(57)【要約】  微粒子を製造する方法であって、該方法は、（ａ）システムを用意する工程を備え、該システムは、（ｉ）液体を収容する容器と、（ｉｉ）少なくとも第１の電極対と、（ｉｉｉ）前記第１の電極対間に電気アークを生じさせる機構を備え、（ｂ）更に前記方法は、前記第１の電極対を前記液体中に配設する工程と、（ｃ）前記電極対間で少なくとも１回のパルス放電を行い、プラズマ泡を生じせしめ、微粒子を作り出す工程を備え、該微粒子は、前記プラズマ泡に付随して生じ、前記パルス放電は、１０００μ秒以下のパルス持続時間を備えるとともに少なくとも１アンペア（Ａ）の電流振幅であることを特徴とする方法である。
2007504944.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
微粒子を製造する方法であって、該方法は、
（ａ）システムを用意する工程を備え、該システムは、
（ｉ）液体を収容する容器と、
（ｉｉ）少なくとも第１の電極対と、
（ｉｉｉ）前記第１の電極対間に電気アークを生じさせる機構を備え、
（ｂ）更に前記方法は、前記第１の電極対を前記液体中に配設する工程と、
（ｃ）前記電極対間で少なくとも１回のパルス放電を行い、プラズマ泡を生じせしめ、微粒子を作り出す工程を備え、
該微粒子は、前記プラズマ泡に付随して生じ、
前記パルス放電は、１０００μ秒以下のパルス持続時間を備えるとともに少なくとも１アンペア（Ａ）の電流振幅であることを特徴とする方法。
【請求項２】
前記パルス持続時間が１００μ秒以下であることを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記パルス持続時間が５０μ秒以下であることを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項４】
前記パルス持続時間が３０μ秒以下であることを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項５】
前記パルス持続時間が１０μ秒以下であることを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項６】
前記パルス持続時間が３μ秒以下であることを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項７】
前記パルス持続時間が１μ秒以下であることを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項８】
前記パルス放電が少なくとも１０Ａの電流振幅であることを特徴とする請求項３記載の方法。
【請求項９】
前記パルス放電が少なくとも１０Ａの電流振幅且つ１００Ａ未満の電流振幅であることを特徴とする請求項３記載の方法。
【請求項１０】
前記パルス放電が繰り返し行われることを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項１１】
前記パルス放電が、１０ヘルツから１メガヘルツの範囲の周波数で繰り返し行われることを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項１２】
前記放電が、アークを引き伸ばすことにより行われることを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項１３】
前記微粒子が、１つの粒子径分布（ＰＳＤ：Particle Size Distribution）に従って分散し、
前記方法は、更に、
（ｄ）前記電流振幅及び前記パルス持続時間の積（Ｐ：Product）の関数を制御し、前記微粒子の前記粒子径分布を制御することを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項１４】
前記微粒子が、１つの粒子径分布（ＰＳＤ：Particle Size Distribution）に従って分散し、該粒子径分布は、前記電流振幅と前記パルス持続時間の積（Ｐ：Product）を減少させることにより、小さな径の粒子が多くなるように偏向し、
前記方法は更に、
（ｄ）積（Ｐ）を制御し、前記微粒子の粒子径分布を制御することを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項１５】
前記積が制御され、
前記粒子径分布が１００ナノメートル未満の粒子径の中央値をとることを特徴とする請求項１４記載の方法。
【請求項１６】
前記積が制御され、
前記粒子径分布が２０ナノメートル未満の粒子径の中央値をとることを特徴とする請求項１４記載の方法。
【請求項１７】
前記放電が制御下で行われ、
前記液体が原子の微粒子化に寄与することを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項１８】
前記液体がアルコール成分を含有することを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項１９】
前記液体がケロシンを含有することを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項２０】
前記液体が硫黄原子を含有することを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項２１】
前記液体が、モリブデン、タングステン及び硫黄からなる群から選択される元素のうち少なくとも１種の原子を含有することを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項２２】
前記第１の電極対のうち少なくとも一方が金属からなることを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項２３】
前記第１の電極対のうち少なくとも一方が、鉄、ニッケル、タングステン及び炭素からなる群から選択される材料を含むことを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項２４】
前記第１の電極対のうち少なくとも一方が、黒鉛から製造されることを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項２５】
前記第１の電極対のうち少なくとも一方が、シリコンから製造されることを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項２６】
前記電極間のパルス放電が、複数回行われ、
前記第１の電極対のうち第１の電極が前記第１の電極対のうち第２の電極と周期的に接触することにより行われることを特徴とする請求項１２記載の方法。
【請求項２７】
前記第１の電極対のうち一方が、振動機構上に据付けられ、
該振動機構が、前記第１の電極対間の周期的接触に作用することを特徴とする請求項２６記載の方法。
【請求項２８】
前記パルス放電の実行が制御下で行われ、
前記プラズマ泡が破壊されることを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項２９】
前記方法が更に、
（ｄ）前記放電により作り出された微粒子を除去する工程を備えることを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項３０】
