(57)【要約】金属基材にカーボンナノチューブを成長させるためのプロセスが本明細書に記載されている。そのプロセスには、金属基材に触媒前駆体を析出させること、任意で、金属基材に非触媒物質を析出させること、及び、触媒前駆体及び任意の非触媒物質の析出後、カーボンナノチューブが表面に成長するように、金属基材をカーボンナノチューブ成長環境に曝露すること、が含まれる。カーボンナノチューブ成長環境は、触媒前駆体をカーボンナノチューブの成長に使用可能な触媒に変換する。金属基材は、静止した状態であるか、あるいは、カーボンナノチューブが成長している間、搬送されることが可能である。表面にカーボンナノチューブが成長した金属基材も記載されている。【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属基材に触媒前駆体を析出させること、
前記金属基材に非触媒物質を析出させること、及び
前記触媒前駆体及び前記非触媒物質の析出後、カーボンナノチューブが表面に成長するように、前記金属基材をカーボンナノチューブ成長環境に曝露すること、
を含んで構成され、
前記カーボンナノチューブ成長環境は、前記触媒前駆体をカーボンナノチューブの成長に使用可能な触媒に変換するカーボンナノチューブ成長プロセス。
【請求項２】
前記カーボンナノチューブが成長している間、前記金属基材を搬送することを更に含んで構成される請求項１に記載のカーボンナノチューブ成長プロセス。
【請求項３】
前記触媒前駆体は、前記非触媒物質の前に析出する請求項１に記載のカーボンナノチューブ成長プロセス。
【請求項４】
前記触媒前駆体は、前記非触媒物質の後に析出する請求項１に記載のカーボンナノチューブ成長プロセス。
【請求項５】
前記触媒前駆体は、前記非触媒物質と共に析出する請求項１に記載のカーボンナノチューブ成長プロセス。
【請求項６】
前記触媒前駆体は、遷移金属の硝酸塩、遷移金属の酢酸塩、遷移金属のクエン酸塩、遷移金属の塩化物、及びこれらの水和物、並びにこれらの組み合わせからなる群より選択される遷移金属塩を含んで構成される請求項１に記載のカーボンナノチューブ成長プロセス。
【請求項７】
前記遷移金属塩は、硝酸鉄（II）、硝酸鉄（III）、硝酸コバルト（II）、硝酸ニッケル（II）、硝酸銅（II）、酢酸鉄（II）、酢酸鉄（III）、酢酸コバルト（II）、酢酸ニッケル（II）、酢酸銅（II）、クエン酸鉄（II）、クエン酸鉄（III）、クエン酸鉄（III）アンモニウム、クエン酸コバルト（II）、クエン酸ニッケル（II）、クエン酸銅（II）、塩化鉄（II）、塩化鉄（III）、塩化コバルト（II）、塩化ニッケル（II）、塩化銅（II）、及びこれらの水和物、並びにこれらの組み合わせからなる群より選択される請求項６に記載のカーボンナノチューブ成長プロセス。
【請求項８】
前記触媒前駆体は、ＦｅＯ、Ｆｅ2Ｏ3、Ｆｅ3Ｏ4、及びこれらの組み合わせからなる群より選択される請求項１に記載のカーボンナノチューブ成長プロセス。
【請求項９】
前記非触媒物質は、アルミニウム塩又はその水和物、ガラス、ケイ酸塩、シラン、及びこれらの組み合わせからなる群より選択される請求項１に記載のカーボンナノチューブ成長プロセス。
【請求項１０】
前記アルミニウム塩は、硝酸アルミニウム、酢酸アルミニウム、及びこれらの水和物、並びにこれらの組み合わせからなる群より選択される請求項９に記載のカーボンナノチューブ成長プロセス。
【請求項１１】
前記触媒前駆体及び前記非触媒物質は、夫々、少なくとも１つの溶液から析出する請求項１に記載のカーボンナノチューブ成長プロセス。
【請求項１２】
前記少なくとも１つの溶液は、溶媒として水を含んで構成される請求項１１に記載のカーボンナノチューブ成長プロセス。
【請求項１３】
前記触媒前駆体及び前記非触媒物質は、夫々、前記少なくとも１つの溶液において、約０．１ｍＭから約１．０Ｍに及ぶ濃度を有している請求項１１に記載のカーボンナノチューブ成長プロセス。
【請求項１４】
前記触媒前駆体及び前記非触媒物質は、夫々、前記少なくとも１つの溶液において、約５０ｍＭから約１．０Ｍに及ぶ濃度を有している請求項１１に記載のカーボンナノチューブ成長プロセス。
【請求項１５】
前記触媒前駆体及び前記非触媒物質は、夫々、スプレーコーティング、浸漬コーティング、ローラーコーティング、及びこれらの組み合わせからなる群より選択される技術により析出する請求項１１に記載のカーボンナノチューブ成長プロセス。
【請求項１６】
前記触媒前駆体に対する前記非触媒物質のモル比は、高々約６：１である請求項１１に記載のカーボンナノチューブ成長プロセス。
【請求項１７】
前記触媒前駆体に対する前記非触媒物質のモル比は、高々約２：１である請求項１１に記載のカーボンナノチューブ成長プロセス。
【請求項１８】
前記触媒前駆体及び前記非触媒物質は、金属基材に、約５ｎｍから約１μｍに及ぶ厚さを有する触媒コーティングを含んで構成される請求項１に記載のカーボンナノチューブ成長プロセス。
【請求項１９】
融点が約８００℃以下の金属基材に触媒前駆体を析出させること、及び
前記触媒前駆体の析出後、カーボンナノチューブが表面に成長するように、前記金属基材をカーボンナノチューブ成長環境に曝露すること、
を含んで構成され、
前記カーボンナノチューブ成長環境は、前記触媒前駆体をカーボンナノチューブの成長に使用可能な触媒に変換するカーボンナノチューブ成長プロセス。
【請求項２０】
前記カーボンナノチューブが成長している間、前記金属基材を搬送することを更に含んで構成される請求項１９に記載のカーボンナノチューブ成長プロセス。
【請求項２１】
前記カーボンナノチューブ成長環境に前記金属基材を曝露する前に、前記金属基材に非触媒物質を析出させることを更に含んで構成される請求項１９に記載のカーボンナノチューブ成長プロセス。
【請求項２２】
前記触媒前駆体は、前記非触媒物質の前に析出する請求項２１に記載のカーボンナノチューブ成長プロセス。
【請求項２３】
前記触媒前駆体は、前記非触媒物質の後に析出する請求項２１に記載のカーボンナノチューブ成長プロセス。
【請求項２４】
前記触媒前駆体は、前記非触媒物質と共に析出する請求項２１に記載のカーボンナノチューブ成長プロセス。
【請求項２５】
前記触媒前駆体及び前記非触媒物質は、夫々、少なくとも１つの溶液から析出する請求項２１に記載のカーボンナノチューブ成長プロセス。
【請求項２６】
前記少なくとも１つの溶液は、溶媒として水を含んで構成される請求項２５に記載のカーボンナノチューブ成長プロセス。
【請求項２７】
前記触媒前駆体に対する前記非触媒物質のモル比は、高々約６：１である請求項２５に記載のカーボンナノチューブ成長プロセス。
【請求項２８】
前記触媒前駆体に対する前記非触媒物質のモル比は、高々約２：１である請求項２５に記載のカーボンナノチューブ成長プロセス。
【請求項２９】
前記触媒前駆体及び前記非触媒物質は、夫々、スプレーコーティング、浸漬コーティング、ローラーコーティング、及びこれらの組み合わせからなる群より選択される技術により析出する請求項２５に記載のカーボンナノチューブ成長プロセス。
【請求項３０】
前記非触媒物質は、アルミニウム塩又はその水和物、ガラス、ケイ酸塩、シラン、及びこれらの組み合わせからなる群より選択される請求項２１に記載のカーボンナノチューブ成長プロセス。
【請求項３１】
前記アルミニウム塩は、硝酸アルミニウム、酢酸アルミニウム、及びこれらの水和物、並びにこれらの組み合わせからなる群より選択される請求項３０に記載のカーボンナノチューブ成長プロセス。
【請求項３２】
前記触媒前駆体は、遷移金属の硝酸塩、遷移金属の酢酸塩、遷移金属のクエン酸塩、遷移金属の塩化物、及びこれらの水和物、並びにこれらの組み合わせからなる群より選択される遷移金属塩を含んで構成される請求項１９に記載のカーボンナノチューブ成長プロセス。
【請求項３３】
前記遷移金属塩は、硝酸鉄（II）、硝酸鉄（III）、硝酸コバルト（II）、硝酸ニッケル（II）、硝酸銅（II）、酢酸鉄（II）、酢酸鉄（III）、酢酸コバルト（II）、酢酸ニッケル（II）、酢酸銅（II）、クエン酸鉄（II）、クエン酸鉄（III）、クエン酸鉄（III）アンモニウム、クエン酸コバルト（II）、クエン酸ニッケル（II）、クエン酸銅（II）、塩化鉄（II）、塩化鉄（III）、塩化コバルト（II）、塩化ニッケル（II）、塩化銅（II）、及びこれらの水和物、並びにこれらの組み合わせからなる群より選択される請求項３２に記載のカーボンナノチューブ成長プロセス。
【請求項３４】
前記金属基材は、アルミニウム、アルミニウム合金、マグネシウム、亜鉛、及び鉛−アンチモン合金からなる群より選択される請求項１９に記載のカーボンナノチューブ成長プロセス。
【請求項３５】
金属基材に触媒前駆体を析出させること、
前記触媒前駆体の前若しくは後、又は前記触媒前駆体と共に、前記金属基材に非触媒物質を析出させること、
前記触媒前駆体及び前記非触媒物質の析出後、カーボンナノチューブが表面に成長するように、前記金属基材をカーボンナノチューブ成長環境に曝露すること、及び
前記カーボンナノチューブが成長している間、前記金属基材を搬送すること、
を含んで構成され、
前記カーボンナノチューブ成長環境は、前記触媒前駆体をカーボンナノチューブの成長に使用可能な触媒に変換するカーボンナノチューブ成長プロセス。
【請求項３６】
前記金属基材は、約８００℃以下の融点を有する請求項３５に記載のカーボンナノチューブ成長プロセス。
【請求項３７】
請求項３５のカーボンナノチューブ成長プロセスにより作製されるカーボンナノチューブが表面に成長する金属基材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、概略的にはカーボンナノチューブに関し、より具体的には、カーボンナノチューブの成長に関する。
【０００２】
（関連出願の相互参照）
本願は、２０１０年９月２日出願の米国仮特許出願第６１／３７９，７１３号に基づき、合衆国法典３５巻（35 U.S.C.）第１１９条に従って優先権を主張するものであり、参照により全内容が本明細書に組み込まれる。また、本願は、２０１１年３月７日出願の米国特許出願第１３／０４２，３９７号、及び２００９年１１月２日出願の米国特許出願第１２／６１１，０７３号にも関連し、それぞれ参照により全内容が組み込まれる。
【０００３】
（連邦政府の資金提供による研究開発の記載）
適用なし。
