(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のグループの組成物を、複数の収集器及び反応物入口を有するノズルを備えた装置を用い、流体ストリーム内で流体反応物を化学反応させて得る方法であって、
第１群の流体反応物を流体ストリーム内で化学反応させて、第１群の生成組成物を形成する工程であって、前記反応物の少なくとも一部分が前記反応物入口由来である工程と、
前記第１群の生成組成物を、第１の収集器を用いて前記流体ストリームから収集する工程と、
前記第１群の生成組成物の収集完了後、前記ノズルを前記第１の収集器及び第２の収集器に対して相対的に移動し、そして第２群の流体反応物を前記第２の収集器に向けられた流体ストリーム内で化学反応させて、前記第１群の生成組成物とは材料的に異なる第２群の生成組成物を形成する工程と、
前記第２群の生成組成物を、前記第２の収集器を用いて前記流体ストリームから収集する工程を備えた方法。
【請求項２】
前記第２群の流体反応物の組成が、前記第１群の流体反応物の組成と異なることを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記第２群の流体反応物の反応条件が、前記第１群の流体反応物の反応条件と異なることを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項４】
前記装置が、照射線源とそれを方向付けるための光学素子によって規定される照射線経路を有し、前記流体反応物の反応に、前記照射線源からの照射線と反応物との反応が含まれることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項５】
さらに、前記第１群及び第２群の生成組成物の特性を評価する工程を備えたことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記収集器が、前記粒子の特性を評価する際にも、該粒子を収集したのと同じ場所に配置されていることを特徴とする請求項５に記載の方法。
【請求項７】
複数のグループの組成物を流体ストリーム内で流体反応物を化学反応させて得るための装置であって、
反応物源と、
前記反応物源に接続されたノズルと、
前記ノズルから出た流体ストリーム内の流体反応物が化学反応して組成物となるように構成された反応ゾーンと、
前記ノズルに対して相対的に移動可能である複数の収集器であって、各々がガス透過性膜を有する複数の収集器と、
物質反応パラメータを変化させ、前記流体ストリームから前記複数の収集器が材料的に異なる組成物を受け止めるように配置することをプログラムしたプロセッサと、を有することを特徴とする装置。
【請求項８】
さらに、指向性を持つ光学素子を備え、前記光学素子により、反応チャンバ内に、前記ノズルからの流体の流れを横切る照射線の経路が規定されることを特徴とする請求項７に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
（技術分野）
この発明は一定の粒子特性を備えた化学組成物、特に固体粒子の製造に関する。さらに、この発明はコンビナトリアル（ｃｏｍｂｉｎａｔｏｒｉａｌ）化学合成後の複数の多量の化学組成物の特性評価に関する。
【０００２】
（背景技術）
技術的な進歩により、処理パラメータに対し厳密な許容度で処理される高性能材料に対する必要性が増大している。特に、小型部品を有する製品などの新製品の開発では、とりわけ最新の処理方法において使用するための多くの型の新規材料、とりわけ高性能無機材料に対する要求が増大する。これらの要求のいくつかを満たすために、多様な処理コンテクストにおいて様々な化学粉末を使用することができる。特に、小構造または高表面積材料を含む様々な適用に特に好都合な超微細粉末の適用にかなり関心が集まっている。この超微細化学粉末に対する要求により、これらの粉末を製造するための高度な技術、例えばレーザ熱分解の開発が進んでいる。
【０００３】
セラミック粉末、とりわけ金属または珪素化合物を含む粉末はある範囲の異なる適用において興味深い。例えば、化学粉末は電子装置、例えば電池、触媒、抵抗器、コンデンサ、誘導子及びトランジスタ、及び光学装置、例えば導波管、光学スイッチ及び非線形光学装置の製造において使用することができる。他の特定の電子装置には、電子との相互作用に応答して可視光を放射する蛍光体材料をしばしば使用する電子ディスプレイが含まれる。同様に、セラミック粉末は超小型電子装置内のコーティングまたは電磁シールド用のコーティングの製造に有効である。様々な適用分野で化学粉末を使用する場合、その粉末を適した適用形態で配置するために特定の処理アプローチが必要である。これらの適用の多くに対し、超微細粉末の使用は有利である。
【０００４】
