(57)【要約】  化学蒸着（ＣＶＤ）を用いてナノ構造を合成するためのシステムが提供される。該システムは、ハウジンングと、ハウジング内の多孔質基板と、該基板の下流面上における複数の触媒粒子とを含む。多孔質基板を通過する反応ガスとの相互作用により、該触媒粒子からナノ構造が合成され得る。成長中のナノ構造を支持させる電界を発生させるため、電極が設けられ得る。伸長した長さのナノ構造を合成するための方法も提供される。ナノ構造は、熱導体、ヒートシンク、電動機用の巻線、ソレノイド、変圧器、織物製造用、甲冑、並びに他の用途に有用である。【特許請求の範囲】
【請求項１】
ナノ構造の合成のためのシステムであって、
第１端部と、反対側の第２端部と、第１及び第２端部間に延びる通路とを有するハウジングと、
ハウジングの前記通路内に位置付けられる、上流面と下流面を有する多孔質基板と、
前記基板の下流面に堆積させられる複数の触媒粒子であって、反応ガスとの相互作用により該触媒粒子からナノ構造が合成され得る該触媒粒子と、
ナノ構造が特定の温度範囲内で合成される環境を維持するのに十分なエネルギーを発生させるため、基板の周囲に配置される加熱機構と、
ハウジングの各端部を覆う一組のフランジと、
ハウジングの第１端部を覆うフランジを横切って配置される入口であって、該入口を通って反応ガスが多孔質基板へと向けられ得る該入口とを備えたシステム。
【請求項２】
排出口を更に含み、該排出口を通って、基板から流れる反応廃棄物が除去され得る請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記ハウジングは、強固で実質的にガス不浸透性の材料から成る請求項１に記載のシステム。
【請求項４】
前記材料は実質的に耐食性である請求項３に記載のシステム。
【請求項５】
前記材料は石英である請求項３に記載のシステム。
【請求項６】
前記基板は、該基板がその構造的一体性を維持することを可能にするため、上流面と下流面との間の圧力差が十分に小さくなり得る程十分多孔性である請求項１に記載のシステム。
【請求項７】
前記基板は、約０．５ｎｍ〜約５００ミクロンの孔径が与えられた材料から成る請求項１に記載のシステム。
【請求項８】
前記基板は、約１０％〜約９５％の空隙率を有する材料から成る請求項１に記載のシステム。
【請求項９】
前記基板は、カーボンフォーム、ガラス質炭素、シリカ、アルミナ、シリカでコーティングしたアルミナ、ジルコニア、ゼオライト、焼結チタン、チタニア、マグネシア、イットリア、銅、鉄、鉄ニッケル、鉄コバルト、コバルト、鋼、炭化鉄、ニッケル、もしくはこれらの組合せを含む材料から成る請求項１に記載のシステム。
【請求項１０】
前記基板は、フォーム、チャネル板、フェルト、ウール、繊維、布、もしくはニードルのアレイのうちの一つである請求項１に記載のシステム。
【請求項１１】
前記触媒粒子は、基板の下流面にわたって実質的に均等に分散される請求項１に記載のシステム。
【請求項１２】
前記触媒粒子は、鉄、ニッケル、コバルト、酸化鉄、酸化ニッケル、酸化コバルト、硫酸金属塩、スルファミン酸金属塩、酢酸塩、クエン酸塩、シュウ酸塩、亜硝酸塩、硝酸塩、もしくはこれらの組合せを含む材料から成る請求項１に記載のシステム。
【請求項１３】
前記触媒粒子は、粒径が約１ｎｍ〜約５０ｎｍである請求項１に記載のシステム。
【請求項１４】
前記加熱機構は、成長環境の温度を約５００℃〜約１４００℃の範囲内に維持することができる請求項１に記載のシステム。
【請求項１５】
前記加熱機構から生じるエネルギーは、熱エネルギー、摩擦エネルギー、可視光量子もしくは他の種類の電磁放射、化学エネルギー、電気エネルギーもしくは電気化学エネルギー、マイクロ波放射、渦電流、もしくは超音波衝撃波、又は圧縮を含む請求項１に記載のシステム。
【請求項１６】
前記フランジは、実質的にガス不浸透性である請求項１に記載のシステム。
【請求項１７】
前記多孔質基板を収容するための管を更に含み、該管は、反応ガスのための前記入口から基板への通路を与えるため、ハウジングの通路内に位置付けられる請求項１に記載のシステム。
【請求項１８】
前記基板は、前記管内に位置付けられる請求項１７に記載のシステム。
【請求項１９】
前記管は、強固で実質的にガス不浸透性の材料から成る請求項１７に記載のシステム。
【請求項２０】
前記材料は石英である請求項１９に記載のシステム。
【請求項２１】
多孔質基板の上流の前記管の通路内に位置付けられる第１電極と、多孔質基板の下流の前記管の通路内に位置付けられる第２電極とを更に含む請求項１７に記載のシステム。
【請求項２２】
前記上流電極及び下流電極は、基板から成長するナノ構造に対して支持を与えるため、これら電極間に電界を発生させるように設計される請求項２１に記載のシステム。
【請求項２３】
前記上流及び下流電極は、基板から成長するナノ構造の成長方向を制御及び維持するため、これら電極間に電界を発生させるように設計される請求項２１に記載のシステム。
【請求項２４】
前記電極は、前記管内の反応ガスの該管を通る流れを許容する請求項２１に記載のシステム。
【請求項２５】
前記電極は、ナノ構造の成長に対して非反応性及び耐性を有する導電材料から成る請求項２１に記載のシステム。
【請求項２６】
前記電極が形成される材料は、黒鉛、銅、チタン、ガラス質炭素、これらの組合せ、もしくは、炭素ナノ構造の形成に対する触媒ではない他の導電材料を含む請求項２５に記載のシステム。
【請求項２７】
前記多孔質基板は、前記管の一端部における該管の外側面の周囲に配置され、
開放端部を有し、該開放端部を通じて多孔質基板を同心状に収容するために十分な寸法とされる管状電極と、
管状電強と基板との間に配置される複数のガイドであって、成長しているナノ構造が該ガイド上にわたって導かれ得る該ガイドとを更に含む請求項１７に記載のシステム。
【請求項２８】
前記多孔質基板は、電極となるように設計され、基板から成長するナノ構造に対して物理的な支持を与えるため、前記管状電極と共に、該多孔質電極と管状電極との間に電界が発生させられ得るようにされる請求項２７に記載のシステム。
【請求項２９】
前記基板及び管状電極は、基板から成長するナノ構造の成長の方向を制御及び維持するため、基板と管状電極との間に電界を発生させるように設計される請求項２７に記載のシステム。
【請求項３０】
前記基板は、ガラス質炭素、多孔質チタニア、多孔質ジルコニアもしくは焼結チタン粉末を含む導電材料から成る請求項２７に記載のシステム。
【請求項３１】
前記基板は、銅、酸化すず、チタニア、チタンを含む導電材料がコーティングされた不活性材料から成る請求項２７に記載のシステム。
【請求項３２】
前記管状電極は、回転可能で、かつ、成長しているナノ構造を基板に沿って引くように、基板を覆う該管状電極の位置から後退可能である請求項２７に記載のシステム。
【請求項３３】
前記ガイドは、基板周囲に配置される一連の複数のリングを含む請求項２７に記載のシステム。
【請求項３４】
前記ハウジングの第１端部を覆うフランジを横切って配置される第２入口を更に含み、該第２入口を通って排出ガスが、ハウジング内の反応廃棄物を移動させて除去するため、ハウジングの前記通路内へと向けられ得る請求項１に記載のシステム。
【請求項３５】
ナノ構造の合成のための基板であって、
上流面と下流面を有する多孔質本体と、
該本体の下流面に堆積させられる複数の触媒粒子であって、該触媒粒子からナノ構造が合成され得る該触媒粒子とを備え、
前記多孔質本体は複数の通路を提供し、該通路を通って、反応ガスが上流面を横切り下流面から出るように進行して、触媒粒子からのナノ構造の成長を開始させ得る基板。
【請求項３６】
前記本体は、該本体がその構造的一体性を維持することを可能にするため、上流面と下流面との間の圧力差が十分に小さくなり得る程十分多孔性である請求項３５に記載の基板。
【請求項３７】
前記本体は、約０．５ｎｍ〜約５００ミクロンの孔径が与えられた材料から成る請求項３５に記載の基板。
【請求項３８】
前記本体は、約１０％〜約９５％の空隙率を有する材料から成る請求項３５に記載の基板。
【請求項３９】
前記本体は、カーボンフォーム、ガラス質炭素、シリカ、アルミナ、シリカでコーティングしたアルミナ、ジルコニア、ゼオライト、焼結チタン、チタニア、マグネシア、イットリア、銅、鉄、鉄ニッケル、鉄コバルト、コバルト、鋼、炭化鉄、ニッケル、もしくはこれらの組合せを含む材料から成る請求項３５に記載の基板。
【請求項４０】
前記本体は、フォーム、チャネル板、フェルト、ウール、繊維、布、もしくはニードルのアレイのうちの一つである請求項３５に記載の基板。
【請求項４１】
前記触媒粒子は、基板の下流面にわたって実質的に均等に分散される請求項３５に記載の基板。
【請求項４２】
前記触媒粒子は、鉄、ニッケル、コバルト、酸化鉄、酸化ニッケル、酸化コバルト、硫酸金属塩、スルファミン酸金属塩、酢酸塩、クエン酸塩、シュウ酸塩、亜硝酸塩、硝酸塩、もしくはこれらの組合せを含む材料から成る請求項３５に記載の基板。
【請求項４３】
前記触媒粒子は、粒径が約１ｎｍ〜約５０ｎｍである請求項３５に記載の基板。
【請求項４４】
ナノ構造を合成するための方法であって、
上流面と下流面を有する多孔質基板を準備する工程と、
前記基板の下流面上に複数の触媒粒子を堆積させる工程と、
反応ガスの流れを、基板の上流面を横切り下流面を通るように誘導する工程と、
構成原子を発生させるため、触媒粒子の周りで反応ガスを分解させる工程と、
触媒粒子からのナノ構造の合成のため、触媒粒子に対する及び触媒粒子上への構成原子の拡散を許容する工程とを含む方法。
【請求項４５】
前記準備工程は、反応ガスが基板を通って流れる際、該基板が構造的一体性を維持することを可能にするため、前記上流面と下流面との間の圧力差が十分に小さくなり得るように、十分な多孔性を基板を生成する工程を含む請求項４４に記載の方法。
【請求項４６】