【背景技術】
【０００４】
カーボンナノチューブは、有効表面積が大きく、機械的強度、並びに熱及び電気伝導度が高いため、多くの用途において有用であると提案されている。これらの用途の多くは、特に、金属基材で成長するカーボンナノチューブによく適している。
【０００５】
カーボンナノチューブを合成するために、通常、カーボンナノチューブの成長を媒介する触媒が必要とされる。ほとんどの場合、触媒は金属ナノ粒子、特に、ゼロ価の遷移金属ナノ粒子である。カーボンナノチューブの合成プロセスとして、例えば、マイクロキャビティ（micro-cavity）、熱又はプラズマ化学蒸着（ＣＶＤ）法、レーザーアブレーション、アーク放電、火炎合成、及び高圧一酸化炭素（ＨｉＰＣＯ）法など、当該技術分野において多くのものが知られている。カーボンナノチューブを合成するためのこのようなプロセスには、通常、カーボンナノチューブ成長に適した環境下で反応性気相炭素種を生成することが含まれる。
【０００６】
これら多数の方法を用いて、固体基材（solid substrate）におけるカーボンナノチューブの合成を実施できる。多くの場合、固体基材は、例えば、二酸化ケイ素あるいは酸化アルミニウムなどの難揮発性基材（refractory substrate）である。一方、金属基材（metal substrate）においてカーボンナノチューブを成長させることは、当該技術分野では非常に困難であると考えられている。この困難性に関して、いくつかの理由がある。第１に、金属には、カーボンナノチューブが生じる温度範囲（例えば、約５５０℃から約８００℃）に融点を有するものがあり、これにより、金属基材に熱損傷の影響を受けやすくさせている。アルミニウムは、このような金属基材の実例である（融点６６０℃）。損傷には、例えば、溶融（melting）、亀裂（cracking）、たわみ（warping）、孔食（pitting）、及び、特に、金属基材を薄くする薄化（thinning）が含まれる。カーボンナノチューブ成長温度を上回る融点を有する金属基材においてさえ、カーボンナノチューブ成長環境への長期間の曝露は、同じような種類の熱損傷の形成により、金属基材の構造的健全性を低下させる。さらに、金属触媒と金属基材との間における相互作用が、金属触媒に対する炭素原子の拡散を大幅に律速し（limit）、これにより、カーボンナノチューブの成長を著しく抑制する、あるいは妨げる。
【０００７】
前述を考慮すると、金属基材にカーボンナノチューブを成長させるための信頼性の高いプロセスは、当該技術分野において大いに有用である。本開示は、この必要性を満たし、関連する利点をも提供するものである。
【発明の概要】
【０００８】
ある実施形態において、本明細書に記載されるカーボンナノチューブ成長プロセスには、金属基材に触媒前駆体を析出させること、金属基材に非触媒物質を析出させること、及び、触媒前駆体及び非触媒物質の析出後、カーボンナノチューブが表面に（thereon）成長するように、金属基材をカーボンナノチューブ成長環境に曝露すること、が含まれる。カーボンナノチューブ成長環境は、触媒前駆体をカーボンナノチューブの成長に使用可能（operable）な触媒に変換する（convert）。
【０００９】
ある実施形態において、本明細書に記載されるカーボンナノチューブ成長プロセスには、融点が約８００℃以下の金属基材に触媒前駆体を析出させること、及び、触媒前駆体の析出後、カーボンナノチューブが表面に成長するように、金属基材をカーボンナノチューブ成長環境に曝露すること、が含まれる。カーボンナノチューブ成長環境は、触媒前駆体をカーボンナノチューブの成長に使用可能な触媒に変換する。
【００１０】
ある実施形態において、本明細書に記載されるカーボンナノチューブ成長プロセスには、金属基材に触媒前駆体を析出させること、金属基材に非触媒物質を析出させること、触媒前駆体及び非触媒物質の析出後、カーボンナノチューブが表面に成長するように、金属基材をカーボンナノチューブ成長環境に曝露すること、及び、カーボンナノチューブが成長している間、金属基材を移動させること、が含まれる。非触媒物質は、触媒前駆体の前若しくは後、又は触媒前駆体と共に析出する。カーボンナノチューブ成長環境は、触媒前駆体をカーボンナノチューブの成長に使用可能な触媒に変換する。
【００１１】
ある実施形態では、本願のカーボンナノチューブ成長プロセスにより表面に成長するカーボンナノチューブを有する金属基材が本明細書に記載されている。
【００１２】
前述において、後述の詳細な説明をより良く理解するために、本開示の特徴をある程度広く概説した。本開示の更なる特徴及び利点は後述されるが、これらは特許請求の範囲の主題を形成する。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】７５０℃の温度で５分間、静的な（static）化学蒸着環境下でパラジウム触媒を用いて銅基材に成長させたカーボンナノチューブの例示的なＳＥＭ（scanning electron microscope）画像を示し、（Ａ）は１１,０００倍の倍率、（Ｂ）は８０,０００倍の倍率である。
【図２】７５０℃の温度、かつ、毎分１フィートのラインスピードで（カーボンナノチューブ成長時間の１分間に相当する）、連続的な化学蒸着環境下でパラジウム触媒を用いて銅基材に成長させたカーボンナノチューブの例示的なＳＥＭ画像を示す。
【図３】７５０℃の温度で５分間、静的な化学蒸着環境下で鉄ナノ粒子触媒を用いて銅基材に成長させたカーボンナノチューブの例示的なＳＥＭ画像を示し、（Ａ）は２,５００倍の倍率、（Ｂ）は１２０,０００倍の倍率である。ここで、鉄ナノ粒子触媒は、非触媒Ａｃｃｕｇｌａｓｓ（登録商標）Ｔ−１１スピンオンガラス（Spin-On-Glass）の層を覆って析出した。
【図４】７５０℃の温度で３０分間、静的な化学蒸着環境下で鉄ナノ粒子触媒を用いて銅基材に成長させたカーボンナノチュー及びカーボンナノ繊維（carbon nanofiber）の例示的なＳＥＭ画像を示し、（Ａ）は１１０倍の倍率、（Ｂ）は９,０００倍の倍率である。ここで、鉄ナノ粒子触媒は、非触媒Ａｃｃｕｇｌａｓｓ（登録商標）Ｔ−１１スピンオンガラスの層下に析出した。
【図５】８００℃の温度、かつ、毎分２フィートのラインスピードで（カーボンナノチューブ成長時間の３０秒間に相当する）、連続的な化学蒸着環境下、鉄ナノ粒子触媒を用いてステンレス鋼のワイヤメッシュ（wire mesh）基材に成長させたカーボンナノチューブの例示的なＳＥＭ画像を示し、（Ａ）は３００倍の倍率、（Ｂ）は２０,０００倍の倍率である。ここで、鉄ナノ粒子触媒は、非触媒Ａｃｃｕｇｌａｓｓ（登録商標）Ｔ−１１スピンオンガラスの層下に析出した。
【図６】７５０℃の温度で５分間、静的な化学蒸着環境下で硝酸鉄触媒前駆体を用いて銅基材に成長させたカーボンナノチューブの例示的なＳＥＭ画像を示し、（Ａ）は１,８００倍の倍率、（Ｂ）は１００,０００倍の倍率である。ここで、硝酸鉄触媒前駆体は、非触媒物質の硝酸アルミニウムと共に析出した。
【図７】７５０℃の温度で１分間、静的な化学蒸着環境下で硝酸鉄触媒前駆体を用いてアルミニウム基材に成長させたカーボンナノチューブの例示的なＳＥＭ画像を示す。ここで、硝酸鉄触媒前駆体は、非触媒物質の硝酸アルミニウムと共に析出した。
【図８】５８０℃の温度で１分間、静的な化学蒸着環境下で硝酸鉄触媒前駆体を用いてアルミニウム基材に成長させたカーボンナノチューブの例示的なＳＥＭ画像を示す。ここで、硝酸鉄触媒前駆体は、非触媒物質の硝酸アルミニウムと共に析出した。
【図９】７５０℃の温度、かつ、毎分１フィートのラインスピードで（カーボンナノチューブ成長時間の１分間に相当する）、連続的な化学蒸着環境下で硝酸鉄触媒前駆体を用いてアルミニウム基材に成長させたカーボンナノチューブの例示的なＳＥＭ画像を示す。ここで、硝酸鉄触媒前駆体は、非触媒物質の硝酸アルミニウムと共に析出した。
【図１０】５５０℃の温度で１０分間、連続的な化学蒸着環境下で硝酸鉄触媒前駆体を用いてアルミニウム基材に成長させたカーボンナノチューブの例示的なＳＥＭ画像を示す。
【図１１】５５０℃の温度で１０分間、連続的な化学蒸着環境下で酢酸鉄／酢酸コバルト触媒前駆体を用いてアルミニウム基材に成長させたカーボンナノチューブの例示的なＳＥＭ画像を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本開示及びその利点を十分理解するために、以下の詳細な説明を本開示の特定の実施形態を説明する添付図面と一致させて説明する。
【００１５】
本開示は、１つには、金属基材にカーボンナノチューブを成長させるためのプロセスを対象にしている。また、本開示は、１つには、本発明のカーボンナノチューブ成長プロセスにより製造される、カーボンナノチューブを表面に有する金属基材を対象にしている。
【００１６】
カーボンナノチューブは、例えば、大きな表面積、機械的強度、電気伝導性、及び熱伝導性などの独特な構造及び性質を利用する多くの用途において有用性を示してきた。金属基材にカーボンナノチューブが成長する場合、カーボンナノチューブ及び金属基材は、カーボンナノチューブの有益な性質が金属基材に付与されることを有利にする複合構造（composite architecture）を形成する。一方、金属基材におけるカーボンナノチューブの成長は、当該技術分野において特に困難であることが分かっている。
【００１７】
カーボンナノチューブにより金属基材に伝えられる利益のうち限定されない例として、金属基材の機械的性質が、表面におけるカーボンナノチューブの成長により向上可能である。このような金属基材は、例えば、破壊靱性及び疲労抵抗の向上により構造的用途に特に有用となる。例えば、銅、ニッケル、白金、銀、金及びアルミニウムなどの金属は、特に、疲労破壊に弱い面心立方（ｆｃｃ）の原子構造を有している。特に、これらの金属、あるいは、ｆｃｃ原子構造を有する他の金属におけるカーボンナノチューブの成長は、疲労亀裂の伝播を妨げることにより、機械的強度を著しく向上させ、これにより、金属が疲労破壊を起こすまでに耐え得る応力サイクルの数を増大させることができる。
【００１８】