個々の適用における粉末性能は、１）化学組成、２）結晶相、３）表面特性、４）平均粒子サイズおよび５）粒子サイズ分布の１以上に一般に依存する。例えば、電気活性粒子特性に依存するリチウムイオン電池カソード中の電気化学化合物の主な機能属性としては、例えば電圧プロファイル、充電及び放電容量、充電及び放電速度、電力能力が挙げられる。
【０００５】
迅速な材料合成またはコンビナトリアルアプローチは有機化合物評価の領域では成功している。これらの技術は薬剤設計に使用されている。コンビナトリアル技術の普遍化により評価用の少量の無機材料を製造するための固体反応法が得られている。
（発明の開示）
【０００６】
第１の観点では、この発明は複数の収集器を備える装置を用いて複数の多量の組成物を得るための方法に関する。この方法は、第１の量の流体反応物を反応させ、第１の量の生成組成物を形成する工程を含む。第１の量の生成組成物は第１の収集器を用いて収集される。第１の量の生成組成物の収集が完了した後、第２の量の流体反応物を反応させ第２の量の生成組成物を形成させる。第２の量の生成組成物は第１の量の生成組成物とは物質的に異なる。第２の量の生成組成物は第２の収集器により収集される。
【０００７】
別の観点では、この発明は反応物供給源に接続されたノズルと複数の収集器とを含む装置に関する。ノズルと複数の収集器とは、１つの収集器がノズルから出てくる流体ストリームを受理するように選択的に配置することができるように互いに対し移動することができる。各収集器はガス透過膜を備える。
【０００８】
さらに他の観点では、この発明は反応物供給源に接続されたノズルと、複数の収集器と、ノズルから出てくる流体ストリーム内の生成組成物とを備える装置に関する。ノズルと複数の収集器とは、１つの収集器が流体ストリームを受理するように選択的に配置することができるように互いに対し移動することができる。
【０００９】
他の観点では、この発明は粒子特性を迅速に評価するための方法に関する。この方法は複数の多量の粒子を収集する工程を含む。この場合、それぞれの量の粒子はガス透過膜を備える別個の粒子収集器を用いて収集される。この方法はさらにガス透過膜と接触する粒子を用いてそれぞれの量の粒子の特性を評価する工程を含む。
【００１０】
さらに、この発明は組成物の混合物を得るための方法に関する。この方法は第１の量の流体反応物を反応させ第１の量の生成組成物を形成する工程を含む。第１の量の生成組成物は１つの収集器を用いて収集される。第１の量の生成組成物の収集が完了した後、第２の量の流体反応物を反応させ第２の量の生成組成物を形成させる。第２の量の生成組成物は第１の量の生成組成物とは物質的に異なる。第２の量の生成組成物は前記収集器を用いて収集される。
【００１１】
（例示的な実施の形態の詳細な説明）
コンビナトリアル化学合成、すなわち迅速な材料合成アプローチは、流体ストリーム内での反応を使用して複数の測定可能な量の化学組成物を製造するために開発された。粒子製造装置は物質的に異なる特性を有する化学粉末を別個に収集するための複数の収集器を含む。物質的に異なる特性を有する粒子は異なる時点で反応パラメータを変化させることにより形成される。このように、別個のバッチの粒子が連続して製造され、異なる収集器中に別個に収集される。好ましい実施の形態では、粒子は粒子収集器から分離されずに評価される。
【００１２】
図１について説明する。図１はこの中で説明するコンビナトリアル合成アプローチを示すブロック図である。プロセス５０は流体形態の反応物の様々なミックスを結合させる工程５２を含む。その後、流体反応物は反応ゾーン内で様々な範囲の反応条件下で反応する（５４）。反応により様々な範囲の属性を有する組成物が製造される（５６）。選択された反応条件下で選択された反応物ミックスを用いて製造された特定の組成物は特定の収集器内に収集される（５８）。特定の組成物を製造、収集するプロセスを、他の選択された反応物ミックスを用いておよび／または他の選択された反応条件下で繰り返す（６０）。合成プロセスが繰り返され特定の数のサンプルが別個に収集される。所望の特性を有する生成組成物を識別するためにサンプル評価を行う（６２）。
【００１３】
対象の装置は流体反応物の供給源と複数の粒子収集器を備えた収集システムとを有する。流体反応物は流体ストリーム中で反応し流体ストリーム内で粒子が製造される。一般に、流体反応物はノズルを介して供給される。流体はガスおよび／またはエーロゾルを含むことができる。ノズル及び粒子収集器のアレイは好ましくは、物質的に異なる特性を有する粒子が連続して製造され分析用に別々に収集されるように互いに対して移動する。その後化学粒子は対象の特性について評価することができる。
【００１４】
