに加えて、ストレスや磨耗が示唆され得る。本発明のナノチューブは、車、バス、トラック、自転車、タイヤ、またはあらゆる部品または構成材、または繊維製品等のより小さいマクロ物体に適用してもよく、これらはカーボンナノチューブで強化されて構造的完全性が増強され、かつ検知能力が得られる可能性がある。
【０１０９】
本発明の１つの具体例において、入力トルクの適用によってナノチューブ構造の形成方法が開始かつ維持され得るような方法で構築された、複数の供給ローラー、切断ローラーおよび形成ローラーに機械類を載せてもよいことに注目すべきである。
【０１１０】
ナノチューブの設計についての関心事は、原子間の共有結合の破壊である。これを達成するために、機械的手段が提供されてもよく、それによって、供給シート物質の共有結合がせん断または破壊されるように、ローラーが変形して供給シート物質を挟むことが可能である。その後、切断ローラーを使用して、シートを所望の幅に切断し、図１において点３で示される通りの管の形状に部分的に形成されてもよい。
【０１１１】
物体を製造するために現在使用される製造システムの組み合わせに加えて、上述の具体例のあらゆる組み合わせを使用してもよく、従って、上述の具体例および要すれば具体例の組み合わせにおいて使用され得る、本発明に従って製造されるナノチューブ構造の有利な特徴によって、現在のマクロ的製造システムの効果が増し、有用性が助長され、かつ、該物体の関連する性能レベルが向上する。
【０１１２】
本発明の例示的具体例を述べたが、本発明はこれらの具体例に制限されない。修飾が可能であり、修飾が以下の特許請求の範囲に規定される通りの本発明の範囲内に包含され得ることは、当業者は容易に理解するであろう。手段と機能による項が用いられる特許請求の範囲において、列挙される機能と、構造的等価物だけではなく等価構造をも実施する通り、修飾がここで述べた構造的概念に及ぶことが意図される。
【０１１３】
好ましい具体例の文脈においてここで上述した通りの本発明の方法は、その与えられた詳細の全てに限定されると解するべきではない。本発明の精神および範囲を逸脱することなく、その修飾および変形物が可能である。例えば、より広い様相における本発明の原理は、ここに述べた通り製造されたナノチューブ構造の使用を組み込むマクロ物体の製造のための、他の製造システムに適用することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【０１１４】
【図１Ａ】図１Ａは、本発明に従って、漸次チューブに形成される物質の、１原子の厚さのシートの図である。
【図１Ｂ】図１Ｂは、本発明の１つの具体例に従って、ナノチューブ構造を製造する１つの可能なシステムの全体図を示す。
【図２Ａ】図２Ａは、図１Ｂで示したシステムに関連して使用するローラーの例の断面図を示す。
【図２Ｂ】図２Ｂは、図１Ｂで示したシステムに関連して使用するローラーの、他の例の断面図を示す。
【図３】図３は、図１Ｂで示したシステムに関連して使用する一組の切断ローラーの断面図であって、ローラー間の接触点の前の図である。
【図４】図４は、図３に示す切断ローラーの断面図であって、ローラー間の接触点での図である。
【図５】図５は、ナノチューブ構造を形成する１段階の間に、図１Ｂのシステムに関連して使用する、一組の形成ローラーの断面図である。
【図６】図６は、ナノチューブ構造を形成する別の段階の間に使用する、別の一組の形成ローラーの断面図である。
【図７】図７は、図１Ｂのシステムに関連して使用する、代わりの一組の形成ローラーの断面図である。
【図８】図８は、ナノチューブ構造を形成する別の段階の間に使用する、別の一組の代わりの形成ローラーの断面図である。
【図９】図９は、本発明の１つの可能な具体例に従って、ナノチューブ構造を製造する別のシステムを示す。
【図１０Ａ】図１０Ａは、図９に示したシステムに関連して使用する一組の切断ローラーの断面図であって、ローラー間の接触点の前の図である。
【図１０Ｂ】図１０Ｂは、図１０Ａの切断ローラーに関連して使用される、モールド成形物の図である。
【図１１Ａ】図１１Ａは、図９に示す切断ローラーの断面図であって、ローラー間の接触点での図である。
【図１１Ｂ】図１１Ｂは、図１１Ａの管２０Ａ〜２０Ｅの形成において結合されるストリップ（細長い一片）の断面図または拡大図である。
【図１２】図１２は、本発明のシステムに関連して使用する、種々のギアシステムの例を示す。
【図１３】図１３は、本発明のシステムに関連して使用する、種々のギアシステムの別の例を示す。
【図１４】図１４は、第１相における、本発明の１つの具体例に従った刻印装置の断面図である。
【図１５】図１５は、第２相における図１４の装置の断面図である。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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