前記準備工程において、前記基板は、カーボンフォーム、ガラス質炭素、シリカ、アルミナ、シリカでコーティングしたアルミナ、ジルコニア、ゼオライト、焼結チタン、チタニア、マグネシア、イットリア、銅、鉄、鉄ニッケル、鉄コバルト、コバルト、鋼、炭化鉄、ニッケル、もしくはこれらの組合せを含む材料から成る請求項４４に記載の方法。
【請求項４７】
前記準備工程において、前記基板は、フォーム、チャネル板、フェルト、ウール、繊維、布、もしくはニードルのアレイのうちの一つである請求項４４に記載の方法。
【請求項４８】
前記堆積工程は、触媒粒子溶液の沈殿、ボールミリング、スパッタリング、電気化学的還元もしくは原子化のうちの一つによって基板上に触媒粒子を直接堆積させる工程を含む請求項４４に記載の方法。
【請求項４９】
前記堆積工程は、溶液から析出させられかつ基板上へと乾燥させられた金属塩の化学還元を含む請求項４４に記載の方法。
【請求項５０】
前記堆積工程は、懸濁液から析出させられかつ基板上へと乾燥させられた粒子の還元を含む請求項４４に記載の方法。
【請求項５１】
前記堆積工程は、溶液から析出させられかつ基板上へと乾燥させられた金属塩の熱還元を含む請求項４４に記載の方法。
【請求項５２】
前記堆積工程は、基板の下流面にわたって触媒粒子を実質的に均等に分散させる工程を含む請求項４４に記載の方法。
【請求項５３】
前記堆積工程において、触媒粒子は、鉄、ニッケル、コバルト、酸化鉄、酸化ニッケル、酸化コバルト、硫酸金属塩、スルファミン酸金属塩、酢酸塩、クエン酸塩、シュウ酸塩、亜硝酸塩、硝酸塩、もしくはこれらの組合せを含む材料から成る請求項４４に記載の方法。
【請求項５４】
強磁性粒子の場合、前記堆積工程は、多孔質基板にわたって実質的に均等に強磁性粒子に間隔をあけるため、多孔質基板の下流面に対する法線方向に強さが約０．５Ｔよりも大きい磁界をかける工程を含む請求項５３に記載の方法。
【請求項５５】
前記堆積工程において、触媒粒子は、粒径が約１ｎｍ〜約５０ｎｍである請求項４４に記載の方法。
【請求項５６】
前記誘導工程は、反応ガスの流量を制御する工程を含む請求項４４に記載の方法。
【請求項５７】
前記誘導工程は、前記ガスが、基板の下流面から出た後、成長しているナノ構造に支持を与えるように、該成長しているナノ構造を流れ過ぎることを許容する工程を含む請求項４４に記載の方法。
【請求項５８】
前記誘導工程は、反応ガスを基板へと誘導する前に反応ガスに炭素含有源を付加する工程を含む請求項４４に記載の方法。
【請求項５９】
前記付加工程において、炭素含有源は、エタノール、メタン、メタノール、エチレン、アセチレン、キシレン、一酸化炭素、もしくはトルエンを含む請求項５８に記載の方法。
【請求項６０】
反応廃棄物を移動させて除去するために排出ガスを導入する工程を更に含む請求項４４に記載の方法。
【請求項６１】
前記分解工程は、約５００℃〜約１４００℃のエネルギーを発生させる工程を含む請求項４４に記載の方法。
【請求項６２】
前記エネルギー発生工程において、エネルギーは、熱エネルギー、摩擦エネルギー、可視光量子もしくは他の種類の電磁放射、化学エネルギー、電気エネルギーもしくは電気化学エネルギー、マイクロ波放射、渦電流、もしくは超音波衝撃波、又は圧縮を含む請求項６１の方法。
【請求項６３】
前記許容工程は、反応ガスの流れに実質的に平行な方向にナノ構造を成長させる工程を含む請求項４４に記載の方法。
【請求項６４】
前記許容工程は、反応ガスの流れに対して実質的に放射状の方向にナノ構造を成長させる工程を含む請求項４４に記載の方法。
【請求項６５】
前記許容工程は、特定の長さまでナノ構造を成長させる工程を含む請求項４４に記載の方法。
【請求項６６】
前記成長工程において、前記特定の長さは少なくとも１ｃｍである請求項６５に記載の方法。
【請求項６７】
前記成長工程において、前記特定の長さは少なくとも１ｍである請求項６５に記載の方法。
【請求項６８】
ナノ構造の直線性に寄与するように、ナノ構造が基板から成長する際にナノ構造に支持を与えるため、約５ｋＶ／ｍ〜約１０００ｋＶ／ｍの強さを有する静電界を発生させる工程を更に含む請求項４４に記載の方法。
【請求項６９】
ナノ構造の直線性に寄与するように、ナノ構造が基板から成長する際にナノ構造に支持を与えるため、約０．１Ｔ〜約２０Ｔの大きさを有する磁界を発生させる工程を更に含む請求項４４に記載の方法。
【請求項７０】
ひとたびナノ構造が所望の長さに成長したら、該ナノ構造を収集する工程を更に含む請求項４４に記載の方法。
【請求項７１】
プリズム状構造を合成するための方法であって、
その上で複数の触媒線が作り出され得る面を準備する工程と、
プリズム状構造がそこから合成され得る設計パターンを形成するため、前記面上に前記触媒線を発生させる工程と、
反応ガスの流れを、前記面上の設計パターンにおける触媒線に向ける工程と、
構成原子を発生させるため、触媒線の周りで反応ガスを分解させる工程と、
プリズム状構造の合成のため、設計パターンにおける触媒線上への構成原子の拡散を許容する工程とを含む方法。
【請求項７２】
前記許容工程は、前記設計パターンと一致するベースパターンを有するプリズム状構造を成長させる工程を含む請求項７１に記載の方法。
【請求項７３】
前記触媒線発生工程において、前記設計パターンは、三角形、正方形、長方形、六角形、周期的タイル張りパターン、ペンローズもしくはケプラー非周期的タイル張りパターン、ランダムタイル張りパターン、又は他の空間タイル張りパターンを含む請求項７１に記載の方法。
【請求項７４】
前記触媒線発生工程は、約０．２ｎｍ〜約５０ｎｍの測定幅を有する連続的な触媒線を発生させる工程を含む請求項７１に記載の方法。
【請求項７５】
前記触媒線発生工程において、触媒線の設計パターンはベースを与え、該ベースからグラフェンシートが集められ得る請求項７４に記載の方法。
【請求項７６】
前記触媒線発生工程において、設計パターンは、約０．２ｎｍ〜約５０ｎｍの測定幅及び約２０ｎｍ〜約１０００ｎｍの線間の測定間隔距離を有する触媒線を含む請求項７５に記載の方法。
【請求項７７】
基板から成長するナノ構造を収集するための方法であって、
ナノ構造がその周囲に集められ得る円筒面を準備する工程と、
遅く成長するナノ構造の速度に合致するように、前記円筒面が回転し得る速度を制御する工程と、
基板から成長するナノ構造を、速く成長するナノ構造を円筒面における波状の経路に吸収するのに十分大きい振幅で前記円筒面の軸線と平行に振動させる工程と、
前記遅く成長するナノ構造を円筒面の円周方向軌跡に置く一方、前記速く成長するナノ構造を最大振幅の波状の軌跡に置く工程とを含む方法。
【請求項７８】
前記振動工程は、ナノ構造を適切に振動させるために力を適用する工程を含む請求項７７に記載の方法。
【請求項７９】
前記適用工程において、前記力は、静電気力、磁気力、ガスの動的な力、接触力、もしくはこれらの組合せを含む請求項７８に記載の方法。
【請求項８０】
使用のために前記ナノ構造を巻き出す工程を更に含む請求項７７に記載の方法。
【請求項８１】
請求項６５に記載される複数のナノ構造を含む繊維材料。
【請求項８２】
熱管理用途で使用するための請求項８１に記載の材料。
【請求項８３】
請求項８１に記載の繊維材料を含む熱導体。
【請求項８４】
請求項８１に記載の繊維材料を含む、電動機用の低渦電流低抵抗巻線。
【請求項８５】
請求項８１に記載の繊維材料を含む、高周波ソレノイド用の低渦電流低抵抗巻線。
【請求項８６】
請求項８１に記載の繊維材料を含む、高周波変圧器用の巻線。
【請求項８７】
請求項８１に記載の繊維材料を含む、織物。
【請求項８８】
請求項８１に記載の繊維材料を含む防護甲冑もしくは防護衣。
【請求項８９】
請求項８１に記載の繊維材料を含むロープもしくはケーブル。
【請求項９０】
請求項８１に記載の繊維材料を含む糸。
【請求項９１】
請求項８１に記載の繊維材料を含むヒートシンク。
【請求項９２】
請求項８１に記載の繊維材料を含む高強度低渦電流低抵抗送電線。
【請求項９３】
請求項７１の少なくとも一つのプリズム状構造を含む材料。
【請求項９４】
熱管理用途で使用するための請求項９３に記載の材料。
【請求項９５】
請求項９３に記載の材料を含むヒートシンク。
【請求項９６】
カーボンナノチューブをパッキングするための方法であって、
請求項４４に記載のナノチューブを発生させる工程と、
該ナノチューブを、フルフリルアルコール、エポキシ樹脂又はＲｅｓｏｌのうちの一つでコーティングする工程と、
該コーティングされたナノチューブをパッキングのための束に配列する工程とを含む方法。
【請求項９７】
結合されたグラフェン面のアレイから形成される少なくとも一つのプリズム状構造を含む材料。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ナノ構造の合成に関し、更に詳しくは、そのようなナノ構造の合成のための化学蒸着（ＣＶＤ）の使用に関する。
【背景技術】
【０００２】
カーボンナノチューブは、かねてから知られている。カーボンナノチューブを開示する文献例は、J. Catalysis，３７，１０１（１９７５年）；Journal of Crystal Growth３２，３５（１９７６年）；「Formation of Filamentous Carbon（フィラメント状カーボンの形成）」、Chemistry of Physics of Carbon、Philip L. Walker, Jr.及びPeter Thrower編集、１４巻、New York及びBasel所在のMarcel Dekker株式会社、１９７８年；及び、１９８４年１２月６日付け発行の米国特許第４，６６３，２３０号を含む。カーボンフィラメント状材料におけるより最近の関心は、類似材料を記述するNature３５４、５６（１９９１年）のSumio Iijimaによる論文が刺激した。これら初期の研究、及びこれらの研究から発展した研究作業は、注目すべき機械的及び電子的特性を有する材料をもたらした。しかしながら、それらの研究が作り出したナノチューブは短く、複合材料の補強用に限定され、ここでは、チューブからチューブへの良好な荷重（負荷）伝達を得るため、より長いチューブが必要であり得る。
