(57)【要約】【課題】穏やかな条件下で長さによってナノチューブなどを分画する単純な方法を提供する。【解決手段】異なる長さのナノチューブ、油、油に混ざらない液体、及び界面活性剤の混合物（工程（ａ））を、たとえば超音波処理によって乳化する（工程（ｂ））。こうして作製されたエマルション中で、ナノチューブは、より短いナノチューブがより小さな液滴に吸着される態様で、油の液滴の表面に吸着される。遠心分離によって加速され得るエマルションのクリーム分離の間、ナノチューブが吸着している液滴は大きな液滴ほどエマルションの最上面に近づくように上方へ移動し、その結果、エマルションの深さに沿って順々に長さによるナノチューブの分画が引き起こされる（工程（ｃ））。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
長さによって分画すべき細長い要素を含むナノ材料、界面活性剤、親水性液体、及び疎水性液体の混合物を乳化して、前記親水性液体又は前記疎水性液体のいずれかの異なるサイズの液滴が作製され、前記液滴の表面上に前記要素が吸着するようにする工程と、
前記要素が吸着したより大きなサイズの前記液滴を、前記液滴の密度及び前記液滴が分散する流体に応じて、前記乳化混合物の上面又は底部のいずれかの方向に移動させることで、前記要素が吸着した異なるサイズの液滴が、前記乳化混合物中、異なる高さ位置に位置する工程と
を設けた、異なる長さの細長い要素を含むナノ材料を分画する方法。
【請求項２】
前記要素が吸着した前記液滴を含有する前記乳化混合物を任意の高さの位置で採取する工程を更に含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
採取した前記乳化混合物から前記親水性液体、前記疎水性液体、及び前記界面活性剤を除去し、前記分画すべき要素の長さの分布より狭い長さの分布を有する要素を得る工程を更に含む、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記混合物を乳化する工程が超音波処理を含む、請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項５】
前記要素を有するより大きなサイズの液滴を、前記乳化混合物の上面又は底部のいずれかの方向へ移動させる工程が、前記乳化混合物を静置させる工程を含む、請求項１〜４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項６】
前記要素を有するより大きなサイズの液滴を、前記乳化混合物の上面又は底部のいずれかの方向へ移動させる工程が、前記乳化混合物を遠心分離にかける工程を含む、請求項１〜５のいずれか一項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、これらに限定するものではないが、ナノチューブ、ナノワイヤー、及びナノロッド等の、異なる長さの要素を含むナノ材料を分画する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）（非特許文献１）、窒化ホウ素ナノチューブ（ＢＮＮＴ）（非特許文献２）、及びセルロースナノ結晶（非特許文献３）などの高アスペクト比のナノ粒子は、電子工学、アクチュエータ、膜、診断学及びナノ医療機器など多数の分野で重要な役割を担うと見込まれている。最近のほとんどの研究では分画されていないナノチューブ（ＮＴ）が用いられているが、サイズが単分散性のＮＴがナノサイエンス及びナノテクノロジーにおいてさらなる革新を引き起こすかもしれない新規な特性を示し得ると指摘する報告書がますます増えている（非特許文献４〜７）。均一なサイズのナノチューブは、ナノチューブのサイズ依存的な物理的、化学的及び生化学的性質の究明のためにも必要である。その上、毒物学的研究は、長いナノチューブが深刻な細胞傷害を招く恐れがあり、一方で短いナノチューブの方がはるかに安全であることを示している（非特許文献８、９）。
【０００３】
ＣＮＴ又はＢＮＮＴのサイズの制御は、いずれもそれらの合成中では困難なため（非特許文献１、２）、サイズの制御は合成後に行わなければいけない。ＣＮＴの場合は、寸法及びキラリティーに関する多くの精製及び分類手法が確立されており（非特許文献１０〜１２）、たとえば反復遠心分離（非特許文献１３、１４）、密度勾配超遠心分離（非特許文献１５〜１７）、フィールドフロー分画（非特許文献１８〜２０）、電気泳動（非特許文献２１〜２３）、クロマトグラフィー（非特許文献２４〜２８）、濾過（非特許文献２９）、及びその他（非特許文献３０）が挙げられる。これらの方法は、特殊な器具を要し、さらなる活用に向けてサイズが単分散性のＮＴを十分に集めるために複数の分画を実施する必要がある。 
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明の目的は、穏やかな条件下で、細長い要素を含有するナノ材料を、その長さに応じて分画する簡便な方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の一側面によれば、異なる長さの細長い要素を含むナノ材料を分画する方法であって、長さによって分画すべき細長い要素を含むナノ材料、界面活性剤、親水性液体及び疎水性液体の混合物を乳化して、親水性液体又は疎水性液体のいずれかの異なるサイズの液滴が作製され、液滴の表面上に要素が吸着するようにし、要素が吸着したサイズが相対的に大きな液滴を、液滴の密度及び液滴が分散する流体に応じて、乳化混合物の上面又は底部のいずれかの方向に移動させることで、要素が吸着した異なるサイズの液滴が乳化混合物中の異なる高さ位置に位置する工程を含む方法が提供される。
本方法は、任意の高さ位置で、要素が吸着した液滴を含有する乳化混合物を採取する工程を更に含んでもよい。
本方法は、採取した乳化混合物から親水性液体及び疎水性液体並びに界面活性剤を取り除き、分画すべき要素の長さ分布より狭い長さ分布を有する要素を得る工程を更にまた含んでもよい。
混合物を乳化する工程は、超音波処理を含んでもよい。
要素を含むサイズが相対的に大きな液滴を乳化混合物の上面又は底部のいずれかの方向に移動させる工程は、乳化混合物を静置させることを含んでもよい。
要素を含むサイズが相対的に大きな液滴を乳化混合物の上面又は底部のいずれかの方向に移動させる工程は、乳化混合物を遠心分離にかけることを更に含んでもよい。
【発明の効果】
【０００６】
本発明の方法は非常に単純であり、複雑及び／又は高額な器具を必要とせずに実施できる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】初めに（ａ）十分に分散され、Ｔｗｅｅｎ２０ポリマーによって安定化されたＢＮＮＴの水性懸濁液の上に油層を加え、それによって２層の混合物を形成し、（ｂ）超音波処理により均質化して単一のエマルション相を生成し、最後に（ｃ）低温（４℃）での低速遠心分離によってエマルションのクリーム分離を誘発する、３工程のＢＮＮＴ分画法を示す概念図である。