反応物ストリームの力により反応物が反応ゾーンに進められ、残りの運動量により生成組成物が収集器まで運ばれる。このため、反応を限定する反応チャンバは必要ない。しかしながら、好ましい実施の形態では、流体ストリームの反応は反応チャンバ内で起こる。反応チャンバは周囲環境からシールすることができ、ポンプを使用してチャンバを通る流体反応物の流れを維持することができる。他の実施の形態では、反応チャンバは大体大気圧であり、反応物を注入することにより収集器への流体の流れが維持される。ノズル、収集器またはその両方は、選択的に多量の生成物粒子を収集するように反応チャンバに対して移動することができる。
【００１５】
さらに、好ましい実施の形態では、粒子収集器は流体の流れから化学組成物、好ましくは固体を除去する相分離器として機能するガス透過膜を含む。液体であれ、固体すなわち粒状生成組成物であれ、生成組成物は適当に設計された収集器を用いて収集することができる。いくつかの実施の形態では、ガスは入口ノズルからガス透過膜を通って流れる。膜は選択的にまたは個別にポンプに接続され選択された収集器を通る流れが維持され、あるいは各膜は分離ポンプに接続することができる。
【００１６】
化学反応は様々な流体ストリーム反応アプローチを基本とすることができる。特に、反応は電磁エネルギー（例えば、レーザ）熱分解、フレーム合成、自発化学反応、熱分解及び電気アーク熱分解を基本とすることができる。これらのアプローチは全て反応により流体ストリーム内で粒子が製造される流体反応物の流れが関与する。粒子収集器は流体ストリームから粒子を取得する。
【００１７】
均一性の高い粒子を製造するためには、レーザ熱分解が好ましい合成アプローチである。非常に明確な反応ゾーンにより均一性の高い生成物が得られるからである。レーザ熱分解では、反応ゾーン内の状態は集束電磁放射により強く影響される。反応ゾーン内の状態は均一性が高く、反応条件は幅広く調節できる。レーザ熱分解を用いると、発熱性や反応の他の観点に依拠することなく、反応を促進し反応ゾーン内の状態を維持することができる。このように、反応条件は注意深く制御することができ、生成物材料の特性、例えば平均粒子サイズ、粒子サイズ分布及び結晶相を選択することができる。
【００１８】
レーザ熱分解では、電磁照射の集束ビームが反応チャンバを通って導かれ、反応及び生成物粒子の製造を誘導する。集束エネルギービームにより明確な反応ゾーンが形成され、生成物粒子は反応ゾーンを離れると直ちに急冷される。流体反応物ストリームは生成組成物に原子を提供する１以上のガス状またはエーロゾル反応物前駆体を含む。流体反応物ストリームはエネルギー吸収剤、溶剤及び不活性ガス減速材などの他の組成物を含むことができる。
【００１９】
複数の粒子収集器を使用して物質的に異なる特性を有する多量の粒子を別個に収集する。粒子収集器が相分離器として機能し、生成物粒子が粒子ストリームから除去される。好ましい実施の形態では、収集器はガス透過膜を含み、粒子は膜にトラップされガスは膜を通過する。反応チャンバが周囲環境からシールされている場合、装置は特別な粒子収集器の膜を通してチャンバをポンピングし特別な収集器において特別な時点で所望の生成物粒子を収集するように構成される。
【００２０】
このように、複数の多量の粒子が逐次収集され、少なくともいくつかの逐次収集される多量の粒子は他の別個に収集される多量の粒子とは物質的に異なる特性を有する。逐次収集の他に、複数の多量の粒子は複数の反応物ノズルを用いて同時に収集することができる。いくつかの実施の形態では、流体の流れを制御することにより反応物入口または粒子収集器を物理的に移動させずに生成物粒子を選択した収集器まで誘導することができる。その代わりに逐次複数の多量の異なる粒子を収集するために、反応物ノズル及び収集器を互いに移動させる。相対移動させるために、ノズルを反応チャンバまたはマウントに対し固定し収集器を反応チャンバに対し移動させることができ、あるいは収集器を反応チャンバに対し固定しノズルを反応チャンバに対し移動させることができ、あるいはノズルと収集器の両方を反応チャンバに対し移動させることができる。
【００２１】
ある量の生成物粒子の収集と、その後の生成物粒子の収集との間で物質反応パラメータを変更するため、その後に別個に収集される粒子は物質的に異なる。物質反応パラメータとしては例えば、反応物組成、反応物フラックス、不活性希釈剤濃度、反応圧力、温度、放射波長及び放射強度が挙げられる。最初の組の値から新しい値へ反応パラメータを変更している間の移行期に製造された粒子はすべて必要に応じて廃棄収集器に誘導される。
【００２２】