【０００３】
長いカーボンナノチューブのいくつかの報告が上記文献に現れ、これによれば、ナノチューブは化学蒸着（ＣＶＤ）法により成長させられる。一般に、ＣＶＤを用いる二つの成長モードがある。「先端成長」において、ナノチューブは、炭素のための供給原料としての役割を果たす反応ガス中に浮遊する触媒粒子から成長させられ得る。このアプローチにおいて、もしナノチューブが基板に結合されるなら、上記触媒粒子は、ナノチューブが成長する際、基板から遠くへと移動する。あるいは、触媒粒子は、該粒子から二方向に成長するナノチューブ繊維に埋め込まれ得る。第２のモード「ベース成長」において、触媒粒子自体は基板に結合され、また、この粒子から成長するナノチューブ繊維は長さが伸びる。ベース成長は、一般に、固体（中実）非多孔（無孔）質基板上で行われる。従って、供給原料ガスの触媒粒子への拡散は、基板上での触媒粒子の収集からナノチューブ繊維の森が成長するので、制限されるようになり得る。該成長する繊維の森は、触媒ベースに対するガス流の障害を作り出し得、また、ナノチューブの長さを結局は制限し得る。これらの技術によって成長したナノチューブの長さは、一般に、約１００ミクロン〜５００ミクロンである。
【０００４】
更に、カーボンナノチューブとは異なり、周期的な又は非周期的な（カーボン）プリズム状（柱状）構造の成長については、ほとんど知られていない。おそらく触媒の特殊な形状の領域によってパターン化された、「角（ホーン）」に類似するカーボン構造はＳＥＭ画像において観察された。それにもかかわらず、設計（デザイン）されたパターンからの連続的なグラフェン（グラフ）壁を有するプリズム状構造の合成は可能ではなかった。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従って、ナノ構造に対する汚染が最小で、ナノ構造の長さに実質的に制限がなく、また、ナノ構造の形状が明確にパターン化され得る、伸長した長さのナノ構造を合成することが望まれるであろう。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、ある実施形態において、ナノ構造を合成するためのシステムを提供する。該システムは、第１端部と、反対側の第２端部と、第１及び第２端部間に延びる通路とを有するハウジングを含む。該システムはまた、ハウジングの通路内に位置付けられる多孔質基板（多孔質基材）を含み、多孔質基板は上流面と下流面を有する。複数の触媒粒子が基板の下流面上に設けられ得、該触媒粒子から、反応ガスとの相互作用によりナノ構造が合成され得る。加熱機構が、ナノ構造が合成され得る環境を維持するために十分なエネルギーを発生させるため、基板の周囲に配置され得る。一組のフランジが設けられ得る。各フランジは、ハウジングの一端部を覆う（キャップする）。反応ガスを多孔質基板へと導入するため、入口が、ハウジングの第１端部を覆うフランジを横断して配置され得る。反応廃棄物を排出するため、排出口が、ハウジングの第２端部を覆うフランジを横断して設けられ得る。一実施形態において、多孔質基板を収容するため、管が、ハウジングの通路内に設けられ得る。更に、成長中のナノ構造を支持させる電界を発生させるため、一組の電極が該電極間に基板が位置付けられるように設けられ得る。あるいは、一つの電極が、基板を同心状に該電極内に収容するように設けられ得る。この実施形態において、基板は、第２電極として機能し得る。成長したナノ構造を収集するための機構も設けられ得る。
【０００７】
本発明はまた、一実施形態において、ナノ構造の合成のための基板を提供する。基板は、上流面及び下流面を有する多孔質本体を含む。基板は、該基板（多孔質本体）の下流面上に堆積（付着もしくは蒸着）させられた複数の触媒粒子を更に含み、該触媒粒子からナノ構造が合成され得る。上記本体の多孔性は、触媒粒子からのナノ構造の成長を開始するため、反応ガスが上流面を横切って下流面から出るように進行する通路を提供する。基板には、一実施形態において、約０．５ｎｍ〜約５００ミクロンの孔径及び約１０％〜約９５％の空隙率が与えられ得る。基板上の触媒粒子は、約１ｎｍ〜約５０ｎｍである。
【０００８】
本発明は、一実施形態において、ナノ構造を合成するための方法を提供する。該方法は、上流面及び下流面を有する多孔質基板を準備する工程を含む。次に、複数の触媒粒子は、基板の下流面上に堆積させられる。一実施形態において、該粒子は、粒子溶液の沈殿（沈降もしくは析出）、ボールミリング、スパッタリング、電気化学的還元もしくは原子化のうちの一つによって基板上に直接堆積させられ得る。別の実施形態において、触媒粒子は、溶液から析出されかつ基板上へと乾燥させられた金属塩の化学的還元によって与えられ得る。更なる実施形態において、触媒粒子は、懸濁物から析出されかつ基板上へと乾燥させられた粒子の還元によって与えられ得る。更に別の実施形態において、触媒粒子は、溶液から析出されかつ基板上へと乾燥させられた金属塩の還元によって与えられ得る。堆積した触媒粒子は、ある実施形態において、基板の下流面にわたって実質的に均等に分散され得る。その後、反応ガスの流れが、基板の上流面を横切り、下流面を通過するように誘導され得る。反応ガスは、その後、構成原子を発生させるため、触媒粒子の周りで分解することが許容され得る。該原子は、次に、触媒粒子からのナノ構造の合成のため、触媒粒子上へと拡散することを許容され得る。該方法はまた、成長中のナノ構造を支持するため、電極から発生させられる電界を与え、また、反応廃棄物を除去するための排出ガスの供給も与える。
【０００９】
別の実施形態において、本発明は、プリズム状（柱状）構造を合成するための方法を提供する。該方法は、複数の触媒線がその上で作り出され得る面を準備する工程を含む。次に、触媒線は、設計（デザインされた）パターンを形成するように、上記面上に生成させられ得、該設計パターンからプリズム状構造が合成され得る。その後、反応ガスの流れが、設計パターンの触媒線に向けられ得る。反応ガスは、次いで、構成原子を発生させるため、触媒線の周りで分解させられ得る。構成原子の拡散は、次に、プリズム状構造の合成のため、触媒線上へと許容される。拡散が生じる際、平面カーボンナノ構造（すなわちグラフェン面）は、触媒線がパターン化された該面の方向に対して垂直な方向に、触媒の上記線から自己集合を始める。触媒線の結合部（接合部）は、グラフェン面間の結合部を形成し、また、試薬ガスが触媒線に連続的に供給される限り、プリズム状構造の連続的な成長が生じ得ることに留意するべきである。
【００１０】
ナノ構造を収集（回収）するため、本発明の一実施形態に従う方法が更に提供される。該方法は、その周囲にナノ構造が集められ得る円筒（円柱）面を準備する工程を含む。円筒面が回転する際、円筒面が動く速度は、遅く成長するナノ構造の速度に合うように制御され得る。次に、基板から成長するナノ構造は、円筒面の軸線と平行に振動する（周期性を持って揺れ動く）ようにされる。該振動の振幅は、円筒面上の波状の経路上に速く成長するナノ構造を吸収する（収容するもしくは収める）程十分大きい。その後、該遅く成長するナノ構造は、円筒面の円周方向軌跡に置かれ得る一方、該速く成長するナノ構造は、最大振幅の波状軌跡に置かれ得る。
【００１１】
本発明はまた、複数の結合されたグラフェン面から形成された少なくとも一つのプリズム状構造を含む材料、及び、種々の商業的用途におけるナノ構造及びプリズム状構造の利用を提供する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
本発明は、一実施形態において、化学蒸着（ＣＶＤ）の使用を通じたナノ構造の合成に向けられる。特に、炭素含有ガスは、多孔質基板の一面を通って、該基板の反対側の面に堆積（析出）される触媒ナノ粒子に向けられ得、そして、該触媒ナノ粒子から、伸長した長さのナノ構造を連続的に成長させる。
【００１３】
図１を参照すれば、伸長した長さのナノ構造の合成のためのシステム１０が示される。システム１０は、一実施形態において、両端部１１１及び１１２と、両端部１１１及び１１２間に延びる通路１１３とを有するハウジング１１を含む。内部に伸長した長さのナノ構造が生じ得る管１２は、ハウジング１１の通路１１３内に位置付けられ得る。図１に示すように、管１２の一端部１２１は、ハウジング１１の端部１１１と位置がぴったり合うように配置され得、他方、管１２の他端部１２２は、ハウジング１１の端部１１２に向かって延びる。ハウジング１１及び管１２は、温度、ガス反応性環境及び他の成長条件の変動に耐えなければならないので、ハウジング１１及び管１２は、実質的に腐食に耐える、強固な、実質的ガス不浸透（不透過）性材料から製造され得る。ある実施形態において、ハウジング１１及び管１２は石英から成り得る。もちろん、ハウジング１１及び管１２がガスに対し不浸透性のままで、かつそれらの非反応性の性質を維持し得る限り、他の材料も使用され得る。また、円筒形状に例示されるが、ハウジング１１及び管１２には、どのような幾何学的断面でも与えられ得る。
【００１４】
システム１０は、多孔質基板（基板本体）１３を更に含む。図２に例示されるように、基板１３は、触媒粒子２１上に、すなわち、伸長した長さのナノ構造（体）２２の合成のために、堆積されていることがあり得る（例えば球形もしくは細長い形状）。多孔質基板１３は、一実施形態において、管１２内に端部１２２に向かって堆積され得る。これは、伸長ナノ構造２２の合成の間、炭素含有ガス（すなわち反応ガス）が基板１３の上流面１３１を横切り下流面１３２を通って出るように導かれ得るようにするためである。従って、基板１３は、合成プロセス中、基板１３の構造的一体性を維持するため、上流面１３１と下流面１３２間の圧力差が実質的に小さくなり得るように十分な多孔性（浸透性もしくは通気性）を有する材料から製造され得る。一実施形態において、基板１３は、管１２の内部を補完する（ぴったり合う）円筒形状であり得、また、基板１３には、約０．５ｎｍ（ナノメートル）〜約５００ミクロン、好ましくは約２０ｎｍ〜約２０００ｎｍの孔径が与えられ得る。更に、基板１３は、約１０％〜約９５％、好ましくは約５０％〜約９０％の空隙率を有し得る。あるいは、基板１３は、伸長ナノ構造２２の合成のために管１２内に保持できる限り、どのような幾何学的形状であってもよい。