【図２】図１の工程（ｃ）から得られるクリーム分離された油（ヘキサン）／水のエマルションの高さ位置に応じたエマルション液滴及び対応する表面吸着したＢＮＮＴの形態及びサイズ分布の暗視野顕微鏡による証拠の図である。カラム（ａ）及びカラム（ｂ）はそれぞれエマルションの完全乾燥の前と後のＢＮＮＴの顕微鏡写真を表す。
【図３】図１の工程（ｃ）で得られるクリーム分離されたエマルションの上部から底部（ａ〜ｄ）までにわたって集められた、表面吸着したＢＮＮＴの長さ分離についての油（ヘキサデキサン（hexadexane））滴直径の依存性を示す顕微鏡写真である。（ｅ）及び（ｆ）は、それぞれ（ｂ）及び（ｄ）に続く、一連の時系列の各時点の顕微鏡写真であり、個々の油滴上のＢＮＮＴの吸着がブラウン運動下でも安定していることを示している。
【図４】２つの相補的な方法によって、比較対象とするＢＮＮＴの原料バッチ（Ａ）から精製し水中に再度懸濁させた、３つの分離した分画（Ｆ１〜Ｆ３）の長さ分布の測定を示す図である。（ａ）は、動的光散乱（ＤＬＳ）による測定を説明しており（差込図：円筒形状の粒子径の判定に使用したＬ−Ｄｈ相関関係。各点線はナノチューブ分画の長さを示しており、これらは、それぞれ対応するＤＨのピーク値から算出した）、（ｂ）は、ピラニア洗浄したシリコンウエハ上にスピンコーティングで沈着させた各分画サンプルの光学顕微鏡評価による測定を説明している（Ｆ２の下右隅並びにＦ１及びＦ３の下左隅の差込図：元の分画の更なる希釈液によってスピンコーティングされたＢＮＮＴ分画の高倍率光学顕微鏡写真）。
【図５】（ａ）クリーム分離前の、Ｔｗｅｅｎ２０界面活性剤入りの元の水性懸濁液を遠心分離にかけて得られたＢＮＮＴの高分解能透過型電子顕微鏡写真（ＴＥＭ）である。矢印は、ＢＮＮＴ上の界面活性剤の厚い外側ラッピング層を指している。（ｂ）クリーム分離してからアセトンに対する遠心分離及び水に対する遠心分離の両方を行った後のＦ１から採取したＢＮＮＴのＴＥＭである。矢印は、ＢＮＮＴ表面の界面活性剤の残留層のみを指す。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
本発明の一実施形態によれば、コロイド科学における２つの周知の現象、すなわちエマルションのクリーム分離及びナノ粒子で安定化されたエマルションの作製、を利用する方法が提示される。エマルションのクリーム分離は、液滴（分散相）と媒体（連続相）の密度が等しくない場合のエマルションにかかる重力の結果である。液滴の上方へ移動する（クリーム分離）又は下方へ移動する（沈降）傾向は、重力に起因するＦｇ（式１）：
【０００９】
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【００１０】
とブラウン拡散に起因するＦＢ（式２）：
【００１１】
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との間の比率によって支配される。
【００１２】
式中、ｋ、Ｔ、ｒ、Δρ、Ｈ及びｇは、それぞれ、ボルツマン定数、温度、液滴の半径、球状液滴と水性媒体との間の密度差、カラムの高さ、及び重力による加速度である（非特許文献３１）。比率、すなわちＦｇ／ＦＢが１より大きい場合、クリーム分離が実際に起こる。クリーム分離速度ｖは一般的に、液滴サイズに従って高くなり、これはストークスの関係式（式３）によって近似できる（非特許文献３１、３２）：
【００１３】
2015131252.tif 000005
【００１４】
式中、ηは媒体粘度である。したがって、クリーム分離の現象は、結果としてエマルション中の液滴を、それらのサイズの関数として垂直に分画し、最大サイズの液滴はエマルションの最上区画に見出される。
【００１５】
ナノチューブを油／水の界面でトラップできることは良く知られている。この現象は、たとえば、孤立したＣＮＴ群と束になったＣＮＴ群とを分離すること（非特許文献３３）あるいは均一にポリマーで被覆されたＢＮＮＴを粗く被覆されたものから分離すること（非特許文献３４）に利用された。更に、ＣＮＴ（非特許文献３５）及びセルロースナノ結晶（非特許文献３６）は両方ともエマルションを安定化してピカリング（Pickering）エマルションとして知られるものを形成することが知られており、ＣＮＴやセルロースナノ結晶は、その安定性が油／水の界面で吸着された界面活性剤の存在によるものである通常のエマルションとは区別される。ピカリングエマルションの安定性は、少なくとも部分的には液滴上へのナノ粒子吸着の不可逆性に起因する。液滴の曲率のために、長いまっすぐなナノチューブは、単一接点を介して球状小液滴に付着することがある。この状況は、エネルギー的に不利であり、そのためナノチューブは曲がる必要がある（非特許文献３７）。ナノチューブを曲げて所定の横方向へ偏倚させるのに要する力は、単純支持梁モデル（ＳＳＢＭ）を使用して計算できる。ＢＮＮＴを中実円柱として扱い、このモデルから以下の関係式（式４）が導かれる（非特許文献３８）：
【００１６】
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【００１７】
式中、ＥＢ、Ｄ、Ｌ及びδは、それぞれ、チューブの曲げ係数、その直径、その長さ、及び式５によって定められるその偏倚である：
【００１８】
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【００１９】
式中、θは、次式によって定められる曲げ角度である：
【００２０】
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【００２１】
簡単化のために、本明細書において、加える力と偏倚との間に線形関係があると仮定する。これにより、歪みエネルギーは、式６によって与えられる：
【００２２】
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【００２３】
平衡状態のエマルション中、チューブの曲げによって得られる自由エネルギーは、水中で安定な油滴を形成するのに必要なエネルギーＥＩに等しい。エネルギーＥＩは次式によって与えられる：
【００２４】
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【００２５】
式中、γｏｗは、油／水の界面張力である。これらの考察から、所定のサイズのナノチューブが優先的に相応の半径の液滴上に吸着し、従ってＮＴのサイズ分画がクリーム分離されたエマルションに沿って垂直に起こるという結果になる。
【００２６】
本明細書では、この分離プロセスが、広い長さ分布（１〜２０μｍ）を有するＢＮＮＴサンプルのサイズ分画について示される。ＢＮＮＴを選択したのは、サイズ分布が狭いＢＮＮＴは、その細胞毒性（非特許文献９）、並びにデバイス製造（非特許文献３９、４０）、エネルギー変換（非特許文献４１）、輸送（非特許文献４２、４３）及び分離技術（非特許文献４４）における他の面に関する重要な問題に対処する必要があるが、近年においてこれを分画するのに有効な方法がないからである。長時間の超音波処理によるカッティングなどの技術を利用してＢＮＮＴのサイズが１０μｍから５００ｎｍに縮小された（非特許文献４５）が、これまで多分散ＢＮＮＴ群の長さ分画についての報告はされていない。