カーボンナノチューブが金属基材に伝達する別の利益のうち限定されない例として、金属基材の電気的性質の向上がある。例えば、電池の電流コレクタ（current collector）として用いられる金属フィルムは、表面にカーボンナノチューブが成長した場合、集電性能（current collection property）の向上を示す。また、表面に成長したカーボンナノチューブを含有する金属は、スーパーキャパシタ（supercapacitor）及び他の電気デバイスにおける電極として使用することも可能である。カーボンナノチューブは、電極の電気伝導性を向上させるだけでなく、電極の全表面積も増大させて、さらにその効率を向上させる。
【００１９】
ある実施形態において、本明細書に記載されるカーボンナノチューブ成長プロセスは、金属基材がその表面にカーボンナノチューブを成長させながら移動している状態で、ほぼ連続的に行われる。本開示の効果を前提として、当業者は、カーボンナノチューブ成長中の金属基材、特に、融点が約８００℃以下である金属基材を移動させる利点を認識するであろう。このようなカーボンナノチューブ成長プロセスの多くの利点の中には、１）高温環境に曝露する時間を最小限にすることにより、金属基材に対する熱損傷を制限すること、及び、２）商業用に十分大量のカーボンナノチューブを成長させる高い処理能力を可能にすること、がある。ある実施形態において、金属疲労につながる可能性のある過度のストレスが移動中の金属基材に加えられないように、金属基材は、張力がかけられない状態で、あるいは張力が低い状態で移動する。このようなカーボンナノチューブ成長プロセスの前述の利点にもかかわらず、別の実施形態において、本発明のカーボンナノチューブ成長プロセスがバッチ（静的な）方式で実施可能であることは当然のことである。
【００２０】
ある実施形態において、金属基材に成長するカーボンナノチューブは、化学的または機械的に金属基材に接着される。本発明のプロセスにより金属基材に成長するカーボンナノチューブ（すなわち、浸出した（infused）カーボンナノチューブ）は、カーボンナノチューブを事前に合成して、単純なファンデルワールス吸着（van der Waals physiosorption）の相互作用により適当な位置に保持するよりも、より強力に金属基材に接着されることが可能である。したがって、表面に成長したカーボンナノチューブを有する本発明の金属基材は、事前に形成したカーボンナノチューブを（例えば、カーボンナノチューブの溶液又は懸濁液（suspension）から）析出させた金属基材と区別される。ある実施形態において、カーボンナノチューブは、金属基材に直接結合する（例えば、共有結合）。他の実施形態では、カーボンナノチューブは、カーボンナノチューブ合成を媒介するために用いられる触媒物質、又は、金属基材に析出した非触媒物質を介して、金属基材に間接的に結合される。
【００２１】
本明細書において、用語「触媒」とは、カーボンナノチューブ成長環境に曝露された場合、カーボンナノチューブの形成に使用可能な物質を意味する。
【００２２】
本明細書において、用語「触媒物質」とは、触媒及び触媒前駆体を意味する。本明細書において、用語「触媒前駆体」とは、適切な環境、特に、カーボンナノチューブ成長環境の下で触媒に変化可能な物質を意味する。
【００２３】
本明細書において、用語「ナノ粒子」とは、相当球径で約０．１ｎｍから約１００ｎｍの直径を有する粒子を意味するが、ナノ粒子は必ずしも球形である必要はない。本明細書において、用語「触媒ナノ粒子」とは、カーボンナノチューブの成長を媒介するための触媒活性を有するナノ粒子を意味する。
【００２４】
本明細書において、用語「遷移金属」とは、周期表のｄブロック（第３属から第１２属）におけるあらゆる元素又はその合金をいう。また、用語「遷移金属塩」とは、例えば、遷移金属の酸化物、硝酸塩、塩化物、臭化物、ヨウ化物、フッ化物、酢酸塩、クエン酸塩、炭化物、窒化物など、あらゆる遷移金属化合物も意味する。カーボンナノチューブの合成に適した触媒ナノ粒子を形成し得る例示的な遷移金属には、例えば、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｍｏ、Ｃｕ、Ｐｔ、Ａｕ、Ａｇ、及び、これらの合金や塩、並びに、これらの混合物が含まれる。
【００２５】
本明細書において、用語「巻き取り可能な長さ」又は「巻き取り可能な寸法」とは、長さが限定されず、例えば、オープンリール式のプロセスにおいて（in a reel-to-reel process）、材料をスプール（spool）又はマンドレル（mandrel）に保存しておくことを可能にする、材料の少なくとも１つの寸法をいう。「巻き取り可能な長さ」又は「巻き取り可能な寸法」の材料は、材料を移動させている間、表面におけるカーボンナノチューブの成長を可能にする少なくとも１つの寸法を有する。しかしながら、巻き取り可能な長さの材料は、必要に応じて、バッチ方式で表面に成長させたカーボンナノチューブを有してもよい。
【００２６】
本明細書において、用語「カーボンナノチューブ成長環境」は、適切な触媒の存在下でカーボンナノチューブを成長させることが可能ないかなるプロセスをも意味する。通常、カーボンナノチューブ成長環境は反応性炭素種を生成するが、これは、多くの場合、有機化合物の熱分解による。
【００２７】
本明細書において、用語「搬送する（convey）」及び「搬送（conveying）」とは、用語「輸送（moving）」又は「移動（transporting）」と同義語であると理解されるであろう。
【００２８】
様々な実施形態において、本明細書に記載されるカーボンナノチューブ成長プロセスには、金属基材に触媒前駆体を析出させること、金属基材に非触媒物質を析出させること、及び、触媒前駆体の析出後、カーボンナノチューブが表面に成長するように、金属基材をカーボンナノチューブ成長環境に曝露すること、が含まれる。触媒前駆体をカーボンナノチューブ成長環境へ曝露した場合、触媒前駆体を、カーボンナノチューブの成長に使用可能な触媒に変換することができる。
【００２９】
他の様々な実施形態において、本明細書に記載されるカーボンナノチューブ成長プロセスには、融点が約８００℃以下の金属基材に触媒前駆体を析出させること、及び、触媒前駆体の析出後、カーボンナノチューブが表面に成長するように、金属基材をカーボンナノチューブ成長環境に曝露すること、が含まれる。触媒前駆体をカーボンナノチューブ成長環境に曝露した場合、触媒前駆体を、カーボンナノチューブの成長に使用可能な触媒に変換することができる。
【００３０】
さらに他の実施形態において、本明細書に記載されるカーボンナノチューブ成長プロセスには、金属基材に触媒前駆体を析出させること、金属基材に非触媒物質を析出させること、触媒前駆体及び非触媒物質の析出後、カーボンナノチューブが表面に成長するように、金属基材をカーボンナノチューブ成長環境に曝露すること、及び、カーボンナノチューブが成長している間、金属基材を移動させること、が含まれる。非触媒物質は、触媒前駆体の前若しくは後、又は触媒前駆体と共に析出する。触媒前駆体をカーボンナノチューブ成長環境に曝露した場合、触媒前駆体をカーボンナノチューブの成長に使用可能な触媒に変換する。
【００３１】
金属基材の形態は、本実施形態において限定することなく様々である。しかし、ある実施形態では、金属基材の形態は、カーボンナノチューブ成長中、金属基材を移動させている状態（例えば、オープンリール式）に適合可能である。カーボンナノチューブ成長中、移動するのに適した金属基材には、例えば、金属繊維、又は金属繊維から形成される様々な金属繊維形状が含まれる。ある実施形態において、金属基材は、例えば、金属繊維、金属フィラメント、金属ワイヤ、金属ロービング（roving）、金属ヤーン（yarn）、金属繊維トウ（tow）、金属テープ、金属リボン、金属ワイヤメッシュ、金属チューブ、金属フィルム、金属ブレイド（braid）、金属織布（woven metal fabric）、金属不織布（non-woven metal fabric）、金属繊維パイル（pile）、金属繊維マット（mat）など、限定されない形態である。例えば、金属織布及び金属不織布、金属繊維パイル、並びに金属ワイヤメッシュなどの高次形態（higher order form）は、例えば、金属繊維、金属フィラメント及び金属繊維トウなどの低次（lower order）金属基材から形成可能である。すなわち、金属繊維、金属フィラメント、又は金属繊維トウにカーボンナノチューブを成長させて、その後、高次形態の形成が起こり得る。他の実施形態において、このような高次形態が事前に形成されて、その後、そこにカーボンナノチューブの成長が起こってもよい。前述の金属基材は、本明細書において、まとめて金属繊維という。
【００３２】
フィラメントには、通常、約１μｍから約１００μｍに及ぶ直径を有する高アスペクト比の遷移が含まれる。ロービングには、撚り合わされ（twisted）、細くされ（attenuated）、異物が除去された、繊維の柔軟なストランド（strand）が含まれる。
【００３３】
ヤーンには、撚り合わされたフィラメントを密に結合した束が含まれるが、ここで、ヤーンにおける各フィラメントの直径は、比較的均一である。ヤーンには、「テックス（tex）」（１０００リニアメーター当たりのグラム重量として示される）又は「デニール（denier）」（１０，０００ヤード当たりのポンド重量として示される）で表される様々な重量がある。ヤーンに関して、標準的なテックス範囲は、通常、約２００テックスから約２０００テックスである。
【００３４】
繊維ブレイドは、繊維が高密度に詰め込まれたロープ状構造体を示す。このようなロープ状構造体は、例えば、ヤーンから組まれる。ブレイド構造体は中空部分を含んでもよいし、あるいは、別のコア材料の周囲に組まれてもよい。
【００３５】
繊維トウには、撚り合わされていないフィラメントを結合した束も含まれる。ヤーンと同様に、繊維トウにおけるフィラメントの直径は概して均一である。また、繊維トウにも様々な重量があり、テックス範囲は、通常、約２００テックスから約２０００テックスの間である。加えて、繊維トウは、例えば、１２Ｋトウ、２４Ｋトウ、４８Ｋトウなどの繊維トウ内にある数千のフィラメントにより、しばしば特徴付けられる。
【００３６】
テープは、例えば、織物（weave）、又は不織の扁平（flattened）繊維トウとして組まれる繊維材料である。テープは様々な幅をもち、通常、リボンに類似する両面構造体である。本明細書に記載される様々な実施形態において、カーボンナノチューブは、テープの一面又は両面で成長可能である。加えて、種類、直径又は長さの異なるカーボンナノチューブが、テープの各面で成長可能であり、これはある用途において有利である。