特別な量の粒子を収集した後、粒子は必要に応じてさらなる処理を受けることができ、及び／または粒子の特性が評価される。いくつかの実施の形態では、粒子の評価及びすべての追加の処理は収集器から粒子を分離せずに実行される。しかしながら、収集器を反応チャンバから取り除き、追加の処理及び／または粒子評価を収集器膜から粒子を分離せずに行っても良い。少なくとも最初の評価は粒子を収集器膜から取り除かずに実行することが望ましいが、一部の評価に基づき望ましい特性を有するサンプルはさらに広範な評価を行うために収集器から取り除くことができる。さらに、いくつかの実施の形態では、サンプルは必要に応じて自動システムを用い能率的にかつ体系的に処理することができ、必要に応じて用いるプロセスによって、生成物を取りだして評価することができる。
【００２３】
粒子を収集器内でさらに処理および／または評価する場合、多数のサンプルを能率的にかつ迅速に取り扱うことができる。粒子が合成装置内に残っていると、合成装置はサンプルの同時処理のために適合することができ、合成を続けながら操作の幾つかが可能である。その代わりに、さらに処理するために収集器の組を、好ましくは同時に取り外しても良い。サンプルの同時処理のために市販の化学サンプル収集器、自動供給システム、ロボットシステムなどを適合させることができる。追加の処理としては例えば、不活性または反応環境での加熱処理および／または組成物を他の組成物と結合させることが挙げられる。材料の最初の評価のための適した特性としては例えばｘ−線回折による結晶構造、表面積（例えばＢＥＴ表面積）、分光特性、電子特性、磁気特性及び化学組成が挙げられる。
【００２４】
この中で説明したコンビナトリアル化学合成アプローチを使用して、かなりの数のサンプルを調製し評価し、所望の生成物粒子特性を得るための反応パラメータを最適化することができる。１組の多量の生成物粒子を収集する１度の特別な運転中に１以上の反応パラメータを体系的に変化させることができる。１度の運転において製造された粒子の特性評価に基づき、パラメータ変動をいくらか繰り返し、特定の反応パラメータの範囲内で十分最適化された粒子を得ることができる。これらの特性及び粒子はスケールアップし商業規模の量の材料を製造するための基本とすることができる。
【００２５】
好ましい生成物粒子は固体無機材料である。生成物粒子は例えば、金属単体、合金、炭素単体、及び金属／メタロイド化合物、例えば金属／メタロイド酸化物、金属／メタロイド窒化物、金属／メタロイド炭化物、金属／メタロイド硫化物及びこれらの組合せを含むことができる。メタロイドは金属と非金属との中間の化学特性を示す元素である。メタロイド元素には珪素、ホウ素、ヒ素、アンチモン、テルルが含まれる。これらの粒子は様々な適用、例えばエレクトロニクス製造、表面研磨及びコーティングにおいて使用することができる。
【００２６】
粒子製造
この中で説明したコンビナトリアル合成アプローチには、反応して流体ストリーム内で生成物粒子を形成する流体反応物が関係する。粒子収集器は相分離器として機能し少なくともかなりの部分の粒子が流体の流れから除去される。多量の粒子が逐次製造され、別個に収集された多量の粒子は１以上の他の別個に収集された生成物粒子とは物質的に異なる特性を有する。粒子のバッチは異なる粒子収集器を用いて別個に収集される。
【００２７】
流体の流れ内で製品を形成することにより、一般に粉末として収集される生成物粒子が形成される。収集される粒子の量は製造速度及び特別な特性を有する粒子の収集に割り当てられた時間に依存する。特に、１ｋｇ／時間のオーダーの速度で化学粉末を製造する能率的なレーザ熱分解装置が開発されている。例えば、「化学反応による粒子の能率的な製造」と題するビ（Ｂｉ）らに付与された米国特許第５，９５８，３４８号を参照のこと。この特許については参照により明細書に組み込むものとする。コンビナトリアル化学合成では特に大きな製造速度は必ずしも必要ではないが、１０ｇ／時間のオーダーの容易に得ることができる適度なレーザ熱分解製造速度を使用すると１０時間で、１００の１ｇサンプルが、あるいは１０時間で１０００の０．１ｇサンプルが得られる。多くの分析技術では少量のサンプルで十分である。さらに少量のサンプルで十分な場合、所定の時間でより多くのサンプルを製造することができる。
【００２８】
このように、流体ストリーム反応アプローチを使用すると、薄層アプローチと比べ、より大量のサンプルを能率的に製造することができ、生成物粒子はその効果を調べることができる粒子サイズ、形状、サイズ分布などの追加の特徴を提供する。さらに、レーザ熱分解及び他の集束エネルギー合成アプローチでは、材料の迅速な急冷により準安定相を形成することができる。所望であれば、準安定な組成物をその後の加熱処理により平衡相までアニールすることができる。対照的に、薄層固相コンビナトリアル合成アプローチは「新規材料のコンビナトリアル合成」と題するシュルツ（Ｓｃｈｌｔｚ）らに付与された米国特許第５，９８５，３５６号において説明されている。この特許については参照により明細書に組み込むものとする。薄膜固相反応アプローチでは、生成物は固相反応で製造され、基板上の隔離された位置で平衡生成物が製造される。