前記微粒子を除去する工程が、前記液体を蒸発させることにより行われることを特徴とする請求項２９記載の方法。
【請求項３１】
前記微粒子を除去する工程が、沈殿により行われることを特徴とする請求項２９記載の方法。
【請求項３２】
前記方法が更に、
（ｄ）前記放電により作り出された微粒子を分類する工程を備えることを特徴とする請求項２９記載の方法。
【請求項３３】
前記放電により作り出された微粒子を分類する工程が、微粒子の相対的な粒子サイズに基づいて行われることを特徴とする請求項３２記載の方法。
【請求項３４】
前記放電により作り出された微粒子を分類する工程が、微粒子の少なくとも一部の磁気特性に基づいて行われることを特徴とする請求項３２記載の方法。
【請求項３５】
前記放電により作り出された微粒子を分類する工程が、微粒子の少なくとも一部の電気的特性に基づいて行われることを特徴とする請求項３２記載の方法。
【請求項３６】
微粒子が前記液体中に配されたとき電荷を有し、
前記微粒子を除去する工程が、
（ｉ）少なくとも１つの収集用電極を前記液体中に配する工程と、
（ｉｉ）前記収集用電極にバイアス電圧を印加する工程と、
（ｉｉｉ）前記微粒子を前記バイアス電圧が印加された収集用電極へ誘引する工程と、
（ｉｖ）前記液体中から前記収集用電極を取り出す工程からなることを特徴とする請求項２９記載の方法。
【請求項３７】
微粒子が磁荷を有し、
前記微粒子を除去する工程が、
（ｉ）前記液体中に磁石を配設する工程と、
（ｉｉ）前記微粒子を前記磁石へ誘引する工程と、
（ｉｉｉ）前記液体から前記磁石を取り出す工程からなることを特徴とする請求項２９記載の方法。
【請求項３８】
前記微粒子を除去する工程が、前記液体中に配された少なくとも１つの収集器により行われ、
前記液体中に、前記電極から前記収集器へ向かう流動を生じせしめることを特徴とする請求項２９記載の方法。
【請求項３９】
前記収集器へ向かう流動を生じせしめた後に、前記電極の周辺へ向かう流動を再度前記液体に生じせしめることを特徴とする請求項３８記載の方法。
【請求項４０】
前記液体が、収集工程が行われた後の前記容器に加えられることを特徴とする請求項３８記載の方法。
【請求項４１】
前記微粒子を除去する工程が、少なくとも２つの収集用電極により行われ、
該収集用電極が、前記液体中で、異なる深さ位置に配設されることを特徴とする請求項２９記載の方法。
【請求項４２】
前記微粒子を除去する工程が、前記容器の底部から所定高さにある前記液体の一部を除去することにより行われることを特徴とする請求項２９記載の方法。
【請求項４３】
前記容器の底部からの所定高さが、前記容器内の液体の液面高さの上から１０％の高さ以内であることを特徴とする請求項４２記載の方法。
【請求項４４】
微粒子を製造する装置であって、
液体を収容する容器と、
少なくとも１つの電極対と、
前記電極対のうち一方の電極を他方の電極に対して変位させる機構と、
前記電極対の２つの電極間にパルス放電を生じさせる機構と、
前記微粒子を除去する機構を備えることを特徴とする微粒子製造装置。
【請求項４５】
前記微粒子を除去する機構が、少なくとも１つの収集用電極と、
該収集用電極にバイアス電圧を印加する手段を備えることを特徴とする請求項４４記載の微粒子製造装置。
【請求項４６】
前記微粒子を除去する機構が、少なくとも１つの磁石と、
前記容器へ前記磁石を挿入する手段と、
前記容器から前記磁石を取り除く手段を備えることを特徴とする請求項４４記載の微粒子製造装置。
【請求項４７】
前記電極対から前記微粒子除去手段付近へ向かう流動を前記液体に生じせしめる機構を備えることを特徴とする請求項４４記載の微粒子製造装置。
【請求項４８】
前記微粒子除去手段から前記電極対付近へ前記液体を再流動させる手段を備えることを特徴とする請求項４７記載の微粒子製造装置。
【請求項４９】
金属及び炭素を備える粒子であって、
前記粒子は略球形状であり、
前記粒子の直径は１０ｎｍ以上２５μｍ以下であり、
前記粒子の構成が該粒子の中心からの距離の関数に従って変化し、
前記金属の量が前記粒子中心からの距離の増大につれて減少し、
前記炭素の量が前記粒子中心からの距離の増大につれて増加することを特徴とする粒子。
【請求項５０】
前記粒子がナノテクスチャ面を備えることを特徴とする請求項４９記載の粒子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ナノ粒子及びマイクロ粒子に関し、より詳しくは、ナノメートルからマイクロメートル単位の大きさを備える固体粒子の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ナノ粒子及びマイクロ粒子は様々な技術用途において重要性が増してきている。例えば、廃棄粒子（インターエイリア：Inter Alia）、塗料及びインク、粉末冶金、薬剤搬送及び固形潤滑材といった技術用途である。
塗料並びにインクはしばしば、粒子からなり、この粒子は液体キャリア中に懸濁される。塗布表面に塗料或いはインクが塗布された後、液体キャリアは蒸発し、密集した粒子からなる固体残渣が塗布表面に残ることとなる。
いくつかの技術的用途において、特定の電気的特性或いは磁気的特性を備える粒子が好適に使用される。例えば、高い磁気透過性を備える粒子は、電磁放射線、例えば、レーダー波を吸収する塗料として有用である。電荷を有する塗料は、静電誘導でインクジェットの方向を制御するプリント・プロセスにおいて有用である。
【０００３】
粉体粒子は、金属及びセラミック要素を圧縮並びに焼結することにより金属及びセラミック製品を製造するときに用いられる。例えば、タングステン・カーバイド（ＷＣ）といった粒子は、焼結され、硬度が高い切削工具に形成される。焼結された物は、粒子間に生ずる空隙に起因して、ある程度の多孔性を備える。このような空隙は、焼結物の特性に悪影響を与える可能性がある。多孔性の度合いを減じることは、焼結物の特性の改善に繋がるものと考えられている。例えば、多孔性の度合いを減じる手法として、非常に小さなサイズの混合粉体を用い、大きな粒子間に生じた空隙を埋めることが挙げられる。このような用途に用いられる粒子は、しばしば、「ナノ粒子」と称される。
【０００４】
ナノ粒子を薬剤搬送手段として用いることが提案されている。このような用途において、薬剤分子が結合したナノ構造炭素表面を備えるナノ粒子を好適に利用可能である。
中空層状であって球形のMoS2及びWS2のナノ粒子は非常に優れた潤滑特性を示す。この優れた潤滑特性は、これら粒子がナノスケールのボールベアリングとして機能することにより得られるものと考えられる（「Hollow Nanoparticles of WS2 as Potential Solid-State Lubricants」  著者：Rapaport L，Bilik Y，Feldman Y，Hamyonfer M，Cohen S.R，Tenne R  出典：Nature 387(6635) pg 791-793  １９９７年発行）（「Fullerene-like WS2 Nanoparticles: Superior Lubricants for Hard Conditions」  著者：Rapaport L，Fleisher N，Tenne R  出典：Adv.Mater 15(7-8) pg651-655  ２００３年発行）。このような、中空層状の球形ナノ粒子は、長時間をかけて、高温の気相プロセスを用いて製造されている。