【００２７】
以下の実験では、２０〜１マイクロメートルの範囲の長さの窒化ホウ素ナノチューブ（ＢＮＮＴ）のサンプルの場合についてのプロセスを示す。ＢＮＮＴサンプルを、非イオン界面活性剤を含有する水溶液中に分散させる。次に、油（水に混合しない）をＢＮＮＴ水性懸濁液に添加する。この混合物を超音波処理によって乳化し、長さ５０〜１マイクロメートルの広い範囲に渡る油滴が生じる。油滴の界面張力の低下及び界面面積の縮小により、それぞれ、油が界面活性剤によって合体しないように安定化され、またＢＮＮＴが油／水界面に吸着する。ＢＮＮＴは、その長さと同じ又はほぼ同じ直径を有する液滴に選択的に吸着する。クリーム分離作用により、大サイズの液滴の方が小サイズの液滴よりも速く油／水混合物の上方へ移動し、その結果、液滴のサイズ分画が起こり、したがってＢＮＮＴもサイズ分画される。実施例で示すように、サンプルの長手方向における種々の高さにおける混合物の分画を集めることにより、平均長さがそれぞれ１０マイクロメートル、３マイクロメートル及び１マイクロメートルのＢＮＮＴ分画の分離がもたらされる。ＢＮＮＴ／界面活性剤の濃度を初期の長さ分布に応じて調節することによって、５０マイクロメートル〜１マイクロメートル未満にわたる種々の長さ範囲内のＮＴ分画に合わせてプロセスを調節できる。
【実施例】
【００２８】
図１に示す基本手順を、先に報告された酸化ホウ素化学蒸着によって合成した多層ＢＮＮＴで実施した（非特許文献２）。合成されたままの状態のＢＮＮＴの樹脂状凝集体（０．４５ｍｇ）をエタノールに分散させ、大理石乳鉢中で軽く挽いてチューブの束をほどいた。結果として得た懸濁液を、ＢＮＮＴが完全に分散するまで（約５分）、室温の水浴（３８ｋＨｚ、６０Ｗ）中で超音波処理した。結果として得た分散体を１５，０００ｒｐｍで１分間遠心分離にかけた。ＢＮＮＴ沈降物を収集し、Ｔｗｅｅｎ（登録商標）２０（ポリソルベート２０、臨界ミセル濃度：０．０６ｍｇ／ｍｌ（非特許文献４６）、９００μｌ、０．５ｍｇ／ｍｌ）の水溶液中で１０分間超音波処理して分散させた。半透明の懸濁液が得られた。卓上ボルテックスミキサー（vortexer）上で、１，０００ｒｐｍで終夜振盪して分散体の安定性を維持した。次いで、１００μｌの油（たとえば、ヘキサン）を分散体の上に加えた。室温で５分間超音波処理することによって混じり合わない油層を水性懸濁液中に乳化して、乳状エマルションを得た。クリーム分離過程は非常に緩慢であることがわかった。ストークス関係式（式３）を使用して、ヘキサン及び水間の密度差を０．３４ｇ／ｃｍ３、ηを１０−３Ｐａ／ｓとすることにより、２０μｍ、１０μｍ及び１μｍのヘキサン液滴のクリーム分離速度を、それぞれ７．５×１０−５ｍ／ｓ、１．９×１０−５ｍ／ｓ及び１．９×１０−７ｍ／ｓと概算することができる。したがって、５ｃｍのカラム内で標準重力によって２０μｍ、１０μｍ及び１μｍの液滴のクリーム分離を完了させるのに、それぞれ約０．２時間、０．７時間及び７３時間かかる。この概算は、ヘキサン液滴に吸着したＢＮＮＴ（密度：約１．３８ｇ／ｃｍ３）（非特許文献４７）の重量を考慮していないが、この重量は密度差を幾分少なくするように働く。クリーム分離を加速するために、エマルション（高さ約５ｃｍ）を１時間、超低速（３００ｒｐｍ、４℃）で遠心分離にかけ、その後室温で１時間平衡化した。この処理により、透明な乳清状部（serum）（底部）、濁ったエマルション（中間部）及び白色のクリーム（上部）からなる３層構造を特徴とするクリーム分離されたエマルションがもたらされた（図１ｃ）。遠心分離後にＢＮＮＴの沈殿物は検出されず、ＢＮＮＴが実際に油滴の表面上に吸着されたことを示唆していた（非特許文献４８）。
【００２９】
乳化−クリーム分離過程が高さ依存性の液滴径勾配をもたらすことを確認するために、ピペットを使って、懸濁液を乱すことなく、種々の高さ位置から一定分量（５μｌ）のエマルションを注意深く採取した。各一定分量を２枚のガラス製カバースリップ間に塗り、光学顕微鏡（Nikon Eclipse ME600L）で観察した。顕微鏡は、ハロゲン白色光源及び最大１２メガピクセル（３８４０×３０７２）解像度までの写真を出力できるデジタルカメラ（ニコンのＤＸＭ１２００）を備えていた。図２に表示する液体混合物の暗視野顕微鏡写真は、エマルションの乾燥前（図２のカラムａ）及び外気条件下で完全乾燥後（図２のカラムｂ）に取得した。先ず図２ａに注目すると、３つの矢印で示したサンプリング高さに応じて平均液滴サイズが大幅に縮小することがわかる。液滴の直径は、クリーム状層での５０μｍ超から中間層での約２μｍ、乳清状部での約１μｍ以下までの範囲にわたる。上部のクリーム状層中の大きな液滴（＞５０μｍ）は若干変形し、互いに押し合っている。これはおそらくは遠心分離によって引き起こされたものであろう。液滴の表面は、レーザ発光するロッド（lasing rods）であることが見出されたＢＮＮＴ（非特許文献３４）で修飾されている。完全に乾燥した一定分量のエマルションの暗視野画像を提示する図２ｂで見られるように、３つのエマルション層それぞれの中でＢＮＮＴが見つかる。その上、液滴に吸着したＢＮＮＴは、クリーム分離したエマルションの３つの高さ位置で採取した一定分量中できちんと長さ分画されている。最上部の分画は概ね長いチューブ（＞１０μｍ）を含有し、中間層中のＢＮＮＴは２〜８μｍの長さであり、一方で底部層ではその長さは＜１μｍである。この観察結果は、予想通り、単離したＢＮＮＴの長さがエマルション液滴サイズと相関していることを裏付けている。
【００３０】
ＢＮＮＴの分画の成功を確かなものとするために、さらなる測定を行なった。先ず、連続相中のそのまま手付かずの液滴を観察するところから始めた。本実験において、観察中に油の蒸発によって液滴が崩壊するのを防ぐために、ヘキサデカン（沸点２８７℃、１ａｔｍ）を油として使用した。クリーム分離したエマルションの種々の高さ位置から採取した一定分量の分画（５μｌ）を、ピラニア溶液で予め処理してＭｉｌｌｉ−Ｑ水で十分に濯いだ親水性シリコンウエハ上に載置した。エマルション膜中を移動する個々の液滴を実時間で調べた。液滴の暗視野画像を図３に提示する。図３ａ〜３ｄは、クリーム分離したエマルションの上部（ａ）から底部（ｄ）までにわたって採取したサンプルに対応する。図２と同じく、液滴サイズはａからｄにかけて小さくなっていく。差込図で示す高倍率画像は、ＢＮＮＴが液滴に吸着し、各分画中ではＢＮＮＴの長さがそれが吸着している液滴の直径に近いことを明らかにしている。これは、図３ｂ〜ｃで特に明らかであり、ここでは終端部分が水性媒体に向かって突き出ることなく、ＢＮＮＴがその長さ全体を液滴表面上に置く傾向があることも見てとれる。２つの異なるサイズの個々の液滴の自由回転を捕らえた実時間画像を図３ｅ及び図３ｆに示す。ＢＮＮＴは、水性層を通って移動するときも選択された液滴の表面に吸着されたままであり、これはＢＮＮＴが油／水界面にしっかり固定されていることを示す。
【００３１】