【００２９】
流体ストリーム合成アプローチの他の利点は生成組成物が収集器とは別に形成され、組成物と収集器との間の強い結合は通常起こらないという点にある。そのため、生成組成物は収集器から分離することができ、さらに処理および／または分析するために適した基板と接触させて配置することができる。例えば、生成物は１０００℃までの温度で処理するためにＡｌ２Ｏ３ボートと、あるいはさらに高い温度で処理するためにグラファイトボートと接触させて配置することができる。同様に、生成物粒子は透過電子顕微鏡分析またはｘ−線回折分析のために基板に移すことができる。
【００３０】
この中で説明した流体ストリーム反応アプローチでは、１以上の反応物が流体の流れ内のガス、蒸気および／またはエーロゾルとして提供される。適した反応物は流体ストリーム内での反応により生成組成物内に組み込まれる原子を供給する。反応物が１つである場合、反応生成物は分解、破砕、または反応物の再配列により形成される。複数の反応物が存在する場合、各反応物は１以上の原子を生成組成物に提供する。流体の流れは酸化剤、還元剤、キャリヤガス、照射線吸収剤、反応開始剤、触媒、希釈剤／減速材などとして作用することができる他の蒸気、ガスまたはエーロゾル化合物を含むことができる。反応物ストリーム内の幾つかの化合物は幾つかの異なる機能を有することができる。
【００３１】
適した酸化剤としては、例えばＯ２、Ｏ３、及びＣＯが挙げられる。分子酸素は空気として供給することができる。適した還元剤としては、例えばアンモニア、Ｈ２及び炭化水素が挙げられる。不活性キャリヤガスとしては例えば、アルゴン、ヘリウム及びＮ２が挙げられる。他の機能ガスはまたキャリヤガスとして機能することができる。適した照射線吸収化合物は照射線周波数に依存する。ＣＯ２レーザにより供給される赤外線照射では、Ｃ２Ｈ４が適した照射線吸収ガスである。反応開始剤には適当な反応性の高い種が含まれ、酸化剤および／または還元剤の中には反応開始剤として機能するものもある。金属粒子及び金属酸化物粒子を含む様々な物質が触媒として機能することができる。触媒は反応物ストリーム中に供給され、あるいは所望の生成物粒子と共にその場で形成させることができる。不活性ガスは反応減速材または希釈剤としても使用することができ、反応強度及び速度を減少させ、生成物粒子特性を調整することができる。
【００３２】
適したコンビナトリアル反応システムは大気圧で動作することができ、反応チャンバを備え、あるいは反応チャンバ無しで、合成反応は分離される。好ましい実施の形態では、収集装置に接続されたポンプを使用して周囲環境からシールされた反応チャンバ内の流体の流れが維持される。反応チャンバは、一般に大気圧より小さな圧力で動作されるが、いくつかの合成アプローチでは大気圧よりも高い圧力を使用することができる。これらの実施の形態では、粒子収集器は好ましくは反応チャンバとポンプとを分離するガス透過膜を含み、そのためポンプによりガス透過膜を通過する流体の流れが維持される。他の実施の形態では、反応チャンバはポンプ無しで大気圧付近の圧力で動作される。この場合加圧下での反応物注入によりシステムを通る流体の流れが提供される。
【００３３】
このコンビナトリアル合成アプローチは全ての流れる流体反応システムと共に使用することができる。適した反応システムは、例えば自発化学反応、フレーム合成、熱分解、電気アーク熱分解、及び電磁エネルギー（レーザ）熱分解を基本とすることができる。
【００３４】
自発化学反応では、反応物は好ましくはノズル上に設けられた２以上の反応物入口を使用することにより反応チャンバ内で混合され、各ノズルから流れる流体反応物は反応チャンバを通る反応物流れを形成するので反応チャンバ内で混合される。反応物は混合されると自発反応が起こるように選択される。当然、３以上の反応物が存在する場合、場合によっては反応チャンバに導入する前に混合された一部の反応物を使用することができる。安定した反応条件を達成するために、自発反応は好ましくは激しすぎず、不活性ガスにより適当に緩和される。反応物は自発的に反応するので、成分を混合すると直ちに反応が起こり生成物粒子が形成される。反応ゾーンは一般に明確に規定されない。反応が起こり、反応物の量が減少すると、反応物の量が変動するからである。
【００３５】
フレーム合成は活性化障壁により反応の自発的な開始が阻止されることを除き自発化学反応と同様である。エネルギー源を使用して反応を開始させる。このアプローチでは反応は十分発熱であり、反応は開始すると連鎖反応として連続する。反応を開始させるために様々なエネルギー源、例えば熱、電磁放射、電気アーク及び／または電子ビームを使用することができる。同様に、反応性の高い化学種または触媒などの化学種を使用して反応を開始することができる。開始化学種を最初に反応物の１つと混合することができ、あるいは遮蔽ガス内に存在させることができる。一般に、フレーム合成を使用する場合、反応物ストリームに沿って反応物ノズル内まで反応が伝搬しないように十分反応を制御することもできるが、一般には、反応物は反応チャンバ内で混合され、装置の損傷及び爆発のリスクが避けられる。