【０００５】
電荷或いは高い磁気透過特性を備えるナノ粒子及びマイクロ粒子は、急速に発展している微小電機機械システム（ＭＥＭＳ）の分野において特に好適に利用可能である。またこれらの粒子は、シングルチップ上の電子素子と一体となったサブフィールドに特に好適に利用可能である。
電気或いは磁気フィールドが電荷を備える粒子或いは磁気粒子とそれぞれ強固に結合し、これにより、ある用途においては、流体に作用する力を生じせしめる手段としてこれら粒子が流体中に添加されている。このような粒子と結合させる力は粒子に隣接する流体に伝達される。そして、流路に沿って、粒子が懸濁された流体を推進させ、或いは、粒子が懸濁された２つの液体の混合を促すことが可能となる。
【０００６】
ナノ粒子或いはマイクロ粒子は、多様な化学的及び物理的プロセスにより現在製造されている。あるプロセスにおいて、カーボン・ナノチューブ並びにカーボン・ナノオニオンを含有する様々な炭素粒子が、液体窒素或いは水といった不活性液体環境中に配されたグラファイト電極間で直流アーク放電を行うことで製造されている（Sano N.，Wang H.，Chhowalla M.，Alexandou I，Amaratuunga G.A.J. Nature 415, 506 (2001)；Sano N.，Wang H.，Chhowalla M.，Alexandou I，Teo K.B.K.，Amaratuunga G.A.J.，J.Appl.Phys, 92, 2783 (2002)参照）。カーボン・ナノ粒子はグラファイト電極から侵食した材料から構成される。
液体は受身的な役割を担うと考えられる。液体からの蒸発は蒸気泡環境を作り出し、蒸気泡環境中において、アークを生じさせる。その後、液体が蒸気を冷却し、準安定性構造を冷却する。
【０００７】
ナノ粒子、特にカーボン・ナノチューブは空中でのパルスアークによって作り出される。このことは、米国特許出願第１０／６１５，１４１号（出願日２００３年６月９日、米国特許公開公報第２００４２６２３２号）に開示されている。尚、当該出願は、本発明の先行技術として解釈されるべきではない。
この技術においても、粒子を構成する材料は、電極からの侵食により得られる。例えば、カーボン・ナノチューブを製造するためにグラファイト電極が用いられる。しかしながら、Sanoらの開示する技術と異なり、短いパルスアークが用いられ、流体は材料をナノ粒子に組み込むために用いられる。
【０００８】
【特許文献１】米国特許公開公報第２００４２６２３２号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、既存の方法と比して、簡便で、効率よく且つ廉価にナノ粒子及びマイクロ粒子を製造する方法を提供することを目的とする。更に、本発明は、物質を取り囲む媒体としての液体からナノ粒子及びマイクロ粒子へ当該物質を組み込む方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、ナノ粒子及びマイクロ粒子を製造する方法に関する。
本発明は、微粒子を製造する方法であって、該方法は、（ａ）システムを用意する工程を備え、該システムは、（ｉ）液体を収容する容器と、（ｉｉ）少なくとも第１の電極対と、（ｉｉｉ）前記第１の電極対間に電気アークを生じさせる機構を備え、（ｂ）更に前記方法は、前記第１の電極対を前記液体中に配設する工程と、（ｃ）前記電極対間で少なくとも１回のパルス放電を行い、プラズマ泡を生じせしめ、微粒子を作り出す工程を備え、該微粒子は、前記プラズマ泡に付随して生じ、前記パルス放電は、１０００μ秒以下のパルス持続時間を備えるとともに少なくとも１アンペア（Ａ）の電流振幅であることを特徴とする方法である。
【００１１】
本発明は更に、前記パルス持続時間が１００μ秒以下であることを特徴とする。
本発明は更に、前記パルス持続時間が５０μ秒以下であることを特徴とする。
本発明は更に、前記パルス持続時間が３０μ秒以下であることを特徴とする。
本発明は更に、前記パルス持続時間が１０μ秒以下であることを特徴とする。
本発明は更に、前記パルス持続時間が３μ秒以下であることを特徴とする。
本発明は更に、前記パルス持続時間が１μ秒以下であることを特徴とする。
【００１２】
本発明は更に、前記パルス放電が少なくとも１０Ａの電流振幅であることを特徴とする。
本発明は更に、前記パルス放電が少なくとも１０Ａの電流振幅且つ１００Ａ未満の電流振幅であることを特徴とする。
本発明は更に、前記パルス放電が繰り返し行われることを特徴とする。
本発明は更に、前記パルス放電が、１０ヘルツから１メガヘルツの範囲の周波数で繰り返し行われることを特徴とする。
本発明は更に、前記放電が、アークを引き伸ばすことにより行われることを特徴とする。
【００１３】
本発明は更に、前記微粒子が、１つの粒子径分布（ＰＳＤ：Particle Size Distribution）に従って分散し、前記方法は、更に、（ｄ）前記電流振幅及び前記パルス持続時間の積（Ｐ：Product）の関数を制御し、前記微粒子の前記粒子径分布を制御することを特徴とする。
本発明は更に、前記微粒子が、１つの粒子径分布（ＰＳＤ：Particle Size Distribution）に従って分散し、該粒子径分布は、前記電流振幅と前記パルス持続時間の積（Ｐ：Product）を減少させることにより、小さな径の粒子が多くなるように偏向し、前記方法は更に、（ｄ）積（Ｐ）を制御し、前記微粒子の粒子径分布を制御することを特徴とする。
本発明は更に、前記積が制御され、前記粒子径分布が１００ナノメートル未満の粒子径の中央値をとることを特徴とする。
本発明は更に、前記積が制御され、前記粒子径分布が２０ナノメートル未満の粒子径の中央値をとることを特徴とする。
本発明は更に、前記放電が制御下で行われ、前記液体が原子の微粒子化に寄与することを特徴とする。
【００１４】
本発明は更に、前記液体がアルコール成分を含有することを特徴とする。
本発明は更に、前記液体がケロシンを含有することを特徴とする。
本発明は更に、前記液体が硫黄原子を含有することを特徴とする。
本発明は更に、前記液体が、モリブデン、タングステン及び硫黄からなる群から選択される元素のうち少なくとも１種の原子を含有することを特徴とする。
本発明は更に、前記第１の電極対のうち少なくとも一方が金属からなることを特徴とする。
本発明は更に、前記第１の電極対のうち少なくとも一方が、鉄、ニッケル、タングステン及び炭素からなる群から選択される材料を含むことを特徴とする。
本発明は更に、前記第１の電極対のうち少なくとも一方が、黒鉛から製造されることを特徴とする。
本発明は更に、前記第１の電極対のうち少なくとも一方が、シリコンから製造されることを特徴とする。
【００１５】
本発明は更に、前記電極間のパルス放電が、複数回行われ、前記第１の電極対のうち第１の電極が前記第１の電極対のうち第２の電極と周期的に接触することにより行われることを特徴とする。
本発明は更に、前記第１の電極対のうち一方が、振動機構上に据付けられ、該振動機構が、前記第１の電極対間の周期的接触に作用することを特徴とする。