長さが約１μｍのＢＮＮＴを載せた図３ｄに示す液滴は、１．５μｍの直径（つまりｒ＝０．７５μｍ）を有する。式６及び７を使用し、ヘキサデカン−水の界面の場合にγｏｗ＝０．０５２Ｊ／ｍ２とし（非特許文献４９）、長さ１μｍ、直径５０ｎｍのＢＮＮＴの曲げ係数ＥＢ＝３００ＧＰａ（非特許文献３８）とすると、平衡条件下で１μｍ長のＢＮＮＴを載せた液滴の半径は約１μｍであると算出される。この値は、図３ｄで観察された液滴の半径（約０．７５μｍ）よりも大きい。この差は、実験のエマルションに添加したＴｗｅｅｎ界面活性剤の相乗的安定化効果に起因すると考え、モデル系（非特許文献５０）では無視した。粒子及び界面活性剤の混合物によって安定化された油／水エマルション中で、粒子は優先的に大きなエマルション液滴に吸着し、一方で界面活性剤分子は小さい方の液滴を好むことが以前示された（非特許文献５０）。同じ現象が本願でも起きる。図３に示す顕微鏡写真は、大きい液滴の方が小さい液滴よりもかなり多くのＢＮＮＴを表面に吸着させたことを示す。界面活性剤の濃度は、ＢＮＮＴ分画において重要な役割を果たす。この濃度はＢＮＮＴの初期のサイズ分布に応じて注意深く選択すべきである。本研究のような、長いナノチューブも短いナノチューブも存在する（たとえば１〜２０μｍ）広い長さ範囲では、界面活性剤の濃度を低く維持させると、最も効率的に分画される。しかし、より狭い長分布（たとえば１〜５μｍ）のＢＮＮＴでは、他のすべてのパラメータを一定に維持し、高濃度の界面活性剤が必要となるであろう。
【００３２】
ＢＮＮＴを長さによって分画する方法の効率は、以下の２つを合わせた特性評価（ensemble characterization）技術：動的光散乱（ＤＬＳ）及び光学顕微鏡法、によって統計的に実証された。クリーム分離されたエマルションを前述の通り調製し、図４ａに示すように、３つの分画（Ｆ１、Ｆ２、及びＦ３、５０μｌ）をそれぞれ、エマルションカラムの上部、中間部、及び底部近くで採取した。各分画を１ｍｌのアセトン（１回）及び１ｍｌのＭｉｌｌｉ−Ｑ水（２回）で遠心洗浄（１５，０００ｒｐｍ、１分、２３℃）し、余分な油及びＴｗｅｅｎ界面活性剤を除去した。回収したＢＮＮＴ沈降物を１分間の超音波処理によって１ｍｌの水中で再懸濁させた。分画する前のＢＮＮＴサンプル（図４のＡ）も、分離前のＢＮＮＴの元のＴｗｅｅｎエマルション（５０μｌ）を集め、Ｆ１、Ｆ２、及びＦ３と同じ精製工程にかけることによって得た。サンプルＡ及びＦ１〜Ｆ３は、同じＢＮＮＴバッチに由来した。結果として得た分散体（Ａ、Ｆ１、Ｆ２、及びＦ３）をＤＬＳによって特性評価した。サンプル（光路長１ｃｍ）をDelsa Nano C粒子分析器（米国Beckman Coulter）の室温に保たれたサンプルホルダー中に置き、ダイオードレーザから６５８ｎｍの光線を入射し、角度１６５°の散乱光を検出した。散乱光強度の変動の自己相関を取って、図４ａに示す、分散したナノチューブの対応する強度分布がその流体力学直径（ＤＨ）の関数として求められた。比較対照のための分画（図４ａのＡ）は非常に広範な直径分布を有する。対照的に、分画Ｆ１〜Ｆ３（平均流体力学半径ＤＨ１〜ＤＨ３を有する）の長分布は、はるかにシャープで、サイズ軸に沿って明確に分離されている。
【００３３】
ＤＬＳから得られるＤＨ値は、粒子が球状であると仮定して、ストークス・アインシュタインの式に基づく粒子の拡散係数から算出される。Nairらによって記載されるモデル（非特許文献５１）を使用して、ＤＨ実験値に相当するチューブ長Ｌを概算した。このモデルでは、ＤＨは次式７によってＬと関連する：
【００３４】
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【００３５】
式中、ｄは、チューブの直径（ＢＮＮＴの平均）である。この式及びｄ＝５０ｎｍ（非特許文献２、３４）を使用して、分画Ｆ１、Ｆ２、及びＦ３中のＢＮＮＴに関して、それぞれＬ１＝７．５μｍ、Ｌ２＝２．４μｍ、及びＬ３＝１．２μｍを得る。ＤＨとＬとの間の関係を図４ａの差込図に示す。
【００３６】
分画Ｆ１、Ｆ２、Ｆ３、及び元のサンプルＡを光学顕微鏡によって観察し、各サンプル中の要素の集合長さ（ensemble size）を得た。５μｌの各サンプルをシリコンウエハ上にスピンコーティング（１，０００ｒｐｍ）し、これをピラニア溶液で洗浄し、水で濯ぐことによって試料を調製した。その光学顕微鏡写真を図４ｂに示す。元のサンプルは、予想通り、種々の長さのＢＮＮＴのランダム分布からなる。Ｆ１中では、長いチューブ（≧１０μｍ）のみを見ることができる。これらのチューブは、スピンコーティング工程の結果、まとまって束状になっているように見える。更に１０倍希釈した懸濁液をシリコンウエハ上にスピンコーティングすることによって調製した第２のＦ１試料を図４ｂ（Ｆ１）の差込図に示す。これは、大部分が孤立した長いチューブを示す。Ｆ１についての挿入画像（図４ｂ）におけるナノチューブ集合体の長さは６〜１７μｍ範囲にわたり、Ｌ＜１０μｍのチューブの個体数は少数（数で約３０％）だった。ＤＬＳから算出される平均長さは、分画Ｆ１については観察された値（７．５μｍ）より短いが、Ｆ２及びＦ３などのより短いチューブの場合は光学的画像化によって確認された長分布はＤＳＬから算出されたものとよく合致する。アスペクト比が非常に高く機械的柔軟性に優れたチューブは液体懸濁液中で丸まることがあり、これによってＦ３について不正確な長さの予測がもたらされた可能性がある。
【００３７】
要約すると、ナノ粒子の存在下で形成された不安定なエマルションの物理的性質を用いて、ＢＮＮＴの長さ分画を実現するための単純なワンポット法が開発された。実用的観点から、本手法は、魅力的な特性を有する：（ｉ）本手法は、特別な器具を必要とせず、水、油、及び分画後にＢＮＮＴから脱着して、その表面を化学的に損なわず、さらなる使用が即座に可能とする（図５参照）Ｔｗｅｅｎ２０などの化学的に非侵襲性かつ生体適合性である界面活性剤のみを使用するワンポット法である；（ｉｉ）本手法は、分画前にＢＮＮＴに化学的な（酸又は酸化剤）前処理を必要としない；（ｉｉｉ）本手法は、他の分離方法では必要とされ、常用時の汚染及び固化の問題のためにしばしば交換しなければならない膜、フィルター、又はゲルカラムなどの高価な消耗品がない；（ｉｖ）本手法は、水に対する油の比率及び界面活性剤の濃度を調節することによって種々の平均サイズ（数十マイクロメートル〜１００ｎｍの出発ＢＮＮＴ混合物に合わせてカスタマイズできる；（ｖ）本手法は、マイクロ流体素子に対してスケーラブルかつ適応可能である。これらの特性は、これまで説明した分離技術（非特許文献５２）と比較して主要な利点である。上記の実験は分画する材料としてＢＮＮＴのみを扱っているが、同じ方法がＣＮＴ（非特許文献３５）及びピカリング剤（Pickering agent）として作用する他の一次元ナノ材料（非特許文献３６、５３）に対しても拡張できる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００３８】
【非特許文献１】De Volder, M. F. L.; Tawfick, S. H.; Baughman, R. H.; Hart, A. J. Science 2013, 339, 535-539.