【００１５】
以下の議論は基板１３が配置された管１２の使用に関するものであるが、システム１０は、管１２を用いることなく実行され得ることが認識されるべきである。図２に例示されるようなシステム３０において、基板３１は、ハウジング３３の通路３２内に位置付けられ得る。
【００１６】
基板１３は、面、例えば下流面１３２を与え得る。該面上に触媒粒子２１が堆積され得、基板１３は、触媒粒子が確実に結合する材料から好ましく成り得る。そのような材料の例は、カーボン（炭素）フォーム（発泡体）、ガラス質カーボン（炭素）フォーム、多孔質シリカ、シリカで被覆した多孔質アルミナ、多孔質ジルコニア、多孔質ジルコニア、ゼオライト、焼結チタン粉末、もしくはこれらの組合せを含む。あるいは、基板材料は、鋼、鉄もしくはコバルトから形成したウール、シリカ、アルミナ、イットリア、ジリコニア等から形成したフェルトもしくはフォーム、鉄箔、繊維、布、又は、陽極処理アルミニウムから形成した多孔質アルミナを含み得る。
【００１７】
多孔質基板１３はまた、本発明の別の実施形態において、マイクロスケール及び／又はナノスケールの（複数）チャネルを含む板（図示せず）であり得、該チャネルを通って反応ガスが導かれ得る。そのような板は、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｃｏもしくはこれらの組合せ等の触媒金属から成り得、チャネルは、技術的に知られている方法、例えば電気化学放電もしくは電気放電ミリングにより、該板を通じて機械で作られる。一実施形態において、そのような板は、唯一の化学的に活性な面が触媒材料の上記チャネルとなるように、上流面及び下流面が不活性材料、例えば、Ｃｕ、Ｔｉ、Ｓｉ、アルミニウムもしくはシリカで被覆され得る。あるいは、該板自体が不活性材料、例えば、Ｃｕ、Ｔｉ、Ｓｉ、アルミニウムもしくはシリカであり得、また、化学的に活性な材料、例えば、Ｆｅ、ＮｉもしくはＣｏから成る薄い層が、電気化学的相互作用、物理的蒸着もしくはスパッタリングによってチャネルの線を作り得る。
【００１８】
基板１３は、更なる実施形態において、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏもしくはこれらの組合せから成るニードル（針）のアレイ（配列）であり得る。
【００１９】
触媒粒子及び基板材料のある組合せ、例えば鉄・オン・アルミナは、例えば、硫黄等の結合剤が基板１３に対する触媒粒子の結合を促進するために使用され得る。この目的のため、硫酸鉄アンモニウム等の化合物が、硫黄を鉄−アルミナ系へと導入する触媒源として使用され得る。ニッケルもしくはコバルトと組み合わされた硫黄を含む同様の化学物質も使用され得る。
【００２０】
他方、触媒粒子２１は、鉄、鉄合金、ニッケルもしくはコバルト、これらの酸化物、これらの合金、又は他の金属もしくはセラミックとの化合物等の材料から成り得る。あるいは、触媒粒子は、Ｆｅ3Ｏ4、Ｆｅ2Ｏ4もしくはＦｅＯ又はコバルトもしくはニッケルの同様の酸化物、又はこれらの組合せ等の金属酸化物から成り得る。
【００２１】
本発明の一実施形態によれば、約１ｎｍ〜約５０ｎｍの金属触媒粒子は、溶液からの粒子の沈殿（沈降もしくは析出）により、あるいは、ボールミリング、スパッタリング、電気化学的還元、原子化、もしくは技術的に知られている他の同様な金属粒子製造技術により基板１３上に直接堆積され得る。
【００２２】
あるいは、約１ｎｍ〜約５０ｎｍの金属触媒粒子は、溶液から堆積させられて基板１３上で乾燥させられた金属塩の化学的還元によって生じさせられ得る。金属塩、例えば、塩化鉄、硫酸鉄（ＦｅＳＯ4）、スルファミン酸鉄（ＦｅＮＨ2ＳＯ3）、硫酸鉄アンモニウム、及びニッケルもしくはコバルトの同様の塩等が用いられ得る。
【００２３】
本発明の別の実施形態において１ｎｍ〜約５０ｎｍの粒子は、懸濁（浮遊）から基板１３上へと析出（堆積）させられた粒子の還元によって生じさせられ得る。そのような粒子の例は、ＦｅＯ、Ｆｅ2Ｏ3及びＦｅ3Ｏ4等のナノ粒子酸化物を含む。
【００２４】
更なる実施形態において、熱還元（すなわちか焼）が、金属塩、例えば、酢酸鉄、クエン酸鉄、シュウ酸鉄等を高温で分解させて金属触媒粒子を残すために使用され得る。これらの塩はまた、水溶液から析出（堆積）させられ、乾燥させられ、次いで熱処理され得る。
【００２５】
上記各実施形態に関連して、もしも触媒粒子が、Ｆｅ、Ｎｉ、ＣｏもしくはＦｅ3Ｏ4等の強磁性粒子の堆積から形成される場合、強度が約０．５Ｔより大きい磁界の、多孔質基板１３の下流面１３２に対する法線方向への適用が、多孔質基板１３にわたって実質的に均等に強磁性粒子２１に間隔をあけるために使用され得る。ひとたび触媒粒子が基板１３上に実質的に均等に分散したら、触媒粒子２１の更なる動きを防止するため、粒子２１を基板１３に結合することが必要となり得る。
【００２６】
再び図１を参照して、システム１０は、管１２内において、基板１３の上流の電極１４と基板１３の下流の電極１５とを更に含む。上流電極１４及び下流電極１５は、次の態様で配置される。すなわち、電界が、基板１３から成長しているナノ構造を支持すると共に、これらナノ構造が基板１３から長さが伸びる際、ナノ構造の成長方向を制御しかつ維持するように生じる得るような態様である。本発明は、成長するナノ構造に対する物理的支持機構として電極１４及び１５の使用を企図するが、本システム１０は、伸長ナノ構造の合成にこれらの電極を伴うことなく動作し得ることが理解されるべきである。
【００２７】
上流電極１４は、一実施形態において、管１２の内面に沿う配置のために管状形状であり得、また、端部１２１から基板１３へと延在し得る。他方、下流電極１５は、管１２の内部を補完する（ぴったり合う）円筒形状であり得、また、基板１３の下流に端部１２２に隣接して空間的に配置され得る。下流電極１５はまた、基板１３から出る反応ガスが電極１５を通過して管１２外へ出ることを可能にするように、多孔質であり得る。一実施形態において、下流電極１５は、約１００孔／インチの孔密度を含み得る。更には、基板１３と同様に、電極１５には、これが管１２内に保持され得る限り、どのような幾何学的形状も与えられ得る。
【００２８】
電極１４及び１５は、電解を発生させるために使用されるので、これらの電極は導電材料から形成され得る。更に、電極が形成され得る材料は、基板上における、ガスからの炭素析出の密度を高めるナノ構造の成長及びそれに続く触媒粒子でのナノ構造の成長に対して非反応性でかつ耐性（抵抗力）があるべきである。特に、電極１４及び１５におけるナノ構造の成長は、基板１３からの生産量を減らし得、また、ナノ構造を合成するための最適な状況を妨げ得る。この目的のため、電極１４及び１５が形成され得る材料は、黒鉛、銅、チタン、ガラス質炭素、もしくはこれらの組合せ、又は、カーボンナノ構造の形成に対する触媒ではない他の導体であり得る。
【００２９】
下流電極１５は基板１３と共に、ホルダー１６によって管１２内の所定の位置に固定され得る。ホルダー１６は、一実施形態において、図１から見て、電極１５及び基板１３に対して管１２の端部１２２を通じて挿入され得る。ホルダー１６の設計にかかわらず、ホルダー１６は、反応ガスが管１２の端部１２２を通って出ることを許容することができるべきであることが認識されるべきである。本発明の実施形態において、ホルダー１６は、アルミナ（アルミナ）−シリカセラミック材料から形成され得る。しかしながら、実質的に耐食性であるどのような強固な材料でも差し支えない。
【００３０】
システム１０は、特定の温度範囲でナノ構造を生じさせるための環境（すなわち成長環境）を維持するための加熱機構１７を更に含む。加熱機構１７は、一実施形態において、管１２の周囲に、ナノ構造がそこから成長し得る基板１３の下流面１３２にわたって（該面１３２を覆って）配置され得る。実質的に基板１３にわたって配置されるように図１に例示されるが、加熱機構１７は、基板１３の下流面１３２を実質的に覆って位置付けられる限り、管１２の長手に沿ってどこにでも配置され得ることが認識されるべきである。加熱機構１７は、一実施形態において、熱エネルギーを、上記成長環境へと供給し得る。従って、加熱機構１７は、実施形態において、ＮｉＣｒワイヤーから形成され得、また、一つの企図する実施形態において、２６ゲージＮｉＣｒワイヤーもしくは同様寸法のワイヤーから形成され得る。もちろん、他のどのような市販されている加熱機構も、ＮｉＣｒワイヤーに代えて使用され得る。更に、熱エネルギー以外に、成長環境に対し、例えば、摩擦エネルギー、可視光量子もしくは他の種類の電磁放射、化学エネルギー、電気エネルギー、もしくは電気化学エネルギー、マイクロ波放射、渦電流、超音波衝撃波もしくは圧縮をもたらし得る機構も使用され得る。
【００３１】
加熱機構１７が、ナノ構造の合成中、管１２内の温度環境を規定範囲内に保たなければならないので、例示はしないが、システム１０には、基板１３の下流面１３２に隣接する温度環境を監視するため、例えば加熱機構１７付近の管１２の外面上に熱電対が設けられ得る。実施形態において、基板１３に隣接する管１２内の温度環境の維持は、加熱機構１７周りの断熱構造体１８の使用により更に最適化され得る。そこへの断熱構造体１８の配置はまた、管１２周りへの加熱機構１７の取り付けを支援し得る。断熱構造体は、一実施形態において、例えばジルコニアセラミック繊維から形成され得る。もちろん、他の断熱材も使用され得る。
【００３２】