【００３７】
ある実施形態において、繊維材料は、織物又はシート状構造体に組織化される。これらには、前述のテープに加えて、例えば、織物、不織繊維マット、メッシュ、及び繊維プライが含まれる。
【００３８】
金属基材に成長するカーボンナノチューブの種類は、通常、限定されることなく多種多様である。様々な実施形態において、金属基材で成長するカーボンナノチューブは、例えば、単層カーボンナノチューブ、２層カーボンナノチューブ、多層カーボンナノチューブ及びこれらのあらゆる組み合せなど、フラーレン族のうち円筒状をした多くの炭素同素体のいかなるものであってもよい。当業者であれば、金属基材で成長するカーボンナノチューブの種類が、カーボンナノチューブ成長環境を調整することにより変化し得ることを理解するであろう。ある実施形態において、カーボンナノチューブはフラーレン様構造で閉塞されている。換言すれば、このような実施形態では、カーボンナノチューブは閉塞端を有している。一方、他の実施形態では、カーボンナノチューブは端部が開口した状態である。ある実施形態において、閉塞したカーボンナノチューブの端部は、適切な酸化剤（例えば、ＨＮＯ3／Ｈ2ＳＯ4）で処理することにより開かれる。ある実施形態において、カーボンナノチューブは、金属基材で成長した後、他の物質を封入する。ある実施形態において、カーボンナノチューブは、金属基材で成長した後、共有結合的に官能基化される（covalently functionalized）。ある実施形態では、プラズマプロセスが用いられて、カーボンナノチューブの官能基化を促進している。
【００３９】
カーボンナノチューブは、そのキラリティに応じて、金属的、半金属的又は半導体的となり得る。カーボンナノチューブのキラリティを指定するために定評のある命名法が当業者に知られており、２つの指数（ｎ，ｍ）により識別される（ここで、ｎとｍは、六方晶系のグラファイトが管状構造に形成される場合、グラファイトの切断部及び巻き方を表す整数である）。様々な実施形態において、本実施形態に従って金属基材で成長するカーボンナノチューブは、あらゆる特定のキラリティからなるか、あるいは、キラル型が混合したもの（mixture of chiral forms）からなってもよい。
【００４０】
また、キラリティに加えてカーボンナノチューブの直径も、その電気伝導性、及び熱伝導性に関する性質に影響を与える。カーボンナノチューブの合成において、カーボンナノチューブの直径は、一定サイズの触媒ナノ粒子を用いることにより制御可能である。一般的に、カーボンナノチューブの直径は、その形成に触媒作用を及ぼす触媒ナノ粒子の直径程度である。このため、カーボンナノチューブの性質は、ある面において、例えば、カーボンナノチューブの合成に用いられる触媒ナノ粒子のサイズを調整することにより制御される。限定しない例として、約１ｎｍから約５ｎｍの直径を有する触媒ナノ粒子を用いることにより、主に単層カーボンナノチューブを成長させることができる。より大きな触媒ナノ粒子は、主に、多層カーボンナノチューブを作製するために用いられるが、これは、その多重のナノチューブ層のために、より大きな直径を有する。また、カーボンナノチューブの合成において、より大きな触媒ナノ粒子を用いることにより、単層及び多層カーボンナノチューブの混合物を成長させることもできる。また、所望のサイズの触媒ナノ粒子は、様々な商業的供給源から購入するか、あるいは、本実施形態による触媒前駆体からその場で準備可能である。
【００４１】
様々な実施形態において、金属基材に成長するカーボンナノチューブの直径は、約１ｎｍから約５００ｎｍに及ぶ。ある実施形態において、カーボンナノチューブの直径は、約１ｎｍから約１０ｎｍに及ぶ。他の実施形態において、カーボンナノチューブの直径は、約１ｎｍから約３０ｎｍ、約５ｎｍから約３０ｎｍ、又は約１５ｎｍから約３０ｎｍに及ぶ。ある実施形態において、カーボンナノチューブの直径は、約１０ｎｍから約５０ｎｍ、又は約５０ｎｍから約１００ｎｍに及ぶ。他の実施形態において、カーボンナノチューブの直径は、約１００ｎｍから約３００ｎｍ、又は３００ｎｍから約５００ｎｍに及ぶ。通常、触媒物質の担持量が多くなるほど、より大きな直径のカーボンナノチューブの形成が可能であり、この場合、ナノ粒子の凝集がカーボンナノチューブの直径をより大きくする。触媒物質の担持量が少なくなるほど、凝集効果に対するカーボンナノチューブ直径の感受性が低下し、カーボンナノチューブの直径は、例えば、約１ｎｍから約５０ｎｍに及ぶのが通常となる。
【００４２】
ある実施形態において、金属基材に成長するカーボンナノチューブの平均長さは、約１μｍから約１０００μｍの間であり、これらの全中間値及び端数が含まれる。ある実施形態において、カーボンナノチューブの平均長さは、例えば、約０．５μｍなど、約１μｍ未満である。ある実施形態において、カーボンナノチューブの平均長さは、約１μｍから約１０μｍの間であり、これらの全中間値及び端数が含まれる。さらに他の実施形態において、カーボンナノチューブの平均長さは、約５００μｍよりも長くなる。本実施形態における触媒物質の担持量が多くなるほど、カーボンナノチューブ成長速度を速くし、カーボンナノチューブをより長くするうえで有利に働く。
【００４３】
ある実施形態において、金属基材に成長するカーボンナノチューブは、独立の（individual）カーボンナノチューブとして存在し得る。すなわち、カーボンナノチューブは、ほぼ束化されていない状態（in a substantially non-bundled state）で存在する。ある実施形態において、金属基材に成長するカーボンナノチューブは、連結されたカーボンナノチューブを含有する炭素ナノ構造体として存在する。このような実施形態において、ほぼ束化されていないカーボンナノチューブは、カーボンナノチューブの連結した網状組織として存在し得る。ある実施形態において、連結した網状組織は、他のカーボンナノチューブから樹枝状に分岐するカーボンナノチューブを含んでいる。ある実施形態において、連結した網状組織は、カーボンナノチューブ間を橋渡しするカーボンナノチューブを含むこともできる。ある実施形態において、連結した網状組織は、他のカーボンナノチューブと共有されるサイドウォール（side wall）を少なくとも一部有するカーボンナノチューブを含んでもよい。
【００４４】
ある実施形態において、成長環境の適切な修正により、金属基材にグラフェン又は他のカーボンナノ材料を成長させることができる。このような修正は当業者に明白であるだろう。カーボンナノチューブに言及する本明細書のいかなる実施形態も、本開示の精神及び範囲内に属している限り、グラフェン又は他のカーボンナノ材料を利用し得ること認識すべきである。
【００４５】
様々な実施形態において、本発明によるプロセスの触媒物質は、触媒又は触媒前駆体である。すなわち、触媒物質は、ある実施形態においてカーボンナノチューブの形成に直接触媒作用を及ぼす活性触媒である。例えば、触媒物質は、さらなる変化を必要とせずに、カーボンナノチューブの形成に直接触媒作用を及ぼす触媒ナノ粒子（例えば、遷移金属ナノ粒子又はランタノイド金属ナノ粒子）である。他の実施形態では、触媒物質は、初期には触媒能がないが、１以上の化学的変化を通して活性触媒に変換される触媒前駆体である。このような活性触媒への変換は、金属基材をカーボンナノチューブ成長環境へ曝露する前若しくは後、又は曝露している間に起こる。ある実施形態によれば、触媒前駆体は、適切なカーボンナノチューブ成長環境へ曝露される前の個別の還元工程（例えば、Ｈ2）に曝されずに、活性触媒に変換されることが可能である。ある実施形態において、触媒前駆体は、適切なカーボンナノチューブ成長環境に曝露した状態で活性触媒へ変換される前に、中間触媒相（intermediate catalyst state：例えば、金属酸化物）に達することが可能である。例えば、遷移金属塩は、カーボンナノチューブ成長環境に曝露された状態で活性触媒へ変換される遷移金属酸化物に変換され得る。
【００４６】
様々な実施形態において、触媒物質は、遷移金属、遷移金属合金、遷移金属塩、又はこれらの組み合わせとしてよい。ある実施形態において、触媒物質を触媒ナノ粒子の形態とすることができる。他の実施形態において、触媒物質を触媒前駆体の形態とすることができる。ある実施形態において、触媒前駆体は、例えば、遷移金属の硝酸塩（transition metal nitrate）、遷移金属の酢酸塩（transition metal acetate）、遷移金属のクエン酸塩（transition metal citrate）、遷移金属の塩化物（transition metal chloride）、遷移金属のフッ化物（transition metal fluoride）、遷移金属の臭化物（transition metal bromide）、遷移金属のヨウ化物（transition metal iodide）、又はこれらの水和物など、遷移金属塩、又は遷移金属塩の組み合わせであってよい。ある実施形態において、このような遷移金属塩は、本明細書において更に詳細に後述するように、活性触媒への変換が起こりながら、加熱状態で遷移金属の酸化物に変化することができる。別の実施形態において、触媒物質として、遷移金属の炭化物（transition metal carbide）、遷移金属の窒化物（transition metal nitride）、又は遷移金属の酸化物（transition metal oxide）を用いてもよい。本発明のプロセスを実施するのに適している例示的な遷移金属塩には、例えば、硝酸鉄（II）、硝酸鉄（III）、硝酸コバルト（II）、硝酸ニッケル（II）、硝酸銅（II）、酢酸鉄（II）、酢酸鉄（III）、酢酸コバルト（II）、酢酸ニッケル（II）、酢酸銅（II）、クエン酸（II）鉄、クエン酸（III）鉄、クエン酸鉄（III）アンモニウム、クエン酸（II）コバルト、クエン酸（II）ニッケル、クエン酸（II）銅、塩化鉄（II）、塩化鉄（III）、塩化コバルト（II）、塩化ニッケル（II）、塩化銅（II）、これらの水和物、及びこれらの組み合わせが含まれる。別の実施形態において、触媒物質には、例えば、ＦｅＯ、Ｆｅ2Ｏ3、Ｆｅ3Ｏ4、及びこれらの組み合わせなどの物質が含まれ、そのいずれもがナノ粒子の形態となり得る。さらに追加の実施形態において、触媒前駆体として、ランタノイド金属塩、これらの水和物、及びこれらの組み合わせを用いることができる。