本発明は更に、前記パルス放電の実行が制御下で行われ、前記プラズマ泡が破壊されることを特徴とする。
【００１６】
本発明は更に、前記方法が更に、（ｄ）前記放電により作り出された微粒子を除去する工程を備えることを特徴とする。
本発明は更に、前記微粒子を除去する工程が、前記液体を蒸発させることにより行われることを特徴とする。
本発明は更に、前記微粒子を除去する工程が、沈殿により行われることを特徴とする。
【００１７】
本発明は更に、前記方法が更に、（ｄ）前記放電により作り出された微粒子を分類する工程を備えることを特徴とする。
本発明は更に、前記放電により作り出された微粒子を分類する工程が、微粒子の相対的な粒子サイズに基づいて行われることを特徴とする。
本発明は更に、前記放電により作り出された微粒子を分類する工程が、微粒子の少なくとも一部の磁気特性に基づいて行われることを特徴とする。
本発明は更に、前記放電により作り出された微粒子を分類する工程が、微粒子の少なくとも一部の電気的特性に基づいて行われることを特徴とする。
【００１８】
本発明は更に、微粒子が前記液体中に配されたとき電荷を有し、前記微粒子を除去する工程が、（ｉ）少なくとも１つの収集用電極を前記液体中に配する工程と、（ｉｉ）前記収集用電極にバイアス電圧を印加する工程と、（ｉｉｉ）前記微粒子を前記バイアス電圧が印加された収集用電極へ誘引する工程と、（ｉｖ）前記液体中から前記収集用電極を取り出す工程からなることを特徴とする。
本発明は更に、微粒子が磁荷を有し、前記微粒子を除去する工程が、（ｉ）前記液体中に磁石を配設する工程と、（ｉｉ）前記微粒子を前記磁石へ誘引する工程と、（ｉｉｉ）前記液体から前記磁石を取り出す工程からなることを特徴とする。
本発明は更に、前記微粒子を除去する工程が、前記液体中に配された少なくとも１つの収集器により行われ、前記液体中に、前記電極から前記収集器へ向かう流動を生じせしめることを特徴とする。
本発明は更に、前記収集器へ向かう流動を生じせしめた後に、前記電極の周辺へ向かう流動を再度前記液体に生じせしめることを特徴とする。
本発明は更に、前記液体が、収集工程が行われた後の前記容器に加えられることを特徴とする。
本発明は更に、前記微粒子を除去する工程が、少なくとも２つの収集用電極により行われ、該収集用電極が、前記液体中で、異なる深さ位置に配設されることを特徴とする。
本発明は更に、前記微粒子を除去する工程が、前記容器の底部から所定高さにある前記液体の一部を除去することにより行われることを特徴とする。
本発明は更に、前記容器の底部からの所定高さが、前記容器内の液体の液面高さの上から１０％の高さ以内であることを特徴とする。
【００１９】
本発明は更に、微粒子を製造する装置であって、液体を収容する容器と、少なくとも１つの電極対と、前記電極対のうち一方の電極を他方の電極に対して変位させる機構と、前記電極対の２つの電極間にパルス放電を生じさせる機構と、前記微粒子を除去する機構を備えることを特徴とする微粒子製造装置である。
本発明は更に、前記微粒子を除去する機構が、少なくとも１つの収集用電極と、該収集用電極にバイアス電圧を印加する手段を備えることを特徴とする。
本発明は更に、前記微粒子を除去する機構が、少なくとも１つの磁石と、前記容器へ前記磁石を挿入する手段と、前記容器から前記磁石を取り除く手段を備えることを特徴とする。
本発明は更に、前記電極対から前記微粒子除去手段付近へ向かう流動を前記液体に生じせしめる機構を備えることを特徴とする。
本発明は更に、前記微粒子除去手段から前記電極対付近へ前記液体を再流動させる手段を備えることを特徴とする。
【００２０】
本発明は更に、金属及び炭素を備える粒子であって、前記粒子は略球形状であり、前記粒子の直径は１０ｎｍ以上２５μｍ以下であり、前記粒子の構成が該粒子の中心からの距離の関数に従って変化し、前記金属の量が前記粒子中心からの距離の増大につれて減少し、前記炭素の量が前記粒子中心からの距離の増大につれて増加することを特徴とする粒子である。
本発明は更に、前記粒子がナノテクスチャ面を備えることを特徴とする。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
本発明は、以下の図面を参照しつつ説明される。尚、以下に説明される実施例は単に例示するものにすぎず、何ら本発明を限定するものではない。また、図示例も、本発明の一例を示すものにすぎない。尚、図示例は、本発明の好適な実施形態を示すものであり、最も有用であり且つ本発明の原理並びに概念的特徴を容易に理解可能なように記載されている。したがって、図面は本発明の構造的詳細を示すものではなく、本発明の根本的理解に必要とされる程度以上には記載されていない。
図面を用いて説明することにより、当業者はいくつかの実用的な形態を実施するための方法を理解できることとなる。尚、図面において、同様の構成要素には同様の文字・符号が用いられている。
【００２２】
本発明は、ナノ粒子及びマイクロ粒子を製造する方法に関する。本発明の方法により、様々な新規な粒子を製造可能となる。
本発明に係る装置は、容器を備える。容器内には液体が収容されている。容器内に収容された液体には、粒子に組み込まれる元素が含有されている。また、装置は、一対の電極並びに一対の電極間にアークを生じさせるための手段を備える。
本発明のいくつかの実施形態において、追加の電極が容器内に配される。追加の電極は直流電源に取り付けられ、粒子を収集する役割を担う。
粒子は、液体中でパルスアーク放電を生じさせることにより作り出される。これにより、プラズマ泡が形成される。プラズマ泡中には、電極から壊食されるとともに液体から蒸発する材料が含有される。形成される粒子は、一般的には、液体中を浮遊することとなる。粒子の種類によっては、液面上を浮遊することとなる。或いは粒子の種類によっては、容器の底部に沈殿する。
ある実施形態においては、粒子は磁石を用いて除去されることとなる。また、ある実施形態においては、バイアス電圧を印加された収集用電極を用いて、粒子を収集することにより、粒子が除去される。
本発明の新規な粒子の例として、金属成分を多く含有するコアを炭素成分を多く含有するシェルで覆ったものや、金属成分を多く含有するコアを磁性粒子で覆ったもの、金属成分を多く含有するコアを電荷を有する粒子で覆ったものが挙げられる。
【００２３】
本発明の説明において、「粒子」との用語は、様々な構成要素並びに形状の粒子を総称するものである。
本発明の微粒子製造方法の原理並びに実行態様は、以下の図面を参照するとともに以下に記載の説明を以って、十分な理解が可能となる。
本発明の少なくとも１つの実施形態の詳細な説明を行う前に、本発明は以下の説明並びに図面に記載された構造詳細並びに要素構成に何ら限定をされるものでなく、本発明の原理に従う全ての応用例が本発明に含まれるものである。本発明は、他の実施例として実行されることも可能であるし、様々な方法で実用化され、実行されうるものである。また、以下の説明において用いられる文言並びに技術用語は、単に説明の目的にのみ用いられるものであって、何ら本発明を限定するものとして解釈されるべきものではない。
【００２４】
本発明の基本的原理は図１に例示される概略図を参照しつつ以下に説明される。
容器（１０）は液体（２０）を収容する。液体（２０）は、粒子に組み込まれる元素を含有する。