更に図１を参照して、システム１０には、ハウジング１１のシール端部１１１に対するフランジ１９１及びシール端部１１２に対するフランジ１９２等のキャップが設けられ得る。キャップフランジ１９１は、一実施形態において、管１２の端部１２１及び上流電極１４が取り付けられ得る面を与える。端部１１１におけるフランジ１９１の配置は、更に、フランジ１９１が電極１４のための電気接地として機能することを可能にする。図１に例示されるように、キャップフランジ１９１は入口１９３及び１９４を含み、他方、キャップフランジ１９２は、排出口１９５及び１９６を含む。これらのフランジは、合成プロセス中に種々のガス及びある範囲の温度にさらされ得るので、該フランジは、実施形態において、温度変化に耐え得る一方、実質的に耐腐食性を維持することができる、強固で実質的にガス不浸透性の中実材料、例えばステンレス鋼から形成され得る。
【００３３】
入口１９３は、一実施形態において、通路を提供するように実質的に管１２と位置合わせさ得、該通路を通じて反応ガス流が管１２の内部へと導入されて基板１３へと至り得る。反応ガスは、後に更に詳述するように、Ｈ2と不活性ガス、例えばＨｅ、Ａｒ等との混合物であり得、これに対して、エタノール、メタンもしくはアセチレン等の炭素含有源が、管１２内に導入される前に制御された割合で加えられ得る。
【００３４】
他方、入口１９４は、排出ガスの供給がハウジング１１の通路１１３内へと導入され得る通路を提供する。該排出ガスは、一実施形態において、Ｈ2と不活性ガス、例えばＨｅ、Ａｒ等との混合物であり得る。ハウジング１１内への排出ガスの導入は、ハウジング１１内から酸素を移動（押しのけて）させ除去するように作用し得る。システム１０内の著しい量の酸素の存在は、該システムの生産性を低下させ得ることが認識されるべきである。ハウジング１１内への排出ガスの導入はまた、排出口１９５を通じて、基板１３から流れて管１２から出る反応廃棄物を移動させ除去し得る。
【００３５】
排気口１９５は、本発明の一実施形態によれば、口１９５を通って排出するガスがハウジング１１内へと戻ることを防止する逆止め弁（すなわち一方向弁）が取り付けられる排気管（図示せず）に接続され得る。
【００３６】
加熱機構１７及び熱電対（図示せず）に電力を供給するために電線が設けられ得る通路を作り出すために、追加の口がフランジ１９１に設けられ得る。同様に、口１９６は通路を提供し、該通路を通って電線１９７が下流電極１５へと延び得る。一実施形態において、フランジ１９１の追加の口を通って延びると共に、口１９６を通って延びる電線は、これらの口をシールしてそこを通るいかなるガス漏れをも防ぐために十分な絶縁材を含み得る。該電線絶縁材はまた、電線がフランジ１９１及び１９２と電気的に接触することをも防止するように作用する。
【００３７】
次に図４Ａ及びＢを参照すれば、本発明の別の実施形態に従う、伸長した長さのナノ構造の合成のためのシステム４０が例示される。図示されるように、システム４０は、電極としての役割を果たし得る多孔質基板４３を除き、システム１０と実質的に同様である。基板４３は、カウンター電極４４と共に、これらの間に、ナノ構造４５の成長中、伸長したナノ構造４５の物理的支持のための静電界を発生させるように作用し得る。更に、システム１０が基板１３と電極１４及び１５との間に直線的配置を与えるのに対し、システム４０は、基板４３と電極４４間に同心配置を与える。
【００３８】
この実施形態において、多孔質基板４３は、管４２の内部、すなわち反応ガス通路内に配置されるのではなく、端部４２２に向かって管４２の外側面周囲に配置され得るように管状形状であり得る。基板４３は第１端部４３１を含み、管４２の端部４２２は該第１端部から基板内側に配置され得る。基板４３はまた、反対側の第２端部４３２を含み得、該端部４３２に対して栓４３４が設けられ得る。管状形状に例示されるが、基板４３は、管４２の外側面周りに留まることができる限り、どのような幾何学的形状を有するようにも設計され得る。図４Ａ及びＢに示される設計に関連して、反応ガスは、ナノ構造４５の合成中、管４２から出て、端部４２２を横切り、基板４３の第２端部４３２における栓４３４の存在下で、基板４３の内側面４３５を横切って外側面４３６を通って外部へと誘導され得る。この目的のため、基板４３は、十分に多孔性となるように設計され得、これにより、内側面４３５と外側面４３６との間の圧力差が、基板４３の構造的一体性を維持するように十分小さくなり得る。一実施形態において、基板４３には、約０．５ｎｍ〜約５００ミクロン、好ましくは約２０ｎｍ〜約２０００ｎｍの孔径が与えられ得る。
【００３９】
更に、触媒粒子４６が基板４３上に堆積されることを許容しつつ基板４３が電極として作用し得るので、基板４３は、例えば、銅、ガラス質カーボンフォーム、多孔質チタニア、多孔質ジルコニア、炭化鉄、焼結チタン粉末等の導電材料から形成され得る。あるいは、導電材料が基板４３の背部に配置され得る。更に、基板４３は、例えば、銅、酸化すず、チタニアもしくはチタン等の導電材料の薄い層で被覆された、多孔質アルミナもしくはシリカ等の不活性材料であり得る。
【００４０】
カウンター電極４４は、図４Ａ及びＢに例示されるように、管状形状であり得、また、開放端部４４１及び閉鎖端部４４２を含み得る。電極４４は、実施形態において、その開放端部４４１を通じて基板４３を同心状に収容するのに十分な寸法とされ得る。電極４４はまた、閉鎖端部４４２から延びるステム４４３を含み得る。ステム４４３は、電極４４を、図４Ａ及びＢから見て左から右へと後退させ（引っ込め）ながら、電極４４を回転させるための電動機構に連結され得る。ステム４４３はまた、電極４４の後退（引き込み）のためのガイドとしての役割を果たし得る。電極４４が電界を発生させるために基板４３と共に使用され得るので、電極４４は導電材料から形成され得る。この目的のため、電極４４が形成され得る材料は、黒鉛、銅、チタン、チタニア、ガラス質炭素、もしくはこれらの組合せからなり得る。
【００４１】
更に図４Ａ及びＢを参照して、複数の円筒リング４６が、基板４３周囲の電極４４と基板４３間に配置され得る。円筒リング４６は、一実施形態において、伸長した長さのナノ構造４５の成長中、ガイドとしての役割を果たすように設けられ得る。特に、ナノ構造４５が基板４３の外側面４３６から成長して、発生した静電界内においてカウンター電極４４に引き付けられるようになるにつれ、カウンター電極４４の後退は、ナノ構造４５を円筒リング上にわたって引き寄せる傾向にある。これらナノ構造がリング４６を通過する際に曲がることにより、ナノ構造は、それらの基端部（すなわち基板に最も近い部分）において基板４３の表面に対し垂直な方向に成長し続けることができ、他方、それらの先端部は、多孔質基板４３から離れる方に引かれる。基板４３からの伸長ナノ構造４５の成長のどのような障害をも最小にするため、円筒リング４６が、基板４３上に直接ではなく、基板４３の上方に空間的に配置され得ることに留意するべきである。
【００４２】
次にナノ構造を合成するためのプロセスに関連して、本発明は、一実施形態において、伸長した長さのナノチューブを生成するための方法を提供する。
【００４３】
実施例Ｉ
合成方法を開始する前に、多孔質基板が設けられる必要があり、該基板上に、伸長した長さのナノチューブを成長させるためのある密度（濃度）の触媒粒子が堆積され得る。
【００４４】
基板及び触媒粒子の形成
基板は、一実施形態において、ほぼ５０ミクロン〜２００ミクロンの孔（孔隙）、及びほぼ５０％〜９０％の空隙率を有する多孔質アルミナフォームであり得る。基板は、基板に５ｎｍ〜５００ミクロンの孔径、及び１０％〜９５％の空隙率が設けられ得る限り、種々の異なる材料から形成され得ることに留意するべきである。該アルミナフォームは、最初に、図１のホルダー１６のようなホルダー内に適合（嵌合）するように切断され得る。次に、触媒粒子が、基板の下流面上へと堆積させられ得る。
【００４５】
一実施形態において、金属ナノ粒子の水性懸濁液を作るため、最初に、市販されている直径約５ｎｍのＮｉナノ粒子ほぼ０．０５グラムが、約１０ｍＬのＨ2Ｏ内に分散させられ得る。多孔質基板は、その後、この溶液に浸漬され得、また、基板の下流面を上方に向けて、１１０℃で約３０分間、乾燥することが許容され得る。乾燥時間は、約１０℃〜約２００℃の温度で約１０分〜約６０分であり得ることが認識されるべきである。次に、基板は、合成プロセス中に反応ガスが導入され得る図１の管１２のような管内にシール（密封）され得る。
【００４６】
具体的には、多孔質基板は、最初に、ホルダー内の所定個所にシールされ得る。１１００℃までの温度に耐えることができる粘着剤（接着剤）、例えば、アルミナベースもしくはジルコニアベースのセラミックセメントが使用され得る。そのようなシーラントを用いることにより、反応ガスは、基板の周囲とホルダーとの間を通る漏れが防止され得、また、その代わりに、基板の上流面及び下流面を通過することを強制され得る。ホルダー及び基板は、次いで、管内に配置され得、また、該管は、反応ガスの漏れを防止するため、ホルダー及び基板の周囲をシールする。図１の電極１５のような下流電極は、ホルダー内に挿入されて、孔質基板の下流面の下流に空間的に位置付けられ得る。
【００４７】
この組み立てられたシステムは、その後、堆積した金属の表面に存在し得るいかなる残留酸化をも除去するため、ほぼ８５０℃で水素にさらされ得る。これは、ナノチューブ成長反応が進行することが許容される前にクリーンな金属触媒面が準備されることを保証する。８５０℃が用いられるが、約３５０℃から触媒の融点に近い温度までの範囲内の温度が適用され得る。
【００４８】