【００４７】
中間触媒相が触媒前駆体から形成された実施形態では、カーボンナノチューブ成長環境に金属基材を曝露する前に個別の触媒活性化工程を行うことなく、中間触媒相は活性触媒（例えば、触媒ナノ粒子）に変換され得る。対照的に、カーボンナノチューブの成長を開始する前に、個別の工程で水素によりカーボンナノチューブ触媒を活性化させることは、当該技術分野において通常のことである。本実施形態において、活性触媒の形成は、カーボンナノチューブ成長環境に中間触媒相を曝露して行われる。例えば、カーボンナノチューブ合成中、カーボンナノチューブ成長反応器におけるアセチレンの熱分解は、水素ガス及び炭素原子の形成をもたらす。水素ガスは、遷移金属酸化物、又は同類の中間触媒相と反応してゼロ価の遷移金属触媒ナノ粒子を生成する。その後に金属炭化物を形成し、かつ、触媒粒子に対して炭素の分散を確実にすることにより、金属基材においてカーボンナノチューブの形成がもたらされる。
【００４８】
ある実施形態において、本発明のプロセスで触媒物質と共に非触媒物質を用いてもよい。非触媒物質が存在しなくても、本発明の方法を使用することにより、金属基材にカーボンナノチューブを成長させることができるが、触媒物質と共に非触媒物質を使用することにより、カーボンナノチューブ成長速度の向上、及びさらに良好なカーボンナノチューブ被覆率がもたらされる。理論又は機構に拘束されることなく、非触媒物質により、カーボンナノチューブの成長をむしろ妨げる、触媒物質と金属基材との相互作用が制限されると考えられている。さらに、非触媒物質は、触媒前駆体から活性触媒への解離（dissociation）、及び金属基材に対するカーボンナノチューブの固定促進を容易にするとも考えられている。加えて、非触媒物質は、金属基材の表面を保護し、カーボンナノチューブ成長中における溶融などの熱損傷から金属基材を守るための熱障壁（thermal barrier）として機能し得る。
【００４９】
ある実施形態において、触媒前駆体と共に非触媒物質を使用することにより、個別の工程を用いて触媒前駆体をカーボンナノチューブ成長に適した活性触媒に変換することなく、金属基材におけるカーボンナノチューブの成長を可能にすることができる。すなわち、ある実施形態では、非触媒物質と共に触媒前駆体を用いて、カーボンナノチューブ成長環境に曝露した状態で金属基材にカーボンナノチューブを直接成長させることができる。ある実施形態において、触媒前駆体からの活性触媒の形成には、中間触媒相（例えば、遷移金属酸化物）の形成が含まれる。ある実施形態において、中間触媒相は、金属酸化物（例えば、遷移金属酸化物）が形成されるように、触媒前駆体をその熱分解温度まで加熱することにより形成され得る。ある実施形態において、本発明のプロセスには、金属基材をカーボンナノチューブ成長環境に曝露している間、任意で、金属基材を移動させている間、触媒前駆体から触媒ナノ粒子を形成することが含まれる。別の実施形態において、本発明のプロセスには、カーボンナノチューブ成長環境に金属基材を曝露する前に触媒前駆体又は中間触媒相から触媒ナノ粒子を形成することが含まれる。例えば、必要に応じて、例えば、触媒前駆体又は中間触媒相を水素に曝露することなどにより、個別の触媒活性化工程を行うことができる。ある実施形態において、触媒前駆体又は中間触媒相は、金属基材に析出又は形成され、その後、金属基材は後の使用のために蓄えられる。すなわち、金属基材は、触媒前駆体又は中間触媒相を担持し、それから後でカーボンナノチューブ成長環境に曝露される。
【００５０】
本発明のプロセスを実施するのに適した非触媒物質は、通常、カーボンナノチューブ成長環境に対して不活性の物質である。前述のように、このような非触媒物質は、さらに、触媒物質を安定化する働きをして、カーボンナノチューブの成長を容易にする。ある実施形態において、非触媒物質は、アルミニウムを含有する組成物、ケイ素を含有する組成物、又はこれらの組み合わせである。アルミニウムを含有する例示的な組成物には、アルミニウム塩（例えば、硝酸アルミニウム、酢酸アルミニウム、又はアルミニウムイソプロポキシド）、又はその水和物が含まれる。ケイ素を含有する例示的な組成物には、ガラス及び同様の二酸化ケイ素製剤、ケイ酸塩並びにシランが含まれる。ある実施形態において、非触媒物質として、アルコキシシラン（alkoxysilane）、アルモキサン（alumoxane）、アルミナナノ粒子、スピンオンガラス、又はガラスナノ粒子（glass nanoparticle）を用いることができる。
【００５１】
本発明のプロセスに非触媒物質を用いる場合、触媒物質は、非触媒物質の前若しくは後、又は非触媒物質と共に析出する。ある実施形態において、触媒物質は非触媒物質の前に析出する。すなわち、このような実施形態で、触媒物質は、金属基材と非触媒物質との間で析出する。他の実施形態において、触媒物質は、非触媒物質の後に析出する。すなわち、このような実施形態で、非触媒物質は、金属基材と触媒物質との間で析出する。さらに他の実施形態において、触媒物質は、非触媒物質と共に析出する。析出の順序にかかわらず、触媒物質と非触媒物質との組み合わせは、金属基材に触媒コーティングを形成する。ある実施形態において、触媒コーティングは、約５ｎｍから約１μｍに及ぶ厚さを有している。他の実施形態において、触媒コーティングは、約１０ｎｍから約１００ｎｍ、又は約１０ｎｍから約５０ｎｍに及ぶ厚さを有している。
【００５２】
ある実施形態において、触媒物質及び非触媒物質は、スプレーコーティング、浸漬コーティング、ローラーコーティング（roller coating）、又は同様の溶液ベースの析出技術など、１つの技術、あるいは複数の技術の組み合わせにより析出可能である。ある実施形態において、触媒物質及び非触媒物質は、少なくとも１つの溶液から析出可能である。ある実施形態では、触媒物質は第１の溶液から析出し、非触媒物質は第２の溶液から析出する。このような実施形態では、触媒物質は非触媒物質の前又は後で析出する。他の実施形態では、触媒物質及び非触媒物質は、同じ溶液から共に析出する。ある実施形態において、少なくとも１つの溶液は、溶媒として水を含んでいる。
【００５３】
ある実施形態において、触媒物質及び非触媒物質は、夫々、少なくとも１つの溶液中において、約０．１ｍＭ（ミリモーラー）から約１．０Ｍに及ぶ濃度を有している。他の実施形態において、触媒物質及び非触媒物質は、夫々、少なくとも１つの溶液中において、約０．１ｍＭから約５０ｍＭ、約１０ｍＭから約１００ｍＭ、又は約５０ｍＭから約１．０Ｍに及ぶ濃度を有している。触媒物質及び非触媒物質が同一の溶液中にある場合、当該濃度範囲は、全体の溶液濃度よりむしろ、溶液中における各成分の濃度に言及している。各成分に関して約１０ｍＭから約１００ｍＭに及ぶ溶液濃度（この範囲は、金属基材、触媒物質及び非触媒物質、並びに析出プロセス及び析出速度の同一性に基づいて変化し得るが）は、一般的に、金属基材においてカーボンナノチューブの成長を媒介するのに最も確実である。
【００５４】
少なくとも１つの溶液に用いられる溶媒は、触媒物質及び非触媒物質（存在する場合）を効率的に可溶化する（solubilize）、あるいは分散させるならば、通常、限定されることなく様々である。特に適した溶媒には、例えば、水、アルコール（例えば、メタノール、エタノール又はイソプロパノール）、エステル（例えば、酢酸メチル又は酢酸エチル）、ケトン（例えば、アセトン又はブタノン）、及びこれらの混合物が含まれる。ある実施形態において、塩が十分に溶解できない溶媒において遷移金属塩の溶解を達成するため、少量の溶剤を添加することができる。このような溶剤の例示的な例には、例えば、グリム（glyme）、ジグリム（diglyme）、トリグリム（triglyme）、ジメチルホルムアミド、及びジメチルスルホキシドが含まれる。カーボンナノチューブ成長環境に金属基材を曝露する前に溶媒を容易に除去できるように、通常は、相対的に低い沸点を有する溶媒が好ましい。溶媒の迅速な除去は、触媒物質の均質なコーティング形成を容易にする。沸点がより高い溶媒、あるいは、金属基材の表面に滞留する（pond）傾向にある溶媒では、触媒物質の不均一な分布が起こり、カーボンナノチューブの成長及び被覆率が悪くなる可能性がある。
【００５５】
非触媒物質を含むことは、通常、本発明のプロセスに利点となるが、非触媒物質の量には上限があり、これを超えると、カーボンナノチューブの成長が不可能になる。これは、特に、非触媒物質が触媒物質の後に、又は触媒物質と共に析出する場合に該当する。このような限度は、非触媒物質が触媒物質の前に析出する場合には、必ずしも適用されない。過量の非触媒物質を含んでいると、非触媒物質が触媒物質を過度に上塗りし（overcoat）、これにより、触媒物質への炭素原料ガスの拡散を妨げて、カーボンナノチューブの成長を阻害する可能性がある。ある実施形態において、触媒物質に対する非触媒物質のモル比は、多くても、約６：１である。他の実施形態において、触媒物質に対する非触媒物質のモル比は、多くても、約２：１である。
【００５６】
本発明のプロセスによる金属基材は、それがカーボンナノチューブ成長環境により損傷を殆ど受けないのであれば、限定されることなく多種多様である。様々な実施形態において、本開示のカーボンナノチューブ成長環境には、最速で毎秒約８．３μｍ又はそれ以上の急速なカーボンナノチューブ成長速度を可能にするために、約５５０℃から約８００℃に及ぶ温度が含まれる。カーボンナノチューブ成長環境、及びカーボンナノチューブ成長のための反応器の更なる詳細については本明細書において後述する。本発明のプロセスによれば、低融点の金属基材（例えば、約８００℃未満の融点を有する金属基材）でも、カーボンナノチューブ成長環境に対する短時間の曝露時間中、ほぼ無傷である。本発明のプロセスについてのある実施形態で用いられる非触媒物質は、熱曝露から金属基材を保護することができ、これにより、金属基材がその融点を上回る温度で短時間曝露されることを可能にする。また、高温環境下におけるカーボンナノチューブの成長中、金属基材を移動させることは、金属基材の融点における温度、又はこれを上回る温度に曝露される時間をさらに制限でき、これも、熱損傷量の最小化が可能である。カーボンナノチューブ成長温度を超える融点を有する金属基材においてさえ、なお熱損傷が発生し得るが、本発明のプロセスは、これらの種類の金属基材にとって同様に利点となることに留意されたい。