一対のアーク電極（３０，３２）間にパルスアーク放電が発生する。これにより電極（３０，３２）間にプラズマ泡（４０）が生ずることとなる。電流並びに電圧は、パルス電源（５０）により作り出される。電極（３２）に対する電極（３０）の位置は変位機構（６０）により決定される。
【００２５】
アーク放電はいくつかの方法により行われる。本発明の１つの好適な実施形態として、「接触モード」を適用可能である。接触モードにおいて、変位機構（６０）は、周期的な振動動作を生じさせる。これにより、電極（３０）は電極（３２）に対して周期的に接触状態並びに非接触状態となることを繰り返す。電源（５０）は、電極（３０）が電極（３２）と接触するとき電流を流す。その後、電極（３０）と電極（３２）が非接触状態となったときにも、「ドロウン・アーク方式」（Drawn Arc）の放電により、電流が流れ続ける。接触モードにおいては、電源（５０）に要求される電圧は比較的低圧である。
【００２６】
他の好適な実施形態において、アークを発生させるために「ブレークダウン・モード」を採用可能である。このモードにおいて、電極（３０）は静止状態を維持する。アークは、電源（５０）から比較的高い電圧を最初に印加することにより発生する。そして、この高電圧は、電極（３０）と電極（３２）間の空隙を絶縁破壊する。
【００２７】
粒子は、パルス電圧を印加している間或いはパルス電圧印加直後に、プラズマ泡（４０）の内部或いはプラズマ泡（４０）近傍で作り出される。パルス電圧を印加後、プラズマ泡は破壊する。そして、少なくともいくつかの製造された粒子が、アーク電極（３０，３２）上に配されることとなる。或いは、液体（２０）中に最初から浮遊することとなる。
本発明の好適な実施形態において、パルス電圧が電源（５０）から周期的に印加される。そして、新たな粒子がパルス電圧を印加するたびに液体中に放出されることとなる。
本発明のいくつかの実施形態において、様々な大きさの粒子並びに様々な種類の粒子が作り出される。そして、時間経過とともにこれら粒子が分離し、いくつかの種類の粒子或いはいくつかのサイズの粒子が選択的に液面上を浮遊し、他の粒子が容器底部に沈殿することとなる。
【００２８】
粒子は、いくつかの手段を用いて、液体から除去される。液体が容器から除去されてもよく、液体を蒸発させる表面上に液体が移されてもよい。液体を蒸発させる表面上に液体が移されると、液体が蒸発した後、粒子を含む残渣が表面上に残ることとなる。ある実施形態においては、表面が加熱され、液体の蒸発が加速される。
【００２９】
他の好適な実施形態において、容器（２０）の任意の高さにある部分より上の位置にある液体が選択的に除去される。例えば、容器（１０）の底表面から任意の高さにある液体或いは液面から任意の位置にある液体が選択的に除去される。
分離工程の多種の変更形態が実施されてもよい。例えば、容器内の液体が蒸発作用により選択的に除去される形態も採用可能である。この場合、粒子を含む固体残渣がその後、容器の壁面から除去される。或いは、容器の壁面上に載置された基台から粒子を含む固体残渣が除去される形態を採用してもよい。
他の分離工程の実施形態として、容器（１０）内に磁石を沈め、磁性粒子を除去する形態も採用可能である。この形態では、磁性粒子が磁石に引き寄せられ、磁石に吸着した粒子が磁石とともに除去される。
【００３０】
他の好適な実施形態において、いくつかの種類の粒子が、液体（２０）中に挿入された少なくとも１つの追加の収集用電極によって、電気的に除去されてもよい。例示的に１つの実施態様が図１に表されている。一対の電極（８０，８２）が液体（２０）中に挿入されている。第２の電源（７０）により、電極（８０，８２）間に直流電圧が印加される。適切に電圧極性並びに電圧の大きさを設定することにより、粒子が収集用電極に引き寄せられる。収集用電極はその後取り除かれ、これに伴い収集用電極に付着した粒子も取り除かれる。収集用電極を用いた収集工程は、アーク電極の近傍で、パルスアークを平行して生じさせながら行われてもよい。
【００３１】
ある好適な実施形態において、液体（２０）中に流動を生じさせてもよい。或いは、電極（３０，３２）付近から収集用電極に向けて強制的な流動を生じさせてもよい。これにより、液体とともに粒子が移動することとなる。
他の好適な実施形態において、シーケンス・パルスアークを生じさせ、電源（５０）からのシーケンス・パルスが完了した後、第２電源（７０）によって電圧を印加することにより粒子を収集する。
【００３２】
上述の粒子収集の手段として、液体（２０）を容器（１０）から蒸発させる方式を採用してもよい。これにより、粒子を含有する残渣が容器（１０）の内表面に残ることとなる。そして、この残渣が回収される。蒸発作用を利用した粒子分離工程は、アルコールのような揮発性材料を液体（２０）に用いると、好適に実施可能となる。
他の手段として、粒子を含有する液体を容器から取り除くとともに濾過する手段を採用可能である。これにより、粒子はフィルタにより捕捉される。この方式において、既知の様々な濾過技術を採用可能である。例えば、真空濾過や圧力濾過の技術を好適に利用可能である。必要に応じて、洗浄工程並びにリパルプ工程が実行されてもよい。
【００３３】
電極材料は、放電を維持することが可能なものであるならば、任意の材料を適用可能である。好適な実施形態において、電極は金属（例えば、W, Mo, Fe, Ni, Co, Zn, Au, Ag, Pt）、半導体（例えば、グラファイト、Si）といった導電性材料から製造されてもよい。
他の実施形態においては、電極は導電性コアと絶縁性コーティングを備える。
【００３４】
液体（２０）は、有機流体（例えば、アルコール、ケロシン、パラフィン・オイルなど）や酸や塩といった溶質を含有する溶液を含む様々な材料のうち少なくとも１つから選択される。
電極並びに液体材料の選択の基準の１つは、製造する粒子の構成である。これら粒子は、液体材料並びに電極材料の成分の組み合わせから構成されることが好ましい。
【００３５】
アーク電極（３０，３２）は、様々な形状であってもよい。例えば、図１に示すような２つのロッドとして形成されてもよい。或いは一方の電極をロッド形状とし、他方の第２電極を平板状に形成してもよい。パルスのパラメータ（例えば、ピーク電流、波形、パルス持続時間、繰り返し周波数）は、広い範囲で変更可能である。パルス・パラメータの変化は、一般的には、製造される粒子の性質並びに大きさに影響を与える。一般的には、他の条件を一定に保った状態において、パルス持続時間を低減すると、製造される粒子径は小さくなる。
【００３６】
（実施例）
上述の説明に基づいて、以下に具体的な実施形態について説明する。尚、以下に示す実施形態は、本発明を何ら限定するものではない。
例示される粒子は、表１に示される共通の構成／パラメータを用いて製造されたものである。
【００３７】
（表１）
実施例の共通の構成
2007504944.tif 000003
【００３８】
粒子製造の様々な例に対して得られた結果は、表２に示される。尚、表２に示す結果は、表１に詳述される共通の構成を用いて得られたものである。表２の結果は、粒子の特性並びに製造された粒子の簡単な説明並びに粒子の収集に関する簡単な説明を示している。
【００３９】
（表２）
2007504944.tif 000004
【００４０】