第２実施形態において、０．１ｇ／Ｌ〜約２０ｇ／Ｌ、好ましくは１g／ＬのＦｅＣｌ2水溶液、又は、０．０１Ｎ〜約１．０Ｎ、好ましくは約０．１Ｎの硫酸鉄アンモニウム（Ｆｅ（ＮＨ4）2（ＳＯ4）2）水溶液が、多孔質基板を通って浸透され得る。該溶液は、次に、基板の下流面を上に向けて１１０℃で約３０分、乾燥することが許容され得る。ここでも、乾燥時間は、約１０℃〜約２００℃の温度で約１０分〜約６０分の範囲であり得る。塩溶液が乾燥するにつれ、該溶質のナノクリスタライト（ナノ晶子）が、多孔質基板の表面に生じ得る。基板は、その後、該組み立たてられたシステムを提供するため、シールされ得、また、上述したように、金属ナノ粒子に対する塩ナノクリスタライトを化学的に還元するため、ほぼ８５０℃で約３０分間、水素にさらされ得る。８５０℃が用いられるが、約３５０℃〜約１０００℃の温度が適用され得る。
【００４９】
第３実施形態において、望ましい触媒粒径を規定するため、Ｆｅ2Ｏ3の事前形成したナノ粒子が使用され得る。具体的には、径がほぼ２ｎｍ〜３ｎｍの、ある量の乾燥Ｆｅ2Ｏ3ナノ粒子が、水性飽和懸濁液を形成するため、Ｈ2Ｏ中に分散され得る。懸濁液は、次いで、該懸濁液中に固体粒子を分散させるため、超音波で約２０分間、超音波処理（超音波分解）され得る。溶液中の粒子の懸濁を高めるため、界面活性剤が使用され得る。大きい粒子、すなわち＞１００ｎｍの（１００ｎｍを超える）粒子が懸濁から沈降し得るように、懸濁液が約２０分間静止することを許容した後、懸濁液は、第２実施形態に対して上述したように浸漬及び乾燥により、多孔質基板上に堆積され得る。懸濁液は、その後、基板の下流面を上に向けて、１１０℃で約３０分間、乾燥することが許容され得る。例えば塩化物ではなく酸化物を用いる利点は、最初の金属酸化物粒径によって最終金属粒径が一般的に求められることである。他方、化学的還元アプローチでは、例えば塩化鉄の粒子は、還元される前に溶解する。上述したように、乾燥時間は、約１０℃〜約２００℃で約１０分〜約６０分であり得る。基板は、その後、上述したように組み立てられたシステムを提供するためにシールされ得、また、金属ナノ粒子に対するナノクリスタライトを化学的に還元するため、約３０分間、ほぼ８５０℃で水素にさらされ得る。８５０℃が用いられるが、約３５０℃〜約１０００℃の温度が適用され得る。
【００５０】
第４実施形態において、シュウ酸鉄（ＦｅＣ2Ｏ4）等の有機塩からの塩溶液が準備されて、第２実施形態に対して述べたものと同様の方法及び密度で、基板上に堆積され得る。例えば、シュウ酸鉄の０．１Ｎ水溶液が、多孔質基板内に吸い込まれ、次いで、下流面を上に向けて、１００℃で３０分間乾燥することを許容される。この実施形態は、高温で自然発生的に分解し得る塩を用いるので、溶剤は、０℃〜１２０℃、好ましくは１００℃で基板から蒸発させられるべきである。この場合の金属塩は、純金属を高温で形成するために水素の存在を必要としない。特に、金属粒子は塩粒子から自然発生的に形成され得る。これは、非酸化性雰囲気中で該粒子を通常１００℃〜５００℃の温度まで加熱するやいなや、該塩がＣＯ2、Ｈ2Ｏ、ＣＯもしくは類似のガスへと自然発生的に分解することができるからである。基板は、次いで、上述したように、組み立てられたシステムを提供するためにシールされ得る。その後、ガス混合物へのいくらかの水素の添加が、該システム内へと漏れているかもしれないいかなる酸素をも除去するために使用され得る。触媒粒子は、該反応の進行が許容される前に、水素中で多孔質基板を５００℃で約３０分間加熱することにより、堆積した塩粒子から形成される。
【００５１】
例えば硫酸塩及び硝酸塩等のいくつかの金属塩も、高温へと加熱するやいなや自然発生的な分解をこうむる。しかしながら、これらの塩は、水素等の還元性雰囲気が存在しない限り、分解して金属酸化物を形成する。従って、硫酸鉄及び硫酸鉄アンモニウム等の化学物質の使用は、触媒粒子の形成に対する、上記第４実施形態に記載したプロトコルよりはむしろ、上記第２実施形態に記載したプロトコルに従って実施され得る。
【００５２】
触媒ナノ粒子からの最適なナノ構造の成長は、炭素のガス状供給物が、触媒ナノ粒子による炭素の取り込み（吸収）と合致し得る場合に見込まれ得る。従って、上記各実施形態の場合に、触媒ナノ粒子による炭素の取り込みを高めるため、基板の下流面を横切る供給されたナノ粒子の濃度は、ナノ粒子間におけるガスの有効な拡散のため、触媒ナノ粒子間に十分な間隔（スペース）が設けられ得るようにされるべきである。
【００５３】
Ｆｅ、Ｎｉ、ＣｏもしくはＦｅ3Ｏ4等の強磁性触媒ナノ粒子が使用される限り、多孔質基板の下流面に対する法線方向における強さが約０．５Ｔを超える磁界が、多孔質基板にわたって実質上均等に金属粒子群に間隔をあけるために適用され得る。磁界の適用は、一実施形態において、各粒子の磁区の強磁性アラインメントを引き起こし得る。各粒子からの磁界は、次いで、その近接する粒子に斥力を作用させることができ、基板上に粒子群に実質上均等に間隔をあけて分散させる。
【００５４】
反応ガス供給
図５を参照すれば、本発明の一実施形態に従う、伸長した長さのナノチューブを合成するための方法（５０）のフローチャートが例示される。議論を簡単にするため、図１も参照される。
【００５５】
最初に、反応ガスの流れが、反応ガスを入口１９３を通って直径ほぼ０．６インチ（１５．２４ｍｍ）の管１２内へと注入することにより、システム１０内に導入され得る。反応ガスを発生させるため、実施形態において、ほぼ１９ｍＬ／ｍｉｎのＨ2と１９０ｍＬ／ｍｉｎの不活性ガス、例えばＨｅもしくはＡｒとの混合物が、入口１９３へと送る供給ラインへと標準状態で導入され得る。更に、カーボンナノチューブの成長が、反応ガスが基板上の成長サイトへと炭素を移送することを必要とするので、炭素含有源が、制御された速度で供給ラインに注入され得ると共に、上記Ｈ2及び不活性ガス混合物が入口１９３を通って導かれる前に該混合物と混合することが許容され得る（５１）。
【００５６】
炭素含有源の適切な例は、エタノール、メタン、メタノール、アセチレン、エチレン、キシレン、一酸化炭素、トルエン等を含む。次の表Ｉは、これらの源のいくつかのためのフォーメーションの自由エネルギーを列記し、これは、安定性の指標を提供する。
【００５７】
【表１】
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【００５８】
伸長した長さのカーボンナノチューブの成長のため、炭素含有反応ガスは、触媒粒子に到達するため、多孔質基板を通って浸透しなければならない。従って、Ｈ2及び不活性ガス混合物中に導入される炭素含有反応物質は、気相中ではなく、基板の触媒面上で好ましくは選択的に分解する。一実施形態において、炭素含有源が液体形態にある場合、供給ラインへの注入速度は、ほぼ１０ｍＬ／ｈｏｕｒに制御され得、この際、注入地点の温度は、該液体源をガスへと蒸発させるのに十分な約５０℃〜約１５０℃に維持され得る。
【００５９】
表Ｉから、一酸化炭素、メタノール、エタノール及びメタンは、特に安定性があり、気相中ではなく基板上で触媒分解しやすい。しかしながら、一酸化炭素の使用に関連した安全性の問題により、エタノール、メタノールもしくはメタンを使用することが、これらは一酸化炭素よりもいくぶん不安定であり得るけれども、より望ましいであろう。他方、表Ｉの下方の炭素含有ガス、例えばアセチレンは、気相中で分解する傾向にある。気相中での分解は、もしかするとカーボンナノチューブの発生に至り得るが、基板上に堆積させられかつ成長中のナノチューブへと組み込まれるかなりの量の無定形炭素を結果としてもたらし得る。そのような結果はまた、成長サイトの汚染をもたらし得る。
【００６０】
反応ガスに加えて、排出ガスの混合物も、システム１０の、直径ほぼ１．７５インチ（４４．４５ｍｍ）で長さほぼ１２インチ（３０４．８ｍｍ）のハウジング１１に供給され得る。排出ガスを発生させるため、Ｈ2と不活性ガス、例えばＨｅもしくはＡｒとの混合物が、入口１９４へと送る供給ラインに標準状態で導入され得る。一実施形態において、排出ガスは、入口１９４を通ってハウジング１１内へと約３００ｍＬ／ｍｉｎ〜約５００ｍＬ／ｍｉｎの流量で導入され得る。ハウジング１１内への排出ガスの導入は、ハウジング１１内の酸素を移動させ除去するように作用し得る。ハウジング１１内への排出ガスの導入はまた、排出口１９５を通って、管１２から出る反応廃棄物を移動させ除去するように作用する。従って、排出ガスの流量は、反応ガスを排出口１９５へと移送するため、反応ガスの流量よりも十分大きいべきである。
【００６１】
エネルギー供給
更に図５を参照して、一旦、炭素含有ガスが入口１９３を通って導かれて、管１２に沿って基板１３へと進むと、炭素載せ（支持）分子を構成原子へと分解するため、また、触媒粒子に対する及び触媒粒子上での炭素原子の拡散を可能にするためにエネルギーが必要である。一実施形態において、加熱機構１７により熱エネルギーが５００℃〜１４００℃で供給され得る（５２）。伝導放射もしくは対流放射、摩擦エネルギー、可視光量子、又は他の種類の電磁放射、化学エネルギー、電気エネルギーもしくは電気化学エネルギー、マイクロ波放射、渦電流、超音波衝撃波、又は、圧縮を含む他の機構は、触媒、基板又はガスに対しても直接又は間接的に使用され得る。
【００６２】
触媒粒子に対する及び触媒粒子上での炭素原子の分解及び拡散のためのエネルギーを供給する種々のアプローチの例は、次のものを含む。
【００６３】
（１）反応室（すなわち管１２）全体又は触媒粒子のみ又は多孔質基板だけを熱的に加熱すること；
（２）渦電流によって触媒粒子を加熱するため電磁放射を用いること、又は、電磁放射の周波数を反応ガスの共鳴周波数（共鳴振動数）に合わせて該ガスを分解させること；
（３）エネルギーを供給するため、超音波又は圧縮波（圧力波）を触媒に向けること；又は、
（４）触媒粒子においてもしくは触媒粒子付近において化学反応によってエネルギーを作り出すこと、例えば、供給された炭素のごく一部が、基板及び／又は触媒粒子を加熱するために局所的に反応し得る。
【００６４】
触媒での反応
ガス（気体）分子が多孔質基板上にある触媒粒子付近を通過する際、触媒表面とガス分子との間に引力が存在する。温度が十分に高い場合、すなわち、＞５００℃（５００℃を超える）である場合、該ガスは熱的に分解する（５３）。例えば、アセチレンの場合：