【００５７】
ある実施形態において、本発明のプロセスによる金属基材は約８００℃以下の融点を有する。本発明のプロセスに併せて用いられる約８００℃以下の融点を有する例示的な金属基材には、例えば、アルミニウム（融点＝６６０℃）、アルミニウム合金（融点＝４８０℃〜６６０℃）、マグネシウム（融点＝６５０℃）、亜鉛（融点＝４２０℃）、鉛（融点＝３２７℃）、錫（融点＝２３２℃）、及び鉛−アンチモン合金（融点＝２５０℃〜４２０℃）が含まれる。
【００５８】
触媒物質の析出後、化学蒸着（ＣＶＤ）ベースのプロセス、又はカーボンナノチューブを成長させるための他のプロセスを用いることにより、金属基材にカーボンナノチューブを成長させることができる。カーボンナノチューブ合成のための例示的なプロセスには、例えば、マイクロキャビティ、熱又はプラズマＣＶＤ法、レーザーアブレーション、アーク放電、火炎合成、及び高圧一酸化炭素（ＨｉＰＣＯ）法による合成が含まれ、その全てが当業者に知られている。ある実施形態において、カーボンナノチューブを成長させるためのプロセスは、金属基材が、カーボンナノチューブ成長環境に曝されている間、反応器を通って連続的に搬送されている状態で、連続して行われる。
【００５９】
本明細書に記載される実施形態において、カーボンナノチューブの成長は、連続的に（すなわち、移動させながら）、あるいは、バッチ式（すなわち、静止した金属基材）の状態で行われる。限定しない実施形態において、カーボンナノチューブの成長は、連続的なカーボンナノチューブ成長のために適合された反応器内で行われる。このような特徴を有する例示的な反応器は、共有される２００９年１１月２日出願の米国特許出願第１２／６１１,０７３号、及び米国特許第７,２６１,７７９号に記載されおり、いずれも全体が参照により本明細書に組み込まれる。上述の反応器は、基材を、カーボンナノチューブ成長環境に曝露する反応器に通して連続的に搬送するために設計されるが、必要に応じて、反応器は、基材が静止した状態のバッチ式で運転されてもよい。本明細書に記載されるプロセスは、特定のカーボンナノチューブ反応器と結びついているわけではなく、当業者に既知のあらゆる適切な反応器を本発明のプロセスに利用することができることに留意されたい。
【００６０】
カーボンナノチューブの成長は、高温で起こる化学蒸着（ＣＶＤ）プロセスに基づいている。具体的な温度は触媒の選択に依存するが、一般的に、約５００℃〜約１０００℃の範囲にある。ある実施形態では、温度は、約５５０℃〜約８００℃の範囲にある。様々な実施形態において、温度は、カーボンナノチューブの成長速度、又は得られるカーボンナノチューブの直径に影響を与える。
【００６１】
様々な実施形態において、カーボンナノチューブの成長は、プラズマで助長されるＣＶＤベースのプロセスにより行われる。ＣＶＤプロセスは、例えば、アセチレン、エチレン、又はメタンなどの炭素含有原料ガスにより進められる。カーボンナノチューブの合成プロセスは、通常、炭素含有原料ガスとともに、主要なキャリアガスとして不活性ガス（例えば、窒素、アルゴン、又はヘリウム）を使用する。炭素含有原料ガスは、通常、混合物全体のうち約０．１％から約１０％の範囲で供給される。ある実施形態において、炭素含有原料ガスは、混合物全体のうち約０．１％から約１０％に及ぶ。ＣＶＤ成長のためのほぼ不活性な環境は、成長チャンバーからの水分及び酸素の除去により準備される。
【００６２】
プラズマが形成する強電界を任意で用いることにより、カーボンナノチューブ成長の方向に影響を与えることができる。プラズマは、成長プロセスの間、電界を提供することにより生成される。プラズマスプレー及び電界のジオメトリ（geometry）を適切に調整することにより、垂直に配列したカーボンナノチューブ（すなわち、金属基材に対して垂直）を合成することができる。一定の条件下では、プラズマがない場合であっても、密集したカーボンナノチューブは、ほぼ垂直な成長方向を維持し、カーペット（carpet）又はフォレスト（forest）様の高密度配列のカーボンナノチューブをもたらすことが可能である。
【００６３】
ある実施形態において、アセチレンガスはイオン化されて、カーボンナノチューブ合成のための低温炭素プラズマの噴流（jet）を形成する。炭素プラズマは金属基材に向けられる。このように、ある実施形態において、金属基材におけるカーボンナノチューブの合成プロセスには、（ａ）炭素プラズマを形成すること、及び（ｂ）金属基材に析出した触媒物質に炭素プラズマを向けること、が含まれる。ある実施形態において、金属基材は、カーボンナノチューブの合成を容易にするため、約５５０℃〜約８００℃へ積極的に加熱される。カーボンナノチューブの成長を開始するために、反応器には２つ以上のガス、すなわち、不活性キャリアガス（例えば、アルゴン、ヘリウム、又は窒素）及び炭素含有原料ガス（例えば、アセチレン、エチレン、エタン、又はメタン）が流される。
【００６４】
ある実施形態において、カーボンナノチューブの成長は、繊維材料にカーボンナノチューブを連続的に合成及び成長させるために設計される専用の矩形反応器で行われる。このような反応器は、共有され同時継続中の米国特許出願第１２／６１１,０７３号（参照により本明細書に組み込まれる）に記載されている。この反応器は、カーボンナノチューブの大気圧成長を利用し、これにより連続的なカーボンナノチューブ成長プロセスへの組み込みを容易にしている。加えて、反応器は、必要に応じて、金属基材が静的に保持された状態のバッチ式で運転可能である。また、静的なカーボンナノチューブ成長のための従来型の反応器を用いることもできる。ある実施形態において、カーボンナノチューブは、ＣＶＤプロセスにより、大気圧、かつ、約５５０℃から約８００℃の範囲の高温で、マルチゾーン反応器（multi-zone reactor）内で成長する。カーボンナノチューブの合成が大気圧で起こるということは、金属基材におけるカーボンナノチューブ成長のための連続処理ラインに反応器を組み込むことを容易にする一因である。このようなマルチゾーン反応器を用いた連続的なインライン処理に合致する別の利点は、カーボンナノチューブの成長が数秒単位で発生するということであり、当該技術分野で標準的な他の手法及び装置構成における数分単位（又はもっと長い）とは対照的である。
【００６５】
上記の実施形態に従って設計されるカーボンナノチューブ合成反応器には、以下の特徴が含まれる。
【００６６】
（矩形に構成された合成反応器）
当該技術分野で既知の標準的なカーボンナノチューブ合成反応器は横断面が円形である。これには、例えば、歴史的理由（研究所では円筒状の反応器がよく用いられる）及び利便性（流体力学は円筒状の反応器にモデル化すると容易になり、また、加熱器システムは円管チューブ（例えば、石英など）に容易に対応する）、並びに製造の容易性などの多くの理由がある。本開示は、従来の円筒形状を変えて、矩形横断面を有するカーボンナノチューブ合成反応器を提供する。変更の理由には、少なくとも下記事項が含まれる。
【００６７】
１）反応器体積の非効率な利用
反応器により処理される多くの金属基材は相対的に平面的であるので（例えば、扁平なテープ、シート状形態、又は開繊したトウ若しくはロービング）、円形横断面では反応器の体積を十分に使用していない。この不十分な使用は、円筒状のカーボンナノチューブ合成反応器にとって、例えば、以下のａ）ないしｃ）に挙げるような、いくつかの欠点となる。ａ）十分なシステムパージの維持；反応器の体積が増大すれば、同レベルのガスパージを維持するためにガス流量の増大が必要になる。これは、開放環境におけるカーボンナノチューブの大量生産には非効率となる。ｂ）炭素含有原料ガス流量の増大；前記ａ）のように、システムパージのための不活性ガス流を相対的に増大させると、炭素含有原料ガス流量を増大させる必要がある。例示的な１２Ｋのガラス繊維ロービングが、矩形横断面を有する合成反応器の全体積に対して約２０００分の１の体積であることを考慮されたい。同等の円筒状反応器（すなわち、矩形横断面の反応器と同じ平坦化されたガラス繊維材料を収容できるだけの幅を有する円筒状の反応器）では、ガラス繊維材料の体積は、反応器の体積の約１７，５００分の１である。ＣＶＤなどのガス蒸着プロセス（gas deposition processes）は、通常、圧力及び温度だけで制御されるが、体積は蒸着の効率に顕著な影響を与え得る。矩形反応器の場合、それでもなお過剰な体積が存在し、この過剰体積は無用の反応を促進する。しかしながら、円筒状反応器には、無用な反応の促進に利用できるその体積が約８倍もある。このように競合する反応が発生する機会が増加することにより、円筒状反応器では、所望の反応の発生は事実上遅くなる。このようなカーボンナノチューブ成長の速度低下は連続的な成長プロセスの進行にとって問題となり得る。矩形反応器の構成における別の利点は、矩形チャンバーの高さが低いことを利用して反応器の体積をなお一層低減することができ、これにより体積比が改善され反応が更に効率的になるという点である。本明細書に開示される実施形態の中には、矩形合成反応器の全体積が、合成反応器を通過中の金属基材の全体積に対して僅か約３０００倍にしかすぎないものがある。更なる実施形態の中には、矩形合成反応器の全体積が、合成反応器を通過中の金属基材の全体積に対して僅か約４０００倍にしかすぎないものがある。また更なる実施形態の中には、矩形合成反応器の全体積が、合成反応器を通過中の金属基材の全体積に対して約１０，０００倍未満のものがある。加えて、円筒状反応器を使用した場合、矩形横断面を有する反応器と比較すると、同じ流量比を提供するためには、より大量の炭素含有原料ガスが必要である点が重要である。当然のことながら、他の実施形態の中には、合成反応器が、矩形ではないが比較的これに類似し、かつ、円形横断面を有する反応器に対して、反応器の体積を同様に低減する多角形状で表される横断面を有するものがある。ｃ）問題のある温度分布；相対的に小径の反応器を用いた場合、チャンバー中心からその壁面までの温度勾配はごく僅かである。しかし、例えば、商業規模の生産に用いられるなど、反応器サイズの増大に伴い、このような温度勾配は増加する。温度勾配は、金属基質の全域で製品品質がばらつく（すなわち、製品品質が半径位置に応じて変化する）原因となる。この問題は、矩形横断面を有する反応器を用いた場合に殆ど回避される。特に、平面的な基材が用いられる場合、基材のサイズが大きくなったときに、反応器の高さを一定に維持することができる。反応器の頂部と底部間の温度勾配は基本的にごく僅かであり、結果的に、生じる熱的な問題や製品品質のばらつきは回避される。