【００３６】
熱分解では、反応はその反応を維持するのに十分なエネルギーを供給することができない。このように、反応を進めるために熱が連続して供給される。反応物は流れているので、加熱された反応器の壁から熱を供給するのは望ましくない。不活性ガスによる反応器の中心への熱の伝達は不十分であり壁で反応が開始すると生成物粒子が反応器の壁上に蓄積してしまうからである。しかしながら、反応器内で反応物を混合すると反応物自体を加熱することができる。その代わりに、不活性遮蔽ガスを加熱して熱エネルギーを反応物に送達することができる。エネルギーが適度に能率的に伝達されるように、不活性遮蔽ガスは好ましくは反応物ストリームの周囲に供給される。
【００３７】
化学反応を維持するために熱を使用する代わりに、電気アークなどの他のエネルギー源を使用することができる。電気アークは一般に反応物流体の流れ内にまたはそれに隣接して供給される。同様に、エネルギー源として電磁放射を使用することができる。電磁放射は集束することも集束しないことも可能である。集束しない放射を用いる場合、反応は反応ノズルと収集器との間の流体の流れ全体において起こることが可能である。反応チャンバが存在する場合、電磁放射は反応チャンバを満たしてもよく、反応チャンバに限定してもしなくてもよい。適した集束しない放射は電磁スペクトルのいずれの部分とすることもでき、例えば、超高周波数、無線周波数、マイクロ波、赤外線、可視光、紫外線及びｘ線が挙げられる。
【００３８】
集束電磁放射は一般にマイクロ波、赤外線、可視光及び紫外線波長を含む光波長に関連する。集束放射を使用して明確な反応ゾーンを形成させることができ、事実上反応の全てが反応ゾーン内で起こる。反応ゾーンは集束エネルギービームと反応物ストリームとの交点により規定されるが、反応ゾーンの範囲は放射と反応物ストリームとの交点と正確に対応しなくてもよい。明確な反応ゾーンの利点は生成物粒子がより均一であることである。異なる生成物粒子に対し反応条件がより同一となるからである。反応物粒子は反応ゾーンを離れると直ちに急冷される。レーザビームなどの集束放射により製造された大量の粒子については以下でさらに説明する。
【００３９】
レーザ熱分解は均一性の高い粒子を製造するには好ましいアプローチである。反応条件によりレーザ熱分解で製造される粒子の量が決定される。レーザ熱分解の反応条件は所望の特性の粒子を製造するように比較的正確に制御することができる。反応ゾーンでのガスの加熱は非常に迅速で、特定の条件により大体１０５℃／ｓｅｃのオーダーとすることができる。反応は反応ゾーンから離れると直ちに急冷され、粒子は反応物／生成物ストリーム中で形成される。プロセスの非平衡特性によりサイズ分布が非常に均一で構造が均質なナノ粒子の製造が可能となる。
【００４０】
流体ストリーム反応により化学粒子、一般に超微細固体粒子が形成される。生成物粒子は収集器材料に緩く結合された粉末として収集することができる。粉末収集に適した収集器はガス透過膜を含み、膜上に粉末が収集される。その代わりに収集器は接着剤またはその他の材料を含むことができ、その材料中に粒子が埋め込まれる。同様に粒子は液体中に収集することができ、直接溶液または分散溶液が形成される。例えば、粒子ストリームは粒子の収集のために流動液体上を通過させることができる。粒子を溶剤蒸気と結合させ、流れと液体ストリームとを接触させる前に粒子表面上に溶剤を吸収または吸着させ、液体中での収集を容易にすることができる。
【００４１】
生成物粒子の特性は反応パラメータに大きく依存する。このように、異なる多量の別個に収集される粒子の生成間で反応パラメータを変えると、別個に収集される物質的に異なる多量の粒子が生成される。特に、異なる形態を有する粒子を製造することができる。同様に、粒子はアモルファスまたは結晶とすることができる。結晶粒子は一般に結晶格子を反映する形状を有するが、粒子は結晶面から離れた粗い形態を有することができる。平均粒子サイズは数μｍから数ｎｍまでの範囲とすることができる。反応を誘導する収束エネルギーに基づくアプローチはナノ粒子を含む均一性の高い小粒子を製造する傾向がある。
【００４２】
重要な反応パラメータは反応ストリームの化学組成である。特に、かなりの量の反応物を体系的に変化させ、得られる生成物粒子の性質を評価することができる。さらに、反応物ストリーム内のかなりの量の無反応物を同様に変化させ、生成物粒子の特性への影響を評価することができる。同様に、放射フラックス、温度及び反応を誘導する他のエネルギーパラメータもまた体系的に変化させることができる。