全ての粒子製造例において、同一材料からなる一対のアーク電極間で接触モードが用いられる。図２に示す如く一対のアーク電極は互いに相違する形状並びに大きさを有する。粒子は２つの方法のうち一方を用いて行われる。表２中「収集」とラベル付された列に収集方法が記載されている。
「液面」と記載された収集方法について、少量の液体がピペットを用いて容器表面から除去される。そして、この少量の液体はガラス製の顕微鏡スライドに移される。ある実施例においては、スライドには、予めAuフィルム（厚さ５０ｎｍ）が載置されている。或いは、少量の液体はCuグリッドにより被覆されたアモルファス・カーボンに移される。Auフィルム或いはアモルファス・カーボンは透過型顕微鏡（ＴＥＭ）で観察するために用いられる。
液体を蒸発させ、サンプルが走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）或いはＴＥＭを用いて試験された。
「沈殿」と記載された収集方法について、ガラス製顕微鏡スライド（いくつかの実施例において、スライドは厚さ５０ｎｍのAuフィルムを備える）がアーク放電後に、容器（１０）の底部に載置される。液体が蒸発し、スライドが除去される。スライド上の沈殿物がＳＥＭにより試験される。
【００４１】
炭素製電極で液体がアーク処理を受け（表２中、例１）、容器（１０）の表面から除去された液体がTEMグリッド上に載置されると、中空のナノ粒子が観察される。観察される粒子の外径は２０ｎｍを有している。また、ナノ粒子の内径は５ｎｍである。
炭素の要素は、電子線回折解析法により確認される。この例において、炭素原子は、グラファイト電極或いはアルコール液のいずれか一方から生じたものである。典型的な粒子の写真が図２に示される。
【００４２】
液体がNi電極を用いてアーク処理を受けると（表２中、例２乃至５）、様々な種類の粒子が観察される。沈殿方法を用いて、コーティングされていないガラス製スライドで収集されるとともにＳＥＭによって試験されたサンプルは、クラックにより分断された２０μｍ以下から４０μｍの範囲の大きさの平坦な孤立片から構成される（図３ａ参照）。孤立片上にいくつかの球形粒子が存在している。この球形粒子の大きさは、数μｍから２５μｍの範囲で分布している（図３ｂ参照）。ほとんどの球形粒子の表面には、浮き模様が現れている（例２）。尚、いくつかの粒子は、図４（例３）に示す如く滑らかな表面を備えている。
浮き模様が現れた粒子の高い拡大倍率のＳＥＭ写真を見ると、表面が繊維状構造をなし、各「繊維」が典型的には、３から７ｎｍの径を有し、１００から２００ｎｍの長さを有している。
沈殿物の一般的な領域に対するＥＤＸ（エネルギ分散型）分析を行うと、材料の構成は、72.5atom%(at.%)のCと、27.5 at.%のNiであることが分かる。ＥＤＸ分析は、浮き模様の付いた表面を備える球形粒子は、64.5 at.%のCと35.5at.%のNiからなることを示す。また滑らかな表面を有する球形粒子は、33.38 at.%のCと64.62 at.%のNiからなることを示す。
イオンミリング装置と一体となったＸ線光電子分光装置（ＸＰＳ）が典型的な浮き模様付粒子の外側の層の深さに応じた構成を決定するために用いられる。この結果、表面は約80 at.%のCと、20 at.%のNiからなることが判明する。また、深さが増すと、Cの小片は減少し、Niの小片が増加する。そして、約２０ｎｍの深さにおいては、70 at.%のCと、30 at.%のNiとなる。これらの結果から、炭素（液体から発生したもの）が繊維状の構造を球形粒子表面で形成し、球形粒子のコア（中心部）はほとんどNiから構成されることが分かる。
【００４３】
約１０滴の液体が液面から除去され、ＴＥＭグリッドに滴下される（表２中、例４）。アルコールを蒸発させた後、グリッドがＴＥＭにより試験された。例４は、球形粒子を含み、球形粒子の直径は典型的には５から８nmである（図５参照）。高解像度ＴＥＭによれば、秩序正しい結晶配列が観察され、隣接する面の間隔は０．２ｎｍである。ＴＥＭ内でＥＤＸ分析が実行され、この粒子がNiからなることが分かる。
【００４４】
図２中例５は、他の例と若干異なる状態で得られたものである。液体は、長さ３００ｍｍ、幅１００ｍｍの直方体の容器に収容され、容器は４０ｍｍの深さになるまでアルコールで満たされている。液体はNi電極を用いて、アーク処理を受ける。電極は表１で特定されるパラメータを用いて、５分間容器の一端部に載置される。処理後の液体を収容する容器は、３時間程度放置される。その後、約１０滴分の液体が、電極の直上にある液面から除去される。除去された液体はＴＥＭグリッドに滴下される（図２中、例５）。アルコールを蒸発した後、グリッドはＴＥＭにより試験される。オニオンのような構造を有する粒子が例５（図６参照）において観察される。この観察された粒子は、同心状の球状層から構成される。これら粒子は典型的には、１５から２０ｎｍの外径を備え、内部の空洞の直径は約５から８ｎｍである。ＥＤＸ分析がＴＥＭ内で実行され、これらの「オニオン」の組成が純粋なCからなることが確認される。
いくつかの例においては、オニオンが互いに群生することが確認される。このオニオンの集合の大きさは５０から６０ｎｍである（図７参照）。
【００４５】
表１のパラメータに基づいてFe電極を用いて処理された液体サンプルが、「沈殿」方法を用いて除去される（図２中、例６）。サンプルの形態はＳＥＭにより可視化され、例２に示すようなクラックによって分断された孤立片を備えることが分かる。図８ａは、後方散乱（BS: Back Scattered）電子像を用いて作られたＳＥＭ顕微鏡写真である。図８ａに示す如く、球形粒子は明るいトーンで現れ、暗い背景の表面から突出したように見える。これらの粒子は２５μｍ以下である。図８ｂは、粒子表面を高い倍率で拡大したＳＥＭ顕微鏡写真である。図８ｃは、同じ高い倍率で拡大したＳＥＭ顕微鏡写真であり、粒子表面上の回転楕円状のナノ構造を示す。ＢＳ−ＳＥＭ顕微鏡写真（図８ａ参照）の明るいトーンで示される粒子は、背景として現れる「孤立片」材料より、重い原子（即ち、Fe）を多く含有することを示す。
【００４６】
表１のパラメータを用いてW電極で処理された液体は、「沈殿」並びに「液面」で示す方法を用いて取り除かれる（図２中、それぞれ例７及び８）。図９ａ，ｂ，ｃは、徐々に拡大率を上げて撮影されたＳＥＭ顕微鏡写真である。沈殿の方法で取り除かれたサンプルの表面は丸い粒子からなり、この粒子の直径は１０μｍであり、粒子は粗い表面を有する。粒子表面を粗くする構造物も丸くなり、その構造物の典型的な大きさは５０ｎｍ以下である。
ＥＤＸ分析によりW及びCの存在が確認される。「液面」の方法により採取されたサンプル中確認された粒子は、直径３から４ｎｍである（図１０参照）。高解像度ＴＥＭ顕微鏡写真内で、結晶表面が観察可能である。ＥＤＸ解析により、これらのナノ粒子は純粋なWから構成されることが判明する。
【００４７】
（粒子の沈殿並びに分離）
液体へのアーク処理の間、電極周囲に気泡が形成されるとともに時間経過とともに液体の透明度が低減する。アーク処理の終了時には、液体全体が黒色となり、異なる不透過率を有することとなる。Ni電極やFe電極で処理された液体（表２中、例２乃至５）は、C電極やW電極を用いて処理された液体（表２中、例１、例６及び７）よりも黒味がかっている。アーク処理後、Ni電極で処理された液体（表２中、例２乃至４）は、時間経過に伴って、徐々にその透明度が回復する。そして、通常の室温状態で１５乃至４５分を経過した後は、比較的高い透明度を有することとなる。C電極、W電極及びFe電極で処理された液体（例１、例５乃至７）は、全ての液体が蒸発するまで黒色を保っている。