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【非特許文献３】Habibi, Y.; Lucia, L. A.; Rojas, O. J. Chem. Rev. 2010, 110, 3479-3500.
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【図１】
2015131252.tif 000012
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【外国語明細書】
[Title of Invention] 
Method of fractionating nanomaterial comprising elongated elements of different lengths
[Filed of Invention]
[0001]
The present invention relates to a method of fractionating nanomaterial comprising elements of different lengths, including but not limited to nanotubes, nanowires, and nanorods.
[Background Art]
[0002]
High aspect ratio nanoparticles, such as carbon nanotubes (CNT) (Non-patent Document 1), boron nitride nanotubes (BNNT) (Non-patent Document 2), and cellulose nanocrystals (Non-patent Document 3) are expected to play key roles in the areas of electronics, actuators, membranes, diagnostics and nanomedical devices, among many others. Although unfractionated nanotubes (NTs) are employed in most current studies, a growing number of reports indicate that NTs monodispersed in size can exhibit new properties that may trigger further innovation in nanoscience and nanotechnology (Non-patent Documents 4-7). Nanotubes of uniform size are needed also for investigations of their size-dependent physical, chemical, and biochemical properties. Moreover toxicological studies indicate that long nanotubes can cause serious cellular damage, whereas shorter ones are much safer (Non-patent Documents 8, 9).
[0003]
Since it is difficult to control the size of either CNTs or BNNTs during their synthesis (Non-patent Document 1, 2), size control must be done post-synthesis. A number of purifications and sorting approaches with regard to dimension and chirality have been established in the case of CNTs (Non-patent Documents 10-12), including iterative centrifugation (Non-patent Documents 13, 14), density gradient ultracentrifugation (Non-patent Documents 15-17), field-flow fractionation (Non-patent Documents 18-20), electrophoresis (Non-patent Documents 21-23), chromatography (Non-patent Documents 24-28), filtration (Non-patent Document 29), and more (Non-patent Documents 30). These methods require specialized equipment and multiple fractionations need to be performed in order to collect sufficient NTs monodispersed in size for further use.
[Outline of Invention]
[Problems to be Solved by Invention]
[0004]
An object of the present invention is to provide a facile method of fractionating nanomaterial containing elongated elements as a function of their lengths under a mild condition. 
[Means for Solving Problems]
[0005]
According to one aspect of the present invention, there is provided a method of fractionating nanomaterial comprising elongated elements of different lengths comprising the steps of emulsifying a mixture of a nanomaterial comprising elongated elements to be fractionated by length, surfactant, a hydrophilic liquid and a hydrophobic liquid, so that droplets of either the hydrophilic or hydrophobic liquid of different sizes are created and the elements adsorb on the surfaces of the droplets, and causing the droplets of larger sizes with the elements adsorbed to move toward either the upper surface or the bottom of the emulsified mixture depending on densities of the droplets and the fluid in which the droplets are dispersed so that the droplets of different sizes with the element adsorbed are located at different height positions in the emulsified mixture.
This method may further comprise the step of taking at an arbitrary height position the emulsified mixture containing the droplets with the elements adsorbed.
It may still further comprise the step of removing from the emulsified mixture taken the hydrophilic and hydrophobic liquids and the surfactant to obtain the elements with narrower distribution of lengths than that of the lengths of the elements to be fractionated.
The step of emulsifying the mixture may comprise sonication.
The step of causing the droplets of larger sizes with the elements to move toward either the upper surface or the bottom of the emulsified mixture may comprise allowing the emulsified mixture to stand still.
The step of causing the droplets of larger sizes with the elements to move toward either the upper surface or the bottom of the emulsified mixture may further comprise subjecting the emulsified mixture to centrifugation.
[Effects of Invention]
[0006]
The method of the present invention is very simple and can be carried out without the need of complicated and/or expensive equipment.
[Brief Description of Drawings]
[0007]
[Fig. 1] A conceptual diagram showing a three-step BNNT fractionation scheme starting with: (a) adding an oil layer on top of a well-dispersed aqueous suspension of BNNTs stabilized by the Tween 20 polymer, thus forming a two-layered mixture; (b) homogenization by sonication to produce a single emulsion phase; and finally (c) emulsion creaming induced by low-speed centrifugation at a low temperature (4℃).
[Fig. 2] A drawing of a dark-field microscopic evidence of the morphology and size distribution of the emulsion droplets and of the corresponding surface-adsorbed BNNTs as a function of the height position of a creamed oil (hexane)/water emulsion obtained from the Step (c) in Figure 1. Column (a) and (b) present micrographs of the BNNTs before and after complete drying of the emulsion, respectively.
[Fig. 3] Micrographs showing dependence of the oil (hexadexane) droplet diameter on the length separation of the surface-adsorbed BNNTs, collected from the top to the bottom (a-d) of the creamed emulsion obtained in Step (c) in Figure 1. (e) and (f) are consecutive time-sequence snapshots of micrographs following (b) and (d) respectively, demonstrating the adsorption stability of the BNNTs on individual oil droplets even under Brownian motion.