【００６８】
２）ガス導入
当該技術分野では、通常、管状炉が使用されているので、一般的なカーボンナノチューブ合成反応器は、ガスを一端に導入し、それを反応器に通して他端から引き出している。本明細書に開示された実施形態の中には、ガスが、反応器の両側面、又は反応器の頂面及び底面のいずれかを通して対称的に、反応器の中心又は対象とする成長ゾーン内に導入されるものがある。これにより、流入する原料ガスがシステムの最も高温の部分（カーボンナノチューブの成長が最も活発な場所）に連続的に補充されるので、全体的なカーボンナノチューブ成長速度が向上する。
【００６９】
（ゾーン分け）
比較的低温のパージゾーンを提供するチャンバーは、矩形合成反応器の両端から延びる。仮に高温ガスが外部環境（すなわち、矩形反応器の外部）と接触（mix）すると、金属基材の劣化（degradation）が増加することが究明されている。低温パージゾーンは、内部システムと外部環境間の緩衝となる。当該技術分野で既知のカーボンナノチューブ合成反応器の構成では、通常、基材を慎重に（かつ緩やかに）冷却することが求められる。本発明の矩形カーボンナノチューブ成長反応器の出口における低温パージゾーンは、連続的なインライン処理に好都合な短時間の冷却を実現する。
【００７０】
（非接触、ホットウォール型、金属製反応器）
ある実施形態において、金属製ホットウォール型（hot-walled）反応器（例えば、ステンレス鋼）が用いられる。この種類の反応器の使用は、金属、特にステンレス鋼に炭素が付着（すなわち、すす及び副生成物の形成）しやすいために、常識に反するようにも考えられる。したがって、大部分のカーボンナノチューブ合成反応器は、付着する炭素が殆どなく、洗浄しやすく、かつ、試料の観察を容易にするため、石英製である。しかしながら、ステンレス鋼上におけるすす及び炭素付着物が増加することにより、より着実、より効率的、より高速、かつ、より安定的なカーボンナノチューブ成長がもたらされることが見出された。理論に拘束されることなく、反応器内で起こるＣＶＤプロセスでは、大気圧運転（atmospheric operation）と連動して、拡散が制限されることが示されている。換言すると、カーボンナノチューブ形成触媒に「過度に供給される（overfed）」、つまり、過量の炭素が、（反応器が不完全真空下で運転している場合よりも）その相対的に高い分圧により反応器システム内で得られる。結果として、開放システム（特に清浄な（clean）もの）では、過量の炭素がカーボンナノチューブ形成触媒の粒子に付着して、カーボンナノチューブの合成能力を低下させる。ある実施形態において、反応器に「汚れが付いて（dirty）」いる、すなわち、金属反応器壁にすすが付着している状態の場合に、矩形反応器を意図的に運転する。炭素が反応器壁上の単分子層に付着すると、炭素は、それ自体を覆って付着しやすくなる。利用できる炭素の中には、この機構により「回収される（withdrawn）」ものがあるので、ラジカルの形態で残っている炭素原料が、カーボンナノチューブ形成触媒を被毒させない速度でこの触媒と反応する。既存のシステムでは「清浄に（cleanly）」運転するが、連続処理のために開放状態であれば、減速した成長速度で、はるかに低い収率でしかカーボンナノチューブを生産できない。
【００７１】
カーボンナノチューブの合成を、前述のように「汚れが付いて」いる状態で実施するのは概して有益であるが、それでも、装置のある部分（例えば、ガスマニフォールド及びガス入口）は、すすが閉塞状態を引き起こした場合、カーボンナノチューブの成長プロセスに悪影響を与える。この問題に対処するために、カーボンナノチューブ成長反応チャンバーの当該部分を、例えば、シリカ、アルミナ又はＭｇＯなどのすす抑制コーティングで保護してもよい。実際には、装置のこれらの部分は、すす抑制コーティングで浸漬コーティングが施される。ＩＮＶＡＲ（ArcelorMittalから市販されているニッケル鋼合金）は高温におけるコーティングの適切な接着性を確実にする同様のＣＴＥ（熱膨張係数）を有し、重要なゾーンにおけるすすの著しい堆積を防止するので、ＩＮＶＡＲ（商標名）などの金属が、これらのコーティングに用いられる。
【００７２】
（触媒還元及びカーボンナノチューブ合成の組み合わせ）
本明細書に開示されたカーボンナノチューブ合成反応器において、触媒還元及びカーボンナノチューブ成長のいずれもが反応器内で起こる。当該技術分野において既知の標準的なプロセスにおいて、還元工程の実施には、通常１〜１２時間かかる。本開示によれば、両工程は１つの反応器内で生じるが、これは、少なくとも１つには、炭素含有原料ガスを導入するのが、円筒状反応器を用いる当該技術分野では標準的となっている反応器の端部ではなく、中心部であることに起因する。還元プロセスは、金属基材が加熱ゾーンに入ったときに起こる。この時点に至るまでに、ガスには、触媒を（水素ラジカルの相互作用を介して）還元する前に反応器壁と反応して冷える時間がある。還元が起こるのは、この移行領域である。システム内で最も高温の等温ゾーンでカーボンナノチューブの成長は起こり、反応器の中心近傍におけるガス入口の近位で成長速度が最速となる。
【００７３】
当然のことながら、本発明の様々な実施形態の働きにほとんど影響を与えない変更も、本明細書で提供された本発明の定義内に含まれる。したがって、以下の実施例は、本発明を例示するものであって限定するものではない。
【実施例１】
【００７４】
（７５０℃の静的なＣＶＤ環境下でパラジウム触媒を用いて銅基材に成長させたカーボンナノチューブ）
本実施例に関して、０．５重量％の濃度で水に分散させたパラジウムを用いて触媒物質を析出させた。この場合において、銅基材には非触媒物質を析出させなかった。０．５重量％のパラジウム分散体（dispersion）が、薄い液体層を形成するための浸漬コーティングプロセスにより、電気メッキされた銅の薄片基材（foil substrate）に塗布された。そして、ヒートガンにより、基材を華氏６００度で５分間乾燥した。基材が反応器を通して連続的に搬送されるというより静的に保持された状態で、反応器が運転されるという点を除いて、前述の反応器を用いたカーボンナノチューブ成長環境下でカーボンナノチューブを成長させた。この触媒システムを用いた静的な成長環境下において、反応器内の成長温度、及び反応器内の滞留時間に応じて、直径５ｎｍから３０ｎｍ、長さ０．１μｍから３００μｍの範囲のカーボンナノチューブが得られた。７５０℃で５分間、静的な化学蒸着環境下で行われたカーボンナノチューブ成長により、直径が１８ｎｍから２５ｎｍに及ぶ長さ約３μｍのカーボンナノチューブを製造した。図１（Ａ）及び（Ｂ）は、７５０℃の温度で５分間、静的な化学蒸着環境下でパラジウム触媒を用いて銅基材に成長させたカーボンナノチューブの例示的なＳＥＭ画像を示している。図１（Ａ）は１１,０００倍の倍率であり、図１（Ｂ）は８０,０００倍の倍率である。
【実施例２】
【００７５】
（７５０℃の連続的なＣＶＤ環境下でパラジウム触媒を用いて銅基材に成長させたカーボンナノチューブ）
銅基材が、カーボンナノチューブ成長環境に対する曝露時間中、毎分１フィートの処理速度で反応器を通して搬送された点を除いて、実施例１のカーボンナノチューブ成長を再び行った。連続的なカーボンナノチューブ成長環境下、最大長さ２３μｍ、平均直径１５ｎｍのカーボンナノチューブが得られた。図２は、７５０℃の温度、かつ、毎分１フィートのラインスピードで（カーボンナノチューブ成長時間の１分間に相当する）、連続的な化学蒸着環境下でパラジウム触媒を用いて銅基材に成長させたカーボンナノチューブの例示的なＳＥＭ画像を示す。図２において、倍率は３,０００倍である。このように、反応器が静的な方式で運転された場合に得られたカーボンナノチューブよりも、連続的なカーボンナノチューブ成長環境下では著しく長いカーボンナノチューブが得られた。
【実施例３】
【００７６】
（７５０℃の静的なＣＶＤ環境下で、鉄触媒及び非触媒物質を用いて銅基材に成長させたカーボンナノチューブ）
非触媒物質を金属基材に析出させ、かつ、パラジウムを鉄ナノ粒子触媒に代えた点を除いて、実施例１のカーボンナノチューブ成長を再び行った。Ａｃｃｕｇｌａｓｓ（登録商標）Ｔ−１１スピンオンガラス（Honeywell International, Inc., Morristown, New Jersey）の４vol％イソプロパノール溶液が、浸漬コーティングプロセスにより、電気メッキされた銅薄片の金属基材に塗布された。そして、ヒートガンを用いて、銅基材を華氏６００度で５秒間乾燥した。ヘキサン溶媒中に０．０９重量％鉄ナノ粒子（直径８ｎｍ）を含む触媒溶液が浸漬コーティングプロセスにより塗布され、圧縮空気の流れを用いて銅基材を５秒間乾燥した。この触媒システムを用いる静的な成長環境下、反応器における成長温度及び滞留時間にもよるが、直径５ｎｍから１５ｎｍ、かつ、長さ０．１μｍから１００μｍに及ぶカーボンナノチューブが得られた。７５０℃の温度で５分間、静的な化学蒸着環境下で行われたカーボンナノチューブ成長により、長さ約３μｍで、直径８ｎｍから１５ｎｍに及ぶカーボンナノチューブが製造された。図３（Ａ）及び（Ｂ）は、７５０℃の温度で５分間、静的な化学蒸着環境下で鉄ナノ粒子触媒を用いて銅基材に成長させたカーボンナノチューブの例示的なＳＥＭ画像を示している。ここで、鉄ナノ粒子触媒は、非触媒Ａｃｃｕｇｌａｓｓ（登録商標）Ｔ−１１スピンオンガラスの層を覆って析出した。図３（Ａ）は２,５００倍の倍率であり、図３（Ｂ）は１２０,０００倍の倍率である。
【実施例４】
【００７７】
（７５０℃の静的なＣＶＤ環境下で、鉄触媒及び非触媒物質を用いて銅基材に成長させたカーボンナノチューブ）