【００４８】
Ni電極を用いて処理された液体の蒸発工程の間、最初の液面の高さと略等しい位置の容器（１０）内部表面に黒色の帯が取付けられる。黒色の沈殿物が容器の底部に溜まる。W電極、Fe電極及びC電極を用いて処理された液体は容器壁面の全ての高さにおいて黒色の堆積物を生じさせる。
【００４９】
（電気的及び磁気的分離）
粒子の電気的な収集がいくつかの試験で行われた。容器（１０）内のNi電極を用いてアーク処理された液体が撹拌され、ペトリ皿に移される。ペトリ皿は、内径５２ｍｍであり、８ｍｍの深さまで液体が入れられる。そして、一対の銅電極（５１ｘ７ｘ５ｍｍ）がペトリ皿内部に配される。銅電極間の間隔は５ｍｍである。ペトリ皿はその後、光学的金属顕微鏡のステージ上に載置される。
金属顕微鏡の像は、ムービ・モードでデジタルカメラを用いて撮像される。ムービの連続的なフレームを試験することにより、液体中に懸濁された個々の粒子の速度が決定される。
電極に電圧印加をすることなしに、２５μｍ以下の大きさを有する粒子が、約０．３以下から０．５ｍｍ／ｓの速度（Ｖ）でランダムに移動する様子が観察される。電極間に３００Ｖの直流電圧を印加すると、粒子は約VEから２．５−３．５の速度で、正の電極に対して略直角方向に移動する様子が観察される。
他の試験において、液体がNi電極を用いてアーク処理され、その後、電極を備えるペトリ皿に上述の如く配される。そして、５００Ｖの直流電圧を電極間に印加する。アーク処理された電極は、最初に黒色となる。１０−１５分以内に電極間の液体は透明になり、正の電極上に黒色のコーティングが現れる。電極の重量が試験前並びに試験後に計測される。図１１に示すマスゲイン（質量変化）は、正の電極によって粒子が選択的に収集されたことを示す。
【００５０】
同様の試験が、W電極を用いて処理された液体に対して行われる。処理後の液体は電極を備えるペトリ皿に配置される。電極間には５００Ｖの直流電圧が印加される。そして、同様の現象が観察され、液体は黒色から透明度を増した状態となる。しかしながら、電極の質量変化は無視できる程度の微量である。
【００５１】
Ni電極或いはFe電極を用いてアーク処理された液体は容器（１０）内に配され続け、永久磁石により作り出された磁場に曝される。永久磁石は容器の外壁近傍に配される。液体に対して、アーク処理後短時間の試験を行うと、磁石近傍の液体が黒色となり、磁石から離れた液体は明度を増すこととなる。即ち、液体内の粒子が磁石に引き寄せられることとなる。液体を一部蒸発させ、粒子の濃度を増加させる。そして、磁石を容器の外壁近傍に載置するとともに磁石の高さを液面より若干上に位置させる。この結果、液面の隆起が生ずることが観察される。尚、この隆起は１−２ｍｍ程度である。W電極を用いてアーク処理された液体は、上述のような磁石に引き寄せられる挙動を示さない。
【００５２】
他の実施例において、金属炭化物粒子が、金属電極及び炭素含有液体（例えば、アルコール）を用いることで作り出される。
ある実施形態において、WC粒子が、W電極と液体アルコールを用いて作り出される。粒子は、大きな炭化物粒子と混合され、粒子混合体が形成される。粒子混合体は、大きな粒子間に空隙を備え、その空隙の間にマイクロ粒子及びナノ粒子が充填される。マイクロ粒子及びナノ粒子はアーク処理により作り出される。
ある実施形態において、マイクロ粒子及びナノ粒子が大きな粒子に液体中の浮遊物として添加される。このマイクロ粒子及びナノ粒子は当該液体から作り出されたものである。液体は分散を促すために用いられ、大きな粒子と小さな粒子の混合を促す。混合液はその後加熱され、液体成分が蒸発する。加熱により混合物は十分な高温となり、焼結が生ずる。これにより、全ての粒子に対して結合作用が生じ、１つの固形物が形成される。
【００５３】
他の実施形態において、粒子の製造と分離は、連続的なプロセスで同時に実行される。この実施例において、液体は少なくとも１つのアーク電極対を含む１つの領域を通過し、その後、他の領域を通過する。この他の領域において、粒子が収集される。収集工程は、沈殿、電気的誘引或いは磁気的誘引作用を用いてもよい。液体の流れの経路に沿って、連続的に収集器を配列することで、粒子は密度、電荷或いは磁気モーメントに応じて分離される。粒子除去後の液体は、電極領域に再循環される。
図１２は、この実施形態の一例を概略的に示す。この実施形態において、製造領域（１２０）内の液体中でパルスアークを発生させ、粒子が作り出される。粒子はその後、収集領域（１３０）へ輸送される。電荷を有する粒子は連続的に配設された上側電極（１８１，１８２，１８３）並びに下側電極（１９１，１９２，１９３）を用いて収集される。これら上側電極（１８１，１８２，１８３）と下側電極（１９１，１９２，１９３）の間には、電圧Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３が印加される。この電圧印加は電源（１７１，１７２，１７３）によりそれぞれ行われる。図１２中の矢印は、流体の流れの一般的な方向を示す。この流体の流れは浮遊する粒子を輸送する。液体は、収集領域（１３０）の一端から製造領域（１２０）に向かって、ポンプ（１４０）を動作させることにより再循環される。
いくつかの実施形態においては、液体を収容する容器が閉塞され、蒸発量を最小限化してもよい。また、いくつかの実施形態においては、蒸発によって失われた液体を周期的或いは連続的に再補充する手段を用いてもよい。
【００５４】
懸濁された粒子を含有する液体は、特定の用途において利便性が高い。例えば、懸濁された球形のナノ粒子を含有するオイルは、非常に優れた潤滑性能を示すこととなる。磁性粒子が懸濁された低い蒸気圧を有する液体は、磁性流体を形成し、この磁性流体は真空システムに対するモーション・フィードスルーをシールすることとなる。
本発明のある実施形態においては、懸濁された粒子を含有する液体は、適切な材料からなる電極間での連続パルスアーク放電により液体を処理することにより作り出される。
【００５５】
（動作機構）
理論によって限定されるものではないが、ここで動作機構について説明する。
液中放電は科学的文献により既知のものとなっている。液中放電は、様々な種類の技術的装置並びにプロセスを用いて行うことが可能である。例えば、オイルが充填されたサーキット・ブレーカ、放電加工機（ＥＤＭ）や電動加工機がこのような装置並びにプロセスに含まれる。
放電は「アークを引き伸ばす」ことによって行われてもよい。この場合、互いに離れて配設される２つの電気的接触面に電流が流れる。接触面の表面は完全に滑らかである必要はないが、顕微鏡レベルで均一であることが好ましい。また多数の凹部並びに凸部を備えることが好ましい。一般に電気的接触は、対向する電気的接触面へ突出する凸部同士が接触することにより生ずる。接触面が完全に剛体であり、接触が一対の凸部によってのみ生ずることとなる。しかしながら、表面、特に表面上の凸部は、２つの接触面を保持するための圧力によって、弾性変形及び塑性変形をする。力が解放され、接触状態を解除するために接触面同士が引き離されると、接触状態が解除される直前に、接触面の凸部によって形成された非常に狭いブリッジを介して電流が生ずる。非常に低い熱伝導性により高いΩ熱を生じ、このオーム熱はこの開離時のブリッジを加熱するとともに爆発させ、接触材料の蒸気を形成することとなる。もし爆発温度が十分であるならば、蒸気は部分的にイオン化し、プラズマを生じさせる。プラズマは、電流を生じさせ続け、プラズマが更に加熱されることとなる。