【００４３】
一般に、反応条件はさらに反応物入口から排気までのシステムを通る流体の流れの特性により特徴づけられる。反応領域の圧力は反応物注入速度及び粒子収集器を通る流れ速度により決定される。いくつかの実施の形態では、システムは周囲環境に対し開放されている。反応ゾーンを通る流れはその後反応物注入力により影響されることがある。また、収集器は流れから出て適した容器内に沈降する生成物粒子を含んでも良い。
【００４４】
幾つかの実施の形態では流体の流れは注入反応物の力により維持されているが、他の実施の形態ではシステムを通る流れは収集器装置と排気との間にポンプにより制御される。システムは一般に周囲環境からシールされた反応チャンバを含む。これらの実施の形態では、各制御装置は好ましくはガス透過膜を含み、この膜は相分離器として機能し固体粒子を流体の流れから分離する。言い換えると、収集器は好ましくは流体の流れからかなりの量の粒子を濾過する。
【００４５】
別個の収集器内で異なる粒子を収集する他に、複数の異なる生成組成物を単一の収集器内で収集することができる。このように、例えば電気活性粒子と導電性粒子を逐次製造し、単一の収集器内に収集することができ、そのような混合物はさらに粒子を添加しなくても電池電極における試験を容易にすることができる。生成組成物の組合せをよりよく混合するために、単一の収集器内で収集する間に複数の生成組成物の合成を数回交互に行うことができる。
【００４６】
合成プロセスは好ましくは反応物の流れ、収集器、反応条件、レーザビームなどの任意の放射等、を調整するように自動化される。この自動化を使用すると、異なる収集器での生成組成物の別個の収集を制御することができ、および／または単一の収集器内で複数の組成物を収集することができる。このプロセスについては図２において概略が示されている。
【００４７】
反応物を反応ゾーンに運搬するノズル７０は複数の反応物供給源７２に接続される。コンピュータ／プロセッサ７４は反応物の流れのタイミング及び量を制御する。特に、プロセッサ７４を使用して流れのオンオフを行い、異なる生成組成物の製造を分離することができる。同様に、流れがオンであれば、かなりの量の異なる反応物を望み通りに調整することができる。同様に、レーザまたは他の放射源７６を制御してパルス７８を制御することができる。パルスはノズルからの反応物の流れ８０のパルスと一致するようなタイミングとすることができ、流れ時間はシステムにおいて適当に調整される。反応物及び放射パルスはかなり短い持続時間、例えば０．１秒、かなり長い持続時間、例えば数時間、あるいは中間の持続時間とすることができる。反応物パルスは一般に１つの型の組成物の製造プロセスにおいて、他の型の組成物を製造する反応物により望ましくない汚染が起こらないよう十分な時間だけ空けられる。
【００４８】
同様に、収集器８２はノズル７０と放射源７６と調和させることができる。異なる組成物全てを単一の収集器内に配置する場合、収集器を通るポンピング速度を制御する以外収集器を変更しない。複数の収集器を使用して１以上の組成物を各収集器内に収集する場合、プロセッサ７４を使用して収集すべき所望の粒子に基づき収集器を選択するように調整することができる。図２に示されるように、収集システム８２は複数の収集器８４を含む。各収集器８４はフィルタ８６などを含み、ポンプにつながるマニホルド８８に接続される。この実施の形態では、選択された収集器はモーター９０により回転され定位置に配置される。一般に、収集器とノズルの任意の相対移動は反応物のパルス間で実行される。
【００４９】
流体合成装置
図３について説明する。図３は流体ストリーム反応から複数の多量の生成物粒子を製造するためのシステムを示す。システム１００は反応物運搬装置１０２と収集器装置１０４とを含む。好ましい実施の形態では、反応物運搬装置１０２の反応物入口は収集器装置１０４の粒子収集器に対し移動する。システム１００は必要に応じて流体ストリームおよび放射源１１０を封入する反応チャンバ１０８を含む。さらに、システム１００は好ましくはプロセッサ１１２により制御される。
【００５０】
反応物運搬装置１０２は１以上の反応物供給源１２０を含み、キャリヤガス、不活性希釈剤及び照射線吸収剤などの流体反応物ストリーム中に導入するための他の組成物の追加の供給源１２２を含んでもよい。適した供給源は化合物の型に依存する。気体シリンダーなどを使用してガス状化合物を運搬することができる。液体容器を通してキャリヤガスを起泡させることにより揮発性液体を運搬することができる。加熱固体上でキャリヤガスを通過させることにより揮発性固体を運搬することができる。様々な化合物をエーロゾルとして流体反応物ストリーム内まで運搬することができる。この場合、液体がエーロゾル発生器まで運搬される。
【００５１】