[Fig. 4] A drawing showing determination of the length distribution of three separate fractions (F1 to F3), purified and re-suspended in water, from a raw batch of BNNTs (A), as the control, by two complementary methods. (a) describes the determination by dynamic light scattering (DLS) (inset: L-Dhcorrelation used for estimation of the size of a particle with a cylindrical geometry; each dotted line points to the length of a nanotube fraction, calculated from its corresponding peak value of DH) and (b) describes the determination by optical microscopic characterization of each fractionated sample deposited by spin-coating on a piranha-cleaned silicon wafer (insets at the lower right corner for F2 and at the lower left corner for F1 and F3: high-magnification optical micrographs of the BNNT fractions spin-coated by further dilution of the original fraction).
[Fig. 5] (a) A high-resolution transmission electron micrograph (TEM) of a BNNT, obtained by centrifugation from the original aqueous suspension with Tween 20 surfactant prior to creaming separation. The arrow points to a thick exterior wrapping layer of the surfactant on the BNNT. (b) A TEM of a BNNT, from F1, after creaming separation and centrifugation against both acetone and water. The arrow indicates only a residual layer of the surfactant at the BNNT surface.
[Mode of Implementing Invention]
[0008]
According to one embodiment of the present invention, a method is presented in which two well-known phenomena in colloidal science are employed: emulsion creaming and the preparation of nanoparticle-stabilized emulsions. Creaming of emulsions is the result of gravity on an emulsion when the densities of the droplets (disperse phase) and the medium (continuous phase) are not equal. The inclination of the droplets to move up (creaming) or down (sedimentation) is governed by the ratio between Fg, due to the gravitational force (equation 1):
[0009]
2015131252.tif 000017
[0010]
and FB, to the Brownian diffusion (equation 2):
[0011]
2015131252.tif 000018
[0012]
where k, T, r, Δρ, H, and g are the Boltzmann constant, the temperature, the droplet radius, the density difference between the spherical droplets and the aqueous medium, the height of the column, and the acceleration due to gravity, respectively (Non-patent Document 31). Creaming becomes significant when the ratio i.e. Fg/FB > 1. The creaming velocity, v, generally increases with the droplet size, which can be approximated by the Stokes relation (equation 3) (Non-patent Documents 31, 32):
[0013]
2015131252.tif 000019
[0014]
where η is the medium viscosity. Hence, the creaming phenomenon leads to a vertical fractionation of the droplets in an emulsion as a function of their size, the largest one being found in the topmost section of the emulsion.
[0015]
It is well-known that nanotubes can be trapped at the oil/water interface.  This phenomenon was exploited, for example, to separate populations of isolated and bundled CNTs (Non-patent Document 33) or to isolate uniformly polymer-coated BNNTs from coarsely coated ones (Non-patent Document 34). In addition, both CNTs (Non-patent Document 35) and cellulose nanocrystals (Non-patent Document 36) are known to stabilize emulsions to form what are known as Pickering emulsions, to distinguish them from standard emulsions that owe their stability to the presence of surfactants adsorbed at the oil/water interface. The stability of Pickering emulsions is attributed, at least in part, to the irreversible nature of the nanoparticles adsorption on a droplet. Due to the droplet curvature, a long straight nanotube can adhere to a small spherical droplet via a single contact point. This situation is energetically unfavorable; hence the nanotube needs to bend (Non-patent Document 37). The force required to bend a nanotube to a given transverse displacement can be calculated using the Simply Supported Beam Model (SSBM). Treating the BNNT as a solid cylinder, this model leads to the following relationship (equation 4) (Non-patent Document 38):
[0016]
2015131252.tif 000020
[0017]
where EB, D, L, and δ are, respectively, the bending modulus of the tube, its diameter,  its length, and its deflection, defined by equation 5:
[0018]
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[0019]
where θis the bending angle, defined by:
[0020]
2015131252.tif 000022
[0021]
For the sake of simplicity, we assume here that there is a linear relationship between the applied force and the deflection. The strain energy is then given by equation 6:
[0022]
2015131252.tif 000023
[0023]
In an emulsion at equilibrium, the free energy gained by tube bending is equal to the energy, EI, necessary to form a stable oil droplet in water. The energy EI is given by:
[0024]
2015131252.tif 000024
[0025]
where γow is the oil/water interfacial tension.  From these considerations, it follows that nanotubes of a given size preferentially adsorb onto droplets of commensurate radius, and consequently, size fractionation of NTs should take place vertically along a creamed emulsion. 
[0026]
The separation process is demonstrated here for the size fractionation of a BNNT sample of broad length distribution (1-20 μm). BNNTs were selected, since currently there is no efficient method to fractionate them, although BNNTs of narrow size distribution are needed to address important issues related to their cytotoxicity (Non-patent Document 9), and other aspects in device fabrication (Non-patent Document 39, 40), energy conversion (Non-patent Document 41), transport (Non-patent Documents 42, 43) and separation technology (Non-patent Document 44). Techniques, such as cutting via extended-time sonication, were used to reduce the size of BNNTs from 10 μm to 500 nm (Non-patent Document 45), but there has been no report so far on the length fractionation of a population of polydispersed BNNTs.
[0027]
In the following experiments, a process is demonstrated in the case of a sample boron nitride nanotubes (BNNT) ranging in length from 20 to 1 micrometer. The BNNT sample is dispersed in an aqueous solution containing a nonionic surfactant.  Subsequently, an oil (non miscible in water) is added to the BNNT aqueous suspension. The mixture is emulsified by sonication, generating oil droplets ranging widely in length from 50 to 1 micrometer. The oils are stabilized against coalescence by surfactants and BNNTs adsorbed on the oil/water interface as a result of the reduction of the interfacial tension and interfacial area of the oil droplet, respectively. BNNTs adsorb selectively on droplets having a diameter identical, or close, to their length. Due to the creaming effect, the larger droplets move toward the top of the oil/water mixture faster than the smaller droplets, resulting in a size fractionation of the droplets, and consequently of the BNNTs. Collection of fractions of the mixture at various heights along the sample leads to the separation of fractions of BNNT with an average length of 10, 3 and 1 micrometers, respectively, as demonstrated in one experiment. By adjusting the BNNT/surfactant concentrations, depending on the initial length distribution, the process can be adjusted for the fractionation of NTs within various length ranges from 50 to less than 1 micrometer.