非触媒物質及び鉄ナノ粒子触媒の添加順序を逆にしたことを除いて、実施例３のカーボンナノチューブ成長を再び行った。すなわち、鉄ナノ粒子触媒溶液を浸漬コーティングにより金属基材に析出させ、それから、浸漬コーティングにより非触媒物質を添加した。この場合において、鉄ナノ粒子触媒溶液の濃度は０．９重量％であり、イソプロパノールにおけるＡｃｃｕｇｌａｓｓ（登録商標）Ｔ−１１スピンオンガラスの濃度は１vol％であった。非触媒物質の下に触媒を塗布した場合であっても、鉄ナノ粒子は、カーボンナノチューブ成長を媒介することがなお可能であった。７５０℃の温度で３０分間、静的な化学蒸着環境下で行われたカーボンナノチューブ成長により、長さ約５０μｍで、直径１５０ｎｍから３００ｎｍに及ぶカーボンナノチューブが製造された。図４（Ａ）及び（Ｂ）は、７５０℃の温度で３０分間、静的な化学蒸着環境下で鉄ナノ粒子触媒を用いて銅基材に成長させたカーボンナノチュー及びカーボンナノ繊維の例示的なＳＥＭ画像を示している。ここで、鉄ナノ粒子触媒は、非触媒Ａｃｃｕｇｌａｓｓ（登録商標）Ｔ−１１スピンオンガラスの層下に析出した。図４（Ａ）は１１０倍の倍率であり、図４（Ｂ）は９,０００倍の倍率である。この場合、カーボンナノチューブ及びカーボンナノ繊維の直径の増大は、主として、高濃度の鉄ナノ粒子、及び長い成長時間に起因している可能性がある。
【実施例５】
【００７８】
（８００℃の連続的なＣＶＤ環境下で、鉄触媒及び非触媒物質を用いてステンレス鋼ワイヤメッシュ基材に成長させたカーボンナノチューブ）
ステンレス鋼ワイヤメッシュ基材が、８００℃の温度でカーボンナノチューブ成長環境に曝露している間、毎分２フィートの処理速度で反応器に通して搬送されたことを除いて、実施例４のカーボンナノチューブ成長を再び行った。この場合、鉄ナノ粒子触媒溶液の濃度は０．０２７重量％であり、イソプロパノールにおけるＡｃｃｕｇｌａｓｓ（登録商標）Ｔ−１１スピンオンガラスの濃度は２．５vol％であった。連続的なカーボンナノチューブ成長環境下において、長さが最大約５０μｍで平均直径１５ｎｍのカーボンナノチューブが得られた。図５（Ａ）及び（Ｂ）は、８００℃の温度、かつ、毎分２フィートのラインスピードで（カーボンナノチューブ成長時間の３０秒間に相当する）、連続的な化学蒸着環境下、鉄ナノ粒子触媒を用いてステンレス鋼のワイヤメッシュ基材に成長させたカーボンナノチューブの例示的なＳＥＭ画像を示している。ここで、鉄ナノ粒子触媒は、非触媒Ａｃｃｕｇｌａｓｓ（登録商標）Ｔ−１１スピンオンガラスの層下に析出した。図５（Ａ）は３００倍の倍率であり、図５（Ｂ）は２０,０００倍の倍率である。
【実施例６】
【００７９】
（７５０℃の静的なＣＶＤ環境下で、硝酸鉄触媒前駆体及び非触媒物質を用いて銅基材に成長させたカーボンナノチューブ）
触媒前駆体を硝酸鉄九水和物に代え、かつ、非触媒物質を硝酸アルミニウム九水和物に代えた点を除いて、実施例３のカーボンナノチューブ成長を再び行った。さらに、硝酸鉄九水和物及び硝酸アルミニウム九水和物は共に添加された。すなわち、硝酸鉄九水和物の触媒前駆体、及び硝酸アルミニウム九水和物の非触媒物質は混合されて単一の溶液にされ、浸漬コーティングにより銅基材に共に析出した。この場合、硝酸鉄触媒溶液の濃度はイソプロパノールにおいて６０ｍＭであり、硝酸アルミニウムも同一溶液中において６０ｍＭであった。触媒前駆体が非触媒物質と共に塗布された場合であっても、鉄触媒は、なおカーボンナノチューブ成長を媒介することが可能であった。７５０℃の温度で５分間、静的な化学蒸着環境下で行われたカーボンナノチューブ成長により、長さが最大で約７５μｍ、直径が１５ｎｍから２５ｎｍに及ぶカーボンナノチューブが製造された。図６（Ａ）及び（Ｂ）は、７５０℃の温度で５分間、静的な化学蒸着環境下で硝酸鉄触媒前駆体を用いて銅基材に成長させたカーボンナノチューブの例示的なＳＥＭ画像を示している。ここで、硝酸鉄触媒前駆体は、非触媒物質の硝酸アルミニウムと共に析出した。図６（Ａ）は１,８００倍の倍率であり、図６（Ｂ）は１００,０００倍の倍率である。
【実施例７】
【００８０】
（７５０℃の静的なＣＶＤ環境下で、硝酸鉄触媒前駆体及び非触媒物質を用いてアルミニウム基材に成長させたカーボンナノチューブ）
６０ｍＭの硝酸鉄（III）九水和物、及び６０ｍＭの硝酸アルミニウム九水和物の溶液を、５０％のイソプロピルアルコール、及び５０％の水で準備した。そして、その溶液は、浸漬コーティングプロセスによりアルミニウム基材に塗布され、溶媒はヒートガン（華氏６００度）で除去された。その後、７５０℃で１分間、静的なＣＶＤ環境下でカーボンナノチューブ成長が行われ、これにより、長さが最大で３５μｍ、直径が１８ｎｍから２５ｎｍに及ぶカーボンナノチューブを製造した。図７（Ａ）及び（Ｂ）は、７５０℃の温度で１分間、静的な化学蒸着環境下で硝酸鉄触媒前駆体を用いてアルミニウム基材に成長したカーボンナノチューブの例示的なＳＥＭ画像を示す。ここで、硝酸鉄触媒前駆体は、非触媒物質の硝酸アルミニウムと共に析出した。カーボンナノチューブの成長を６５０℃、６００℃、及び５８０℃で再び行った場合、同様の成長時間でカーボンナノチューブが徐々に短くなることが観察された（夫々、最大で３μｍ、最大で１．５μｍ、及び最大で０．５μｍ）。５５０℃では、カーボンナノチューブの成長は起こらなかった。図８（Ａ）及び（Ｂ）は、５８０℃の温度で１分間、静的な化学蒸着環境下で硝酸鉄触媒前駆体を用いてアルミニウム基材に成長させたカーボンナノチューブの例示的なＳＥＭ画像を示す。ここで、硝酸鉄触媒前駆体は、非触媒物質の硝酸アルミニウムと共に析出した。
【実施例８】
【００８１】
（７５０℃の連続的なＣＶＤ環境下で、硝酸鉄触媒前駆体及び非触媒物質を用いてアルミニウム基材に成長させたカーボンナノチューブ）
金属基材が、毎分１フィートのラインスピードで連続的なＣＶＤカーボンナノチューブ成長反応器を通って搬送される点を除いて、実施例７のカーボンナノチューブ成長が再び行われた。この環境下で、直径１０ｎｍから１６ｎｍのカーボンナノチューブが得られた。図９（Ａ）及び（Ｂ）は、７５０℃の温度、かつ、毎分１フィートのラインスピードで（カーボンナノチューブ成長時間の１分間に相当する）、連続的な化学蒸着環境下で硝酸鉄触媒前駆体を用いてアルミニウム基材に成長させたカーボンナノチューブの例示的なＳＥＭ画像を示す。図９（Ａ）に示すように、実施例７の静的な成長と比較すると、静的なＣＶＤ環境下では、被覆率がより均一で、より長いカーボンナノチューブが製造された。さらに、基材の損傷は殆ど観察されなかった。
【実施例９】
【００８２】
（５５０℃の静的なＣＶＤ環境下で、非触媒物質を用いずに硝酸鉄触媒前駆体を用いてアルミニウム基材に成長させたカーボンナノチューブ）
７．５ｍＭの硝酸鉄（III）九水和物の溶液をメタノールで準備した。その溶液は、浸漬コーティングプロセスにより、アルミニウム基材に塗布され、それから、空気乾燥されて溶媒を除去した。その後、５５０℃の静的なＣＶＤ環境下で１０分間、カーボンナノチューブ成長が行われ、これにより、長さが最大１μｍ、直径が５ｎｍから１０ｎｍに及ぶカーボンナノチューブを製造した。図１０は、５５０℃の温度で１０分間、静的な化学蒸着環境下で硝酸鉄触媒前駆体を用いてアルミニウム基材に成長させたカーボンナノチューブの例示的なＳＥＭ画像を示す。図１０に示すように、溶媒としてメタノールを用いた場合、極めて均一な被覆率のカーボンナノチューブが製造された。
【実施例１０】
【００８３】
（５５０℃の静的なＣＶＤ環境下で、酢酸鉄／酢酸コバルト触媒前駆体を用いてアルミニウム基材に成長させたカーボンナノチューブ）
１．４ｍＭの酢酸鉄（II）、及び１．３ｍＭの酢酸コバルト（II）の溶液を１vol％のエチレングリコール、及び９９vol％のエタノールで準備した。その溶液は、浸漬コーティングプロセスによりアルミニウム基材に塗布され、それから、空気乾燥されて溶媒を除去した。その後、５５０℃の静的なＣＶＤ環境下で１０分間、カーボンナノチューブ成長が行われ、これにより、長さが最大２μｍ、直径が１０ｎｍから２０ｎｍに及ぶカーボンナノチューブを製造した。図１１（Ａ）及び（Ｂ）は、５５０℃の温度で１０分間、静的な化学蒸着環境下で酢酸鉄／酢酸コバルト触媒前駆体を用いてアルミニウム基材に成長させたカーボンナノチューブの例示的なＳＥＭ画像を示す。図１１（Ａ）に示すように、溶媒としてエチレングリコール／エタノールを用いた場合、極めて均一な被覆率のカーボンナノチューブが製造された。
【００８４】
本発明は開示された実施形態を参照して説明されたが、当業者であれば、これらの実施形態が本発明の例示にすぎないことを容易に認識するであろう。当然のことながら、本発明の精神から逸脱することなく、様々な変形例を考え出すことが可能である。本発明は、変形可能であり、相違するが当業者に明白な同等の方式で、本明細書の教示による利益を有しつつ実施され得るので、上記で開示された特定の実施形態は一例にすぎない。さらに、特許請求の範囲に記載されている場合のほか、本明細書に示される構造又はデザインの詳細に限定するものではない。このため、上記に開示された特定の例示的な実施形態を選択し、組み合わせ、あるいは変形することができ、このようなバリエーション（variation）は全て、本発明の範囲及び精神に従っていると考えられる。組成及び方法は、様々な成分又は工程を、「含んで構成される（comprising）」、「含有する（containing）」又は「含む（including）」という用語で記載されているが、組成及び方法は、様々な成分及び工程「から基本的に構成される（consist essentially of）」、あるいは様々な成分及び工程「からなる（consist of）」としてもよい。上記に開示されたすべての数字及び範囲はいくらか変動する。下限と上限を有する数値範囲が開示されている場合はいつも、厳密にいえば、より広い範囲に含まれるあらゆる数字、及びあらゆる部分的な範囲（subrange）も開示される。また、特許請求の範囲における用語は、特許権者により明確かつ明瞭に定義されていない限り、平易な普通の意味を有する。本明細書、及び参照により本明細書に組み込まれる１以上の特許又は他の文献における単語又は用語の使用法に不一致がある場合には、本明細書に合致する定義が採用される。
【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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【国際調査報告】
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