Ｈ2Ｃ2  →  ２Ｈ0＋２Ｃ
【００６５】
この反応から生じる原子状水素すなわちＨ0は、次いで、別の水素原子と反応してＨ2を形成し得、又は、触媒粒子上へと拡散し得る。典型的な成長温度において、水素化物形成は有利ではない。炭素分子はまた、触媒粒子に対して拡散し得、その後、触媒粒子上へと拡散して成長サイトへと至り得る。ナノチューブの直径は、粒子の大きさとほぼ一致するので、粒子が飽和した後、バルク拡散よりはむしろ表面拡散が、ナノチューブの成長においてより重要な役割を果たすと考えられる。これらの触媒粒子は一般に小さいので、これらは、単結晶であり得、もしくはせいぜい二、三の粒子だけを有するものであり得る。そのため、触媒粒子を有する基板における炭素の粒界拡散もまた、ナノチューブ成長において重要であり得る。
【００６６】
ナノ構造形成及び成長
表面拡散は、本発明のシステムにおいて、炭素原子が他の炭素原子と遭遇して触媒粒子面上にキャップを形成するまで進行する（５４）。成長は、次いで、新たな炭素原子が続行し得、新たな炭素原子は、このキャップを粒子から離すように押し、例えば単一壁（単層）カーボンナノチューブが形成されるまで、該キャップに炭素環を取り付ける。単一壁ナノチューブは、約２ｎｍよりも小さい粒子上に生じる傾向にある。他方、多壁（多層）カーボンナノチューブは、約１００ｎｍまでのより大きい粒子上にて成長する。多くの（もしくはある数の）同心状シースが、多壁カーボンナノチューブを形成するように積み重ね（作り上げ）られ得る。多壁カーボンナノチューブの長さは、触媒の連続する活動及び炭素の質量移送のみにより本質的に制限され得る。合成プロセス中、ナノチューブを連続的に成長させるため、触媒粒子は、一実施形態において、ナノチューブの連続繊維を発生させるため、絶え間なく炭素含有ガス供給にさらされ得る（５５）。
【００６７】
ナノチューブ支持のための手段
ナノチューブが触媒粒子から成長する際、本発明は、一実施形態において、ナノチューブに対して物理的支持を与える（５６）。これは、ナノチューブの直線性（まっすぐで曲がっていないこと）に寄与し得ると共に、後のナノチューブの収集を容易にする点にも貢献し得る。成長中のナノチューブの物理的支持は、以下のガス流、電界又は磁界からの力のうちの一又は複数を通じて、本発明によって与えられ得る。
【００６８】
一般に、基板を通って成長中のナノチューブを通過する反応ガスの流れは、流体抵抗により、成長中のナノチューブに対して機械的支持を与え得る。特に、ガス流からの流体抵抗は、ナノチューブを引き付け、該チューブをガス流方向に対して実質上平行に整列させ得る。
【００６９】
このガスの動的支持に加えて、ナノチューブは、成長中、静電界によって更に支持され得る。本質的にナノチューブは導電材料であるため、これらは、電界中に置かれた場合、分極を起こし得る。この分極は、結果として、ナノチューブの配列を強制的に電界に平行とし得る。
【００７０】
本発明の一実施形態に関連して、図１の電極１４等の基板１３の上流の電極、及び図１の電極１５等の基板１３の下流の第２電極への帯電（充電）が、静電界を作り出すために実行され得る。特に、基板の成長面に最も近い下流電極は、プラスとされ得、また、約２５０Ｖ〜約５０００Ｖ、好ましくは約４６５ＶのＤＣ電位が二つの電極間にかけられ得る。発生する電界の強さは、反応ガスの圧力及び濃度に応じて、約５ｋＶ／ｍ〜約１０００ｋＶ／ｍ、典型的には１０ｋＶ／ｍであり得る。いくつかの例において、成長面に最も近い電極は、カーボンナノチューブに対して放電を引き起こし得る。これら放電は、成長を高める効果を有し得、又は、ナノチューブの半球形端部の除去又はエッチングにより、キャップが取られたナノチューブの成長を可能にする効果を有し得、これにより、反応ガスからの炭素ラジカルの堆積のためのサイトを提供する。しかしながら、いずれの電極もカーボンナノチューブと接触しない場合、ナノチューブの先端のような非常に湾曲した面における電界効果のために低下する放電の可能性は、より強い電界に至ることを許容し得、これにより、電界支持の頑強さを高める。
【００７１】
そのため、電極及び基板の直線状配列から合成されるナノチューブ（図２）は、ナノチューブに静電界が基板の面に垂直方向にかけられた場合、基板の面に実質上垂直に延びる傾向にある。同様に、電極及び基板間の同心状配列から合成されるナノチューブ（図４）は、静電界が管４２に対して半径方向でかつ基板面に対して実質上垂直な方向にかけられた場合、管４２に対して半径方向でかつ基板面に対して実質上垂直な方向に成長する傾向がある。
【００７２】
ナノチューブはまた、磁気的に異方性である。従って、磁界内のナノチューブの配置は、該チューブを、磁界の力線（流線）に平行に整列させ得る。例えば、磁界は、例えば、コバルト磁極片を有する磁気回路を、基板１３に隣接する図１の管１２の周りに配置することにより、作り出され得る。これは、０．１〜２０Ｔの大きさを有する磁界をナノチューブの成長方向と同軸に向けるため、コバルト磁極片が基板のいずれかの側にあり得るようにされる。あるいはまた、基板に近いコバルトサマリウム永久磁石が必要な磁界を作り出し得る。磁気回路を完成させるＦｅもしくはＣｏ等の強磁性材料の使用は、基板にまっすぐな磁界を増強し得る。しかしながら、これらの強磁性材料は、反応ガスとの接触から、並びにそれらのキュリー点よりも大きい反応温度から保護されるべきである。
【００７３】
ナノチューブの収集
ひとたびナノチューブが望ましい長さに成長したら、これらは収集され得る（５７）。ナノチューブの成長は全体的に同じ方向となり得るけれども、種々の触媒粒子からのナノチューブの成長速度は、実質的に均一ではないであろう。そのため、不均一な成長は、収集のために、すなわち、多数のナノチューブをスプール、リボンもしくはドラムに集めるために、ある試みがなされる際、問題を引き起こし得る。その理由は、スプール、リボンもしくはドラムの表面速度が、該繊維（ナノチューブ）間の成長速度に対してほぼ一定であるためである。更に、カーボンナノチューブが数パーセントの歪みのみを示すので、成長が遅い繊維を引っ張る試みは不十分であり得る。従って、本発明の実施形態に従って合成されたナノチューブは、一実施形態において、次のように収集され得る。
・ドラム表面速度は、最も遅く成長するナノチューブの速度に合致するように制御され得る。
・基板から出るナノチューブの束は、ドラム軸と平行にウェーブする（波打つ）ようにされ得、該ウェーブの振幅は、ドラム面上の波状（曲がりくねった）経路に最も早く成長するナノチューブを吸収（収容）するのに十分な大きさである。特に、最も遅いナノチューブは、円周方向軌跡に置かれ得る一方、最も早く成長するナノチューブは、最大の振幅の波状軌跡に置かれ得る。更に、カーボンナノチューブ間に摩擦がほとんど無いであろうから、ナノチューブがそれらの適切な軌跡を選別する際、もつれは最小のはずである。
・ナノチューブの束を適切に振動（動揺）させるため、静電気力、磁気力、ガスの動的な力又は接触（例えば、ウェービングデフレクタ（波打つそらせ板）からの）力が個別に又は組み合わせて使用され得る。
・使用のために巻き出す（解く）やいなや、結果として引かれるナノチューブは、それらの元の成長速度を再現し得、例えば最速成長のナノチューブは、該牽引において曲がりくねるであろう。織物業界によく知られている方法が、この影響を補うことができるであろう。
・成長が放射状（半径方向）であり得る場合、多くのナノチューブ繊維は、図４に例示されるように、撚糸を形成するため、回転するねじ状ベイル（つるもくは取っ手）（すなわち電極４４）によって共にまとめられ得る。このベイルは、上記糸を取込みリールへと導くため、同時に回転及び後退させられ得る。上述したように、そのような実施形態において、ナノチューブは、回転するベイルに至る途中において複数リングのセットによって案内され得る。
【００７４】
望ましい量の伸長された長さのナノチューブが合成されたら、炭素含有ガスの供給が止めら、加熱機構がオフされ得る。本発明において、少なくとも約１ｃｍ、好ましくは少なくとも１ｍの長さを有するナノチューブが成長させられ得る。もちろん、実質的に長さがより短いナノチューブも、本発明の実施形態に従って発生させられ得る。ひとたび該システムの温度が約１００℃に落ちたら、ガス供給は止められ得る。結果として生じたナノチューブは、純度が検査され得る。本発明の実施形態に従って合成した伸長した長さのナノチューブの例が、図６に例示される。
【００７５】
実施例II
本発明は、別の実施形態において、伸長した長さのプリズム状（柱状）構造（体）を発生させるための方法を提供する。プリズム状構造は、一実施形態において、三次元格子を形成するように接合されたグラフェン面のアレイであり得る。発生したプリズム状構造は、カーボンナノチューブの成長に対して既述した反応と同じエネルギー及び炭素供給原料要求をのを有し得る。従って、ナノチューブの成長に関連して上述したガス、エネルギー及び反応の条件は、プリズム状炭素構造の成長にも当てはまる。
【００７６】
プリズム状構造のための触媒タイル張り
プリズム構造は、ナノチューブの形成に使用されるものとは異なる触媒材料のパターンにおける炭素の自己集合から生じる。本発明の一実施形態によれば、ナノチューブは、多孔質基板上の触媒「粒子」周囲の炭素自己集合として形成され得る。他方、プリズム構造は、板（平面）もしくは非多孔性面上の種々の形状にパターン化された触媒の形成から合成され得る。該パターンは、後に、炭素原子の自己集合が複合形状になることを可能にし得る。例えば、触媒が、平面の全域にわたる空間充填タイル張り（タイリング）を形成する（複数）実線（連続線）にパターン化されるなら、炭素原子は、触媒「格子」線を外れ、触媒パターンに一致（合致）するベースパターンを有するグラフェン構造内へと集合すると予測され得る。更に、パターンもしくはグリッド（格子）が、実線の幅が例えば約０．２ｎｍ〜約５０ｎｍと比較的狭く、かつ、該パターンにおける線間隔の距離も例えば約２０ｎｍ〜約５００ｎｍ、しかし好ましくは約２ｎｍ〜約５００ｎｍと比較的短いように、鉄、ニッケルもしくはコバルト等の触媒から作り出されるなら、プリズム状構造は、上記パターンが該パターンの対称と共にある上記平面に対して垂直に成長させられ得る。この対称は、三重（すなわち三角形）、四重（すなわち正方形）、六重（すなわち六角形）、長方形、ランダム、又は、ケプラータイル張りもしくはペンローズタイル張り等の多くの周期的もしくは非周期的なタイル張りパターンのいずれかであり得る。