[Experiments]
[0028]
The general procedure, depicted in Figure 1, was performed on multiwalled BNNTs synthesized by the boron-oxide chemical vapor deposition, as reported previously (Non-patent Document 2). The resinous aggregates of pristine BNNTs (0.45 mg) were dispersed in ethanol and ground gently in a marble mortar in order to disbundle the tubes. The resulting suspension was sonicated in a water bath (38 kHz, 60W) at room temperature until the BNNTs were completely dispersed (〜5 min). The resulting dispersion was subjected to a 1-min centrifugation at 15,000 rpm. The BNNT precipitate was collected and dispersed by a 10-min sonication in an aqueous solution of Tween (registered trademark) 20 (polysorbate 20, critical micelle concentration: 0.06 mg/ml (Non-patent Document 46), 900 μl, 0.5 mg/ml). A translucent suspension was obtained. It was shaken overnight at 1,000 rpm on a benchtop vortexer to maintain the dispersion stability. Next, 100 μl of an oil (e.g. hexane) was added on top of the dispersion. The immiscible oil layer was emulsified into the aqueous suspension by a 5-min sonication at room temperature to yield a milky emulsion. The creaming process turned out to be very slow. Using Stokes relation (equation 3), one can estimate the creaming velocity of 20-, 10- and 1-μm hexane droplets to be 7.5 x 10-5, 1.9 x 10-5 and 1.9 x 10-7 m/s, respectively, by taking the density difference between hexane and water as 0.34 g/cm3 and η, 10-3 Pa・s. Thus, it takes about 0.2, 0.7 and 73 hours in order to complete the creaming of 20-, 10- and 1-μm droplets, respectively, within a 5-cm column by normal gravity. This estimation does not take into account the weight of BNNTs (density 〜1.38 g/cm3) (Non-patent Document 47) adsorbed to the hexane droplets, which would somehow lower the density difference. To accelerate creaming, the emulsion (〜5-cm in height) was subjected to a 1-hour centrifugation at an ultralow-speed (300 rpm, 4 ℃) followed by an hour of equilibration at room temperature. This treatment led to a creamed emulsion with its characteristic three-layered structure, consisting of a transparent serum (bottom), a cloudy emulsion (middle) and a white cream (top) (Figure 1c). No BNNT sediment was detected after centrifugation, implying that BNNTs were indeed adsorbed on the surface of the oil droplets (Non-patent Document 48).
[0029]
In order to confirm that the emulsification-creaming process led to a height-dependent gradient of droplet size, emulsion aliquots (5 μl) were taken carefully at different height positions using a pipette, without disturbing the suspension. Each aliquot was spread between two glass cover slips for observation with an optical microscope (Nikon Eclipse ME600L). The microscope was equipped with a halogen white light source and a digital camera (DXM1200, Nikon), which can deliver up to 12 megapixel (3840x3072)-resolution photographs.  Dark-field micrographs of the liquid mixture, displayed in Figure 2, were acquired before drying (column a in Figure 2) and after complete drying of the emulsion under ambient condition (column b in Figure 2). Focusing first on Figure 2a, we observe a significant decrease of the mean droplet size as a function of the sampling heights indicated by the three arrows. The droplet diameter ranges from more than 50 μm in the cream layer, to about 〜2 μm in the middle layer, and 〜1 μm or less in the serum. The macro-sized droplets (> 50 μm) in the top cream layer are slightly deformed and compressed against each other. This was most likely induced by centrifugation. The surface of the droplets is decorated with BNNTs revealed as lasing rods (Non-patent Document 34). As seen in Figure 2b, which presents dark-field images of the fully dried emulsion aliquots, BNNTs are found in each of the three emulsion layers. Moreover, the BNNTs adsorbed to the droplets are scrupulously length-fractionated in the aliquots taken at the three height positions of the creamed emulsion. The topmost fraction contains mostly long tubes (> 10 μm); BNNTs found in the middle layer are 2-8 μm in length, while in the bottom layer their length is < 1 μm. This observation confirms that, as predicted, the length of the BNNTs isolated is correlated with the size of the emulsion droplet.
[0030]
Further measurements were conducted in order to ascertain the success of the BNNT fractionation. First, we set out to observe droplets intact in the continuous phase. Hexadecane (boiling point: 287℃, 1 atm) was used as the oil in this experiment in order to prevent droplet breakup due to oil evaporation during observation. Aliquots of fractions (5 μl) taken from various height positions of the creamed emulsion were deposited on a hydrophilic silicon wafer pre-treated with piranha solution and rinsed copiously with Milli-Q water. Individual droplets moving in the emulsion film were examined in real-time. Dark-field images of the droplets are presented in Figure 3. Figures 3a to 3d correspond to samples taken from the top (a) to the bottom (d) of the creamed emulsion. In agreement with Figure 2, the droplet size decreases from a to d. Higher-magnification images, shown as insets, reveal that BNNTs are adsorbed on the droplets and that, in each fraction, the BNNT length is close to the diameter of the droplet onto which it is adsorbed. This is particularly evident in Figures 3b-c, where it can be seen also that the BNNTs tend to lay with their entire length on the droplet surface, without end segments dangling towards the aqueous medium. Real-time images, which captured the free rotation of two individual droplets of different sizes, are presented in Figures 3e and 3f. BNNTs remained adsorbed on the surface of the selected droplets, as they moved through the aqueous layer, indicating that the BNNTs are firmly anchored to the oil/water interface.
[0031]
The droplet shown in Figure 3d carrying a BNNT 〜1-μm in length has a diameter of 1.5 μm (or r = 0.75 μm).  Using equations 6 and 7 and taking γow = 0.052 J/m2 in the case of the hexadecane-water interface (Non-patent Document 49) and EB = 300 GPa, the bending modulus of a 1-μm long BNNT with a diameter of 50 nm (Non-patent Document 38), the radius of a droplet carrying a 1 μm-long BNNT under equilibrium condition is calculated to be 〜1 μm.  This value is larger than the radius (〜0.75 μm) of the droplet observed in Figure 3d. We attribute this difference to the synergistic stabilization effect of the Tween surfactant added to the experimental emulsion, and ignored in the model system (Non-patent Document 50). It has been shown previously, that in oil/water emulsions stabilized by mixtures of particles and surfactant, particles adsorb preferentially onto large emulsion droplets, while surfactant molecules prefer smaller droplets (Non-patent Document 50). The same phenomenon takes place here. The micrographs shown in Figure 3 indicate that larger droplets adsorbed significantly more BNNTs on their surface than smaller ones. The surfactant concentration plays an important role in the BNNT fractionation. It should be chosen with care, depending on the initial size distribution of the BNNTs. For a broad length  range, where long and short nanotubes (e.g.1-20 μm) are present, as is the case in this study, the most efficient fractionation takes place when the surfactant concentration is kept low. However, for BNNTs of narrower length distributions (e.g.1-5 μm) a higher surfactant concentration would be necessary, keeping all other parameters constant.