【００５６】
応用例として、放電を絶縁破壊によって生じさせてもよい。この場合、非接触状態にある電極間に電圧を印加する。電極間にある液体媒体の絶縁強さを超える大きさの電圧を印加することで放電が生ずる。絶縁破壊プロセスは一般的にカスケード反応を含む。カスケード反応が生じているとき、自由電子が、電場によって加速され、原子や分子をイオン化するのに十分なエネルギを有することとなる。このイオン化は、自由電子が原子や分子と生ずることにより行われる。この結果、電子−イオン対を生ずることとなる。ここで、２つの電子が利用可能となり、同様に加速され、原子と衝突し、更に追加の２つの自由電子を生じ、連鎖反応することとなる。
【００５７】
放電の方法にかかわらず、放電が一度開始すると、電流が、電流を生じさせる電源及び電極間に形成されるプラズマの特性の組合せにより制御される。本発明において、プラズマは、蒸発される液体と蒸発される電極材料の組み合わせからなる。典型的には放電プラズマは、数eVの単位の温度、即ち、数万ケルビンの温度に達することとなる。プラズマは典型的には気泡中で生じ、比較的低温の電極表面（プラズマの温度と比較して）並びに周囲を取り囲む液体壁に囲まれる。プラズマ内部では、原子及び分子がエネルギレベルの高い電子と衝突する。これにより、原子や分子の励起、イオン化及び分離が引き起こされる。また、原子や分子同士が衝突し、新たな分子やラジカルを形成することもある。気泡の壁、即ち、気泡を取り囲む電極及び液体表面は、固体粒子の濃縮に好適な位置に配される。尚、この固体粒子は、液体及び電極から生じた原子を組み合わせることにより形成される。
いくつかの形態において、プラズマ内部及び、プラズマとプラズマを取り囲む固体或いは液体との境界で生ずるプロセスが、物理気相成長法（ＰＶＤ）や化学気相成長法（ＣＶＤ）と組み合わされてもよい。電極材料のアーク蒸着により濃縮可能とされるプラズマの形成は一般的に真空アーク蒸着によって生ずる。例えば、ＰＶＤバリアントが挙げられる。蒸発される液体材料の使用はＣＶＤの分野でよく知られている。液体環境内の気泡内でこの２つを組み合わせることは新規且つ革新的である。
【００５８】
プラズマ泡内部の瞬時圧力は非常に高く、プラズマ化学反応を促進する。プラズマ泡の急速な形成並びにプラズマ泡の急速な破壊は、周囲の液体に高い圧力圧縮波を生じさせる。この圧力圧縮波が形成された固体粒子を分散させる役割を担うものであってもよい。可能であれば、電極表面に形成された粒子を強制的に移動させるものであってもよい。
【００５９】
本発明の粒子の分離及び収集は、蒸発、沈殿、電場或いは磁場の組み合わせにより実施可能である。これらの分離及び収集方式は、粒子原料に応じて定められる。
沈殿は、重力作用を利用するものであり、重い粒子が軽い粒子よりも速く容器の底部に引っ張られる。軽い粒子は液体と結合し、液体中で浮遊状態を維持することとなる。そして、軽い粒子は比較的大きな粒子となる。
本発明で説明された電気的な粒子の収集は、既知の電気化学的破壊効果から開始してもよい。特に金属は、正のイオンを、周囲を取り囲む液体に放出し、負の電荷が粒子に残る。この破壊並びに電荷放出のプロセスは、周囲を取り囲む電解液との平衡状態が得られるまで続く。負の電荷により生じた電場はイオンを引き付けるのに十分である。引き付けられないイオンは液体に解放される。磁気的収集は、強磁性材料、例えば、Ni或いはFeが放電電極として用いられるときに効果的である。
【００６０】
本明細書及び請求の範囲で用いられる「微粒子」或いは「マイクロ粒子」との用語は１００ミクロン以下の大きさの粒子を意味する。
本明細書及び請求の範囲で用いられる「ナノ粒子」との用語は１００ｎｍ以下の大きさの粒子を意味する。
本明細書及び請求の範囲で用いられる「プラズマ泡に付随して生ずる微粒子」並びにこれに類する用語は、プラズマ泡内或いはその近辺で作り出された粒子を意味する。
本明細書及び請求の範囲で用いられる「電流振幅とパルス持続時間の積（Ｐ）」並びにこれに類する用語は、電流振幅とパルス持続時間の計測値（例えば、半振幅点におけるパルス幅）の積算値を意味する。
本明細書及び請求の範囲で用いられる「分類」との用語は、粒子の種類、組成或いは大きさによって仕分け或いは部分的に仕分けする粒子を収集する工程を意味する。
【００６１】
本発明について特定の実施形態とともに説明してきたが、多くの変更、改良並びに改善形態を当業者が実施できることは明らかである。したがって、本発明は、添付の請求の範囲に記載される発明の内容に含まれる全ての変更、改良並びに改善形態を全て含むものである。本明細書において言及された公報、特許並びに特許出願は本明細書に参考文献として組み込まれる。そして、個々の公報、特許並びに特許出願がそれぞれ個別に参考文献として参照されるものとする。加えて、本出願において引用並びに特定した文献開示の内容は、本発明に対する従来技術として利用可能なものであるという意味に解釈されるべきではない。
【図面の簡単な説明】
【００６２】
【図１】本発明の概略ダイアグラムである。
【図２】本発明の一実施形態に基づき作られたカーボン・ナノ粒子のＴＥＭ顕微鏡写真である。
【図３】図３（ａ）乃至図３（ｂ）は本発明の実施形態に基づいて、Ni電極を用いて得られたマイクロ構造体及びナノ構造体のＳＥＭ顕微鏡写真である。
【図４】本発明の一実施形態に基づいて作り出された粗い面を有する球形粒子並びに滑らかな面を有する球形粒子のＳＥＭ顕微鏡写真である。
【図５】本発明の他の実施形態に基づき、液体の「上層」から得られたNi球形粒子のＴＥＭ顕微鏡写真である。
【図６】本発明の一実施形態に基づいて得られたカーボン・オニオン状の構造体のＴＥＭ顕微鏡写真である。
【図７】本発明に基づいて得られたカーボン・オニオン状の構造体のＴＥＭ顕微鏡写真である。
【図８】図８（ａ）乃至図８（ｃ）は、本発明の一実施形態にしたがって、Fe電極を用いて得られたマイクロ構造体及びナノ構造体のＳＥＭ顕微鏡写真である。
【図９】図９（ａ）乃至図９（ｃ）は、本発明の一実施形態にしたがって、W電極を用いて得られたマイクロ構造体及びナノ構造体のＳＥＭ顕微鏡写真である。
【図１０】本発明にしたがって、液体の「上層」から得られたW粒子のＴＥＭ顕微鏡写真である。
【図１１】電極間に５００Ｖ直流電圧を印加することにより得られた電極によるマスゲインを示すグラフである。尚、電極はNiアーク電極間のアークによって予め処理された液体中に配されている。
【図１２】本発明の他の実施形態に従って構築された粒子分離・収集を行う連続反応器の概略ダイアグラムである。
【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８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【国際調査報告】
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