【００７７】
この種の三次元グリッドもしくは三次元パターンのための幾何学的形態は、望まれる特性によって決まり得る。次に図７を参照すれば、一実施形態に従う方法が例示され、該方法により、プリズム状構造の成長のためのテンプレートが銅（例えば銅箔）上に成長したニッケル膜から形成され得る。詳しくは、銅７１は、小さいグレイン（結晶粒）７２を作るために濃密に加工硬化され得る。次に、薄いニッケル箔７３が、銅７１に対する実質的に相補形の結晶構造と粒子境界パターン７４を形成するため、銅７１上にエピタキシャルに電着され得る。次に、銅箔７１は、支持リング７５すなわち支持構造のみが残るように該ニッケルから選択的に溶解され得る。次いで、ニッケル箔７３は、一の側部から他の側部へと連続的に通るグレイン境界を得、該グレイン境界を通って、炭素原子が優先的に移送され得る。炭素原子は、次に、ニッケル箔グレイン境界７３におけるパターンと類似のパターンを有するランダムなグレイン境界状構造を形成し得る。従って、銅基板におけるグレイン構造を制御することにより、ニッケル箔７３は、類似の構造をピックアップするようになされ得、該類似の構造からプリズム状炭素パターンが形成され得る。
【００７８】
プリズム状構造の合成のための幾何学的パターンを設計する別のアプローチは、鉄原子、ニッケル原子もしくはコバルト原子を必要なパターンに組織するため、自己集合技術（例えば、たんぱく質等の生物学的要素を用いた技術）を利用することであり得る。非周期的な構造の形成のための非周期的パターンを設計する別のアプローチは、例えば原子間力顕微鏡プローブの使用を通じて、直接原子配置を用いることであり得る。
【００７９】
プリズム状構造の成長及び支持
上述したように、ナノチューブの成長と関連する上記ガス、エネルギー及び反応の条件は、プリズム状炭素構造の成長にも当てはまる。更に、反応ガス及び反応エネルギーの連続供給がパターン化された触媒に与えられ得るとすれば、触媒パターンから成長したプリズム状構造の長さは、連続的となり得る。
【００８０】
更には、プリズム状構造が三次元格子であり得るので、これらの構造は自立となり得る。従って、支持のための磁界又は静電界の使用は、不必要であり得る。
【００８１】
図８Ａ〜Ｃを参照して、面８１を有する基板８０は、連続設計パターン８３（図８Ａ及びＢ）を形成する複数の触媒線８２を有して与えられる。種々の周期的な又は非周期的なタイル張り配列が、設計パターン８３を形成するために用いられ得ることが留意されるべきである。例示のように、パターン８３は、面８１にわたる複数正方形のタイル張りを含む。
【００８２】
一実施形態において、基板８０は、アルミナもしくはシリカ等の炭素に対して反応しない材料から形成され得。該基板上に、触媒材料の線８２がパターン８３で堆積させられ得る。
【００８３】
第２実施形態において、基板８０は、例えば、ニッケル、鉄もしくはコバルト等の触媒材料から成り得、また、例えば銅等の不活性材料が、触媒線８２の位置を除き、面８１をマスクし得る。
【００８４】
いずれの場合でも、基板８０及び面８１は、連続的なソリッド（中実もしくは間にスペース等が無い）であり得、又は、これらは、触媒線間のスペースにチャネルもしくは孔を含み得る。ナノチューブ形成に対して上述したシステムとは異なり、多孔質基板は、このシステムには必要ではない。
【００８５】
上述したように、エネルギーは、プリズム状構造の合成中の多くの機構を通じて基板８０もしくは触媒線８２に供給され得る。熱エネルギーが使用されるなら、触媒線８２は５００℃〜１４００℃まで加熱され得る。更に、炭素含有反応ガスは、触媒線８２に向けられ得る。面８１が非多孔質である実施形態において、反応ガスは、面８１上方の領域から触媒線に向けられ得る。面８１が気体透過性であるかもしくは孔を含む実施形態において（図示せず）、反応ガスは、基板８０の面８１の裏面を通じて、反応ガスが面８１を通って出るように、触媒線８２に向けられ得る。
【００８６】
次に図８Ｃを参照して、反応ガスからの炭素原子は、面８１に実質的に垂直にパターン８３の触媒線８２から成長するグラフェン面８４を形成するために自己集合し得る。触媒線８２が交差する箇所が、グラフェン面８４間の結合部の形成につながる。結合されたグラフェン面８４のアレイ（配列）は、触媒線８２から成長してプリズム状構造８５を形成し得る。
【００８７】
別の実施形態において、面８１はニッケル膜であり得、また、設計パターン８３は、図７のグレイン境界パターン７４のような結晶グレイン間の境界を含み得る。そのような実施形態において、炭素は、優先的にパターン８３を通って炭素が面８１から出るように、ニッケル膜の反対側の面からグレイン境界上に優先的に拡散し得る。自己集合のグラフェン面８４は、パターン８３によって表されるグレイン境界から炭素が出るにつれて進展し、面８４間の接合部は、グレイン境界間の交差部にて集合させられる。
【００８８】
応用例
伸長した長さのナノチューブ及び他のナノ構造の製造は、それらの並はずれた機械的及び電子的特性を利用する応用を可能にする。本発明のシステム及び方法によって製造されたナノチューブ及びナノ構造は、繊維材料へと織られもしくは組み立てられ得、種々の用途に関連した使用のために扱われ得る。該用途には、ヒートシンク、強度及び導電性を必要とする送電線、低比抵抗及び最小渦電流ロスを必要とする電動機用巻線及びソレノイド巻線、炭素−炭素及び炭素−エポキシを含む高強度繊維強化材、及び、ナノチューブベースのケーブル、繊維、トウ、布地及び織物が含まれる。また、これらのナノチューブ及びナノ構造から成るデバイス、及び、種々のタイプの甲冑、防護衣、エネルギー発生つなぎ網（鎖）その他の織物も含まれる。本発明はまた、合成前駆体としての機能を果たす、フルフリルアルコールもしくはＲＥＳＯＬ等の熱硬化性エポキシもしくは高炭素重合体のいずれかで、個々のナノチューブ又はナノチューブ群をコーティングすることを企図する。
【００８９】
炭素から形成した構造が本明細書で議論された。しかしながら、ナノチューブを含むナノ構造は、上述したと同様の触媒プロセスを用いて、窒化ホウ素、硫化タングステン、酸化バナジウム及び窒化ホウ素炭素を含む他の材料から形成され得ることが認識されるべきである。従って、本発明はまた、酸化バナジウム及び窒化ホウ素等の無機物から、及び窒化ホウ素炭素等の他の要素と組み合わせた炭素から形成される伸長した長さのナノチューブ及びプリズム状ナノ構造をも含む。本発明のシステム及び方法は、伸長した長さのナノ構造を製造可能であるが、本発明のシステム及び方法は、相対的に短い長さのナノ構造を生成することも可能であり得る。更に、本発明は、関連するナノ構造材料を製造する方法、及び、既述した構造的、熱的及び電気的応用を含む。
【００９０】
本発明は、その特定の実施形態に関連して記述したが、当然のことながら、更なる変更が可能である。更に、この出願は、本発明が属する技術分野において既知のもしくは慣用の実行の範囲内で、また特許請求の範囲に入る、本開示からの脱却等を含む、本発明のどのようなバリエーション、使用もしくは変形をも包含することを企図する。
【図面の簡単な説明】
【００９１】
【図１】本発明の一実施形態に従う、伸長した長さのナノ構造の合成のためのシステムを例示する。
【図２】伸長した長さのナノ構造を成長させるための、図１に示すシステム内の領域を例示する。
【図３】図１に例示されるシステムに関連して使用される加熱機構の位置のバリエーションを例示する。
【図４】Ａ及びＢは本発明の別の実施形態に従う、伸長した長さのナノ構造の合成のためのシステムを例示する。
【図５】本発明の一実施形態に従う、伸長した長さのナノ構造を合成するためのプロセスを示すフローチャートを例示する。
【図６】本発明の実施形態に従って合成されたナノチューブの、透過電子顕微鏡により得た顕微鏡写真を例示する。
【図７】本発明の実施形態に従ってプリズム状構造を合成するためのテンプレートを作り出すためのプロセスを例示する。
【図８Ａ】本発明の一実施形態に従ってプリズム状構造を合成するための触媒線パターンを有する基板の上面図を例示する。
【図８Ｂ】図８Ａに示した基板及び触媒線パターンの斜視図を例示する。
【図８Ｃ】図８Ａ及び８Ｂに示した触媒線パターンから成長したプリズム状構造を有する基板を例示する。
【符号の説明】
【００９２】
１０  伸長した長さのナノ構造の合成のためのシステム
１１  ハウジング
１２  管
１３  多孔質基板
１４、１５  電極
１６  ホルダー
１７  加熱機構
１８  断熱構造体
２１  触媒粒子
２２  ナノ構造
１３１  （基板の）上流面
１３２  （基板の）下流面
１９１、１９２  フランジ
１９３、１９４  入口
１９５、１９６  排出口
【図１】
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【図２】
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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８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図８Ｃ】
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【国際調査報告】
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