[0032]
The efficiency of the method to fractionate BNNTs by length was corroboratedstatistically by two ensemble characterization techniques: dynamic light scattering (DLS) and optical microscopy. A creamed emulsion was prepared as described previously and three fractions (F1, F2, and F3, 50 μl) were taken, respectively, near the top, middle, and bottom of the emulsion column, as depicted in Figure 4a. Each fraction was centrifugally washed with 1 ml of acetone (once) and with 1 ml of Milli-Q water (twice) (15,000 rpm, 1 min, 23℃) to remove excess oil and Tween surfactant. The recovered BNNT precipitate was re-suspended in 1 ml of water by a 1-min sonication. A sample of BNNTs prior to fractionation (A in Figure 4) was obtained as well by collecting the original Tween emulsion of the BNNTs prior to separation (50 μl) and subjecting it to the same purification process as F1, F2, and F3. Samples A and F1 to F3were derived from the same batch of the BNNTs. The resulting dispersions (A, F1, F2 and F3) were characterized by DLS. Samples (1 cm-optical path) were placed in the sample holder held at room temperature of a Delsa Nano C particle analyzer (Beckman Coulter, USA) with an incident irradiation of 658 nm from a diode laser and detection of the scattered light at an angle of 165o. The variation in intensity of the scattered light was auto-correlated to give the corresponding intensity distribution of the dispersed nanotubes as a function of their hydrodynamic diameter (DH), shown in Figure 4a. The control fraction (A, Figure 4a) has a very broad distribution of diameters. In contrast, the length distributions of fractions F1 to F3 (with average hydrodynamic radii DH1 to DH3) are much sharper and well separated along the size axis.
[0033]
The DH value obtained from DLS is derived from the diffusion coefficient of a particle based on the Stokes-Einstein equation assuming the particle is a sphere. The model described by Nair et al. (Non-patent Document 51), was used to estimate the tube length, L, corresponding to the experimental DH values. In this model, DHis related to L, by equation 7:
[0034]
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[0035]
where d is the diameter of the tube (on average for BNNT). Using this equation and d = 50 nm (Non-patent Documents 2, 34), we find L1= 7.5 μm, L2 = 2.4 μm, and L3= 1.2 μm, for BNNTs in fractions F1, F2, and F3, respectively. The relationship between DH and L is illustrated in the inset of Figure 4a. 
[0036]
Fractions F1, F2, F3, and the original sample A were observed by optical microscopy to get the ensemble size of each sample. Specimens were prepared by spin-coating (1,000 rpm) 5 μl of each sample onto a silicon wafer, which had been cleaned with the piranha solution and rinsed with water. The optical micrographs are presented in Figure 4b. The original sample consists of a random distribution of BNNTs of various lengths, as expected. In F1, only long tubes (≧10 μm) can be seen. They appear clustered into bundles produced by the spin-coating process. A second F1 specimen, prepared by spin-coating onto a silicon wafer a suspension 10-times more diluted, is shown as an inset in Figure 4b (F1). It presents mostly isolated long tubes. The lengths of the ensemble of nanotubes in the inset image for F1 (Figure 4b) spanned the 6-17 μm range, the population of tubes with L < 10 μm was in minority (〜30 % by number). The average length derived from DLS is less than the observed value for fraction F1 (7.5 μm), but for the shorter tubes such as F2 and F3, the length distributions examined by optical imaging agree well with those derived from DLS. It is possible that tubes of very high aspect ratio and good mechanical flexibility may curl up in the liquid suspension, leading to inaccurate length prediction for F3.
[0037]
In summary, a simple one-pot approach has been developed to achieve the length fractionation of BNNTs using the physical properties of unstable emulsions formed in the presence of nanoparticles. From the practical viewpoint, this approach has attractive characteristics: (i) it is a one-pot process which does not require special equipment and uses only water, an oil, and a chemically non-invasive and biocompatible surfactant, such as Tween 20, that can be desorbed from the BNNTs after fractionation, leaving their surface chemically intact and ready for further use (see Figure 5); (ii) it requires no chemical (acid or oxidant) pretreatment of the BNNTs prior to fractionation; (iii) it is free of expensive consumables, such as membranes, filters, or gel columns, which are needed in other separation methods and must be replaced often due to fouling and caking problems upon routine use; (iv) it can be customized for starting BNNT mixtures of various mean sizes (from tens of micrometers to 〜100 nm by modulating the oil-to-water ratio and the surfactant concentration; (v) it is scalable and adaptable to microfluidic devices. These are major advantages, compared to the separation techniques described so far (Non-patent Document 52). Though the above described experiments only deal with BNNTs as the materials to be fractionated, the same method can be extended to CNTs (Non-patent Document 35) and other one-dimensional nanomaterials acting as Pickering agents (Non-patent Documents 36, 53).
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1. A method of fractionating nanomaterial comprising elongated elements of different lengths comprising the steps of:
emulsifying a mixture of a nanomaterial comprising elongated elements to be fractionated by length, surfactant, a hydrophilic liquid and a hydrophobic liquid, so that droplets of either the hydrophilic or hydrophobic liquid of different sizes are created and the elements adsorb on the surfaces of the droplets, and,
causing the droplets of larger sizes with the elements adsorbed to move toward either an upper surface or a bottom of the emulsified mixture depending on densities of the droplets and a fluid in which the droplets are dispersed so that the droplets of different sizes with the element adsorbed are located at different height positions in the emulsified mixture.
2. The method as set forth in claim 1, further comprising the step of:
taking at an arbitrary height position the emulsified mixture containing the droplets with the elements adsorbed.
3. The method as set forth in claim 2, further comprising the step of:
removing from the emulsified mixture taken the hydrophilic and hydrophobic liquids and the surfactant to obtain the elements with narrower distribution of lengths than that of the lengths of the elements to be fractionated.
4. The method as set forth in any one of claims 1 through 3, wherein the step of emulsifying the mixture comprises sonication.
5. The method as set forth in any one of claims 1 through 4, wherein the step of causing the droplets of larger sizes with the elements to move toward either the upper surface or the bottom of the emulsified mixture comprises allowing the emulsified mixture to stand still.
6. The method as set forth in any one of claims 1 through 5, wherein the step of causing the droplets of larger sizes with the elements to move toward either the upper surface or the bottom of the emulsified mixture comprises subjecting the emulsified mixture to centrifugation.
1  Abstract
[Problems] To provide a simple method of fractionating nanotubes or the like by length under a mild condition.
[Solution]  A mixture of the nanotubes of different lengths, oil, oil-immiscible liquid and a surfactant (step (a)) is emulsified by means of, e.g., sonication (step (b)). In the emulsion thus created, the nanotubes are adsorbed on the surfaces of the droplets of the oil in the manner that the shorter nanotubes tend to be adsorbed on the smaller droplets. During the creaming of the emulsion, which can be accelerated by centrifugation, the droplets on which the nanotubes are adsorbed move upward with the droplets of larger diameters closer to the top surface of the emulsion, which in turn causes fractionation of the nanotubes by length along the depth of the emulsion to be achieved (step (c)).
2  Representative Drawing  Fig. 1
[Figure 1]
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[Figure 2]
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[Figure 3]
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[Figure 4]
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[Figure 5]
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