反応物運搬装置１０２はさらに１以上の反応物入口１２６を有するノズル１２４を含む。複数の反応物入り口は反応性の高い反応物を反応チャンバ内で結合させるのに特に望ましい。ノズル１２４は１以上のコンジット１２６により供給源１２０、１２２に接続される。ノズル１２４が供給源１２０、１２２に対し移動する場合、コンジット１２６は可撓性であるべきで、そうするとノズル１２４の移動が制限されない。好ましい実施の形態では、反応物ストリームの周囲は不活性遮蔽ガスのブランケットで取り囲まれ、反応物ストリームが広がらないように制限されている。反応物入口は細長くすることができ、均一性の低い反応条件となることがある幅広い反応物ストリームとすることなく追加の反応物スループットを提供することができる。特に、入口の長さはその幅の少なくとも約２倍とすることができる。
【００５２】
反応物運搬装置は別個の反応物ストリームを同時に発生させるために追加のノズルを含むことができる。個々のノズルに関連する反応を干渉しないように、これらのストリームは一般に物理的に分離されると共に遮蔽ガスの流れにより分離されている。異なるノズルに関連する反応間の干渉を避けるために、物理的分離は重要である。ノズルに関連する反応は分離されているので、複数のノズルの使用は、状況によっては空間と放射の能率的な使用が可能であることを除き、対応する数の別個の反応器の使用に相当する。かなりの数の明確に分離されたノズルを使用することは非実用的であるので、複数のノズルを使用するだけでは一般に、１以上のノズルを有する複数の収集器を使用する場合に比べ、コンビナトリアル合成のための能率的な方法には至らない。
【００５３】
上述のように好ましい実施形態では、ノズル１２４が収集器に対して相対的に移動する。図４の１つの好ましい実施の形態では、インクジェットノズルなどの可動ノズル１３０がトラック１３２上に裁置される。ノズル１３０はワイヤ１３６でノズル１３０に接続された電動ローラー１３４により移動される。ノズル１３０を特別な粒子収集器と整合された位置にノズル１３０を配置するためにステッパモータなどを使用することができる。
【００５４】
ノズル１２４を使用してガス及びエーロゾル組成物を反応物ストリーム内まで運搬することができる。エーロゾルは小さな液体及び固体の小滴を一般にキャリヤガスと共に含むが、必ずしも必要ではない。言い換えると、この中で使用されているようにエーロゾルは小滴を有する液体ミストを含む。適したエーロゾル発生器は、例えば超音波ノズルを用いて、静電噴霧システムを用いて、圧流または単純な噴霧器を用いて、起沸性噴霧器を用いて、ガス噴霧器を用いて構成することができ、この場合液体はかなりの圧力下、小さなオリフィスを通過するように強制され、ガスストリームと衝突することにより破裂して粒子となる。適した超音波ノズルは圧電変換器を含むことができる。均一なエーロゾルを製造するために適した噴霧器としてはスプレーイングシステムズ（Ｓｐｒａｙｉｎｇ  Ｓｙｓｔｅｍｓ）（イリノイ州ホイートン）から入手可能なツインオリフィス内部混合型噴霧器が挙げられる。適したエーロゾル発生器は、共に係属中の共に譲渡された「反応物運搬装置」と題するガードナー（Ｇａｒｄｎｅｒ）らの米国特許出願番号第０９／１８８，６７０号においてさらに説明されている。この出願については参照により明細書に組み込むものとする。
【００５５】
同様に、インクジェット型ノズルまたは燃料噴射器型ノズルを用いると液体の小滴または微細ミストを製造することができる。例えば、インクジェットノズルは液体の加熱により動作し起泡が生成し、起泡がノズルから前進する。その代わりに圧電変換器を使用してノズルから小滴を前進させることができる。燃料噴射器型ノズルでは、液体が先端の後で加圧される。先端は電子制御により開放され、液体の微細ミストが放出される。
【００５６】
エーロゾルは反応ゾーンに至る反応物流体の流れ内で、あるいはノズル１２４を介して運搬するための反応物運搬システム１０２内で直接生成することができる。一般に、入口を介してキャリヤガスと共にその後に運搬するために、反応物運搬システム１０２内でエーロゾルを発生させると、より均一なエーロゾルが製造される。これは所定の製品粒子では重要であることもあるし、そうでないこともある。
【００５７】
エーロゾルを使用すると、ガス運搬のみの場合と比べ、レーザ熱分解においてより広い範囲の金属／メタロイド及び他の前駆体を使用することができる。このように、エーロゾル運搬を用いるとより安価な前駆体が有効となる。エーロゾル運搬装置を使用すると、固体前駆体化合物はその化合物を溶剤に溶解させることにより運搬することができる。その代わりに、粉末前駆体化合物は液体／溶剤中に分散させてエーロゾル運搬することができる。液体前駆体化合物は純粋の液体、複数の液体分散物または液体溶液からエーロゾルとして運搬することができる。エーロゾル反応物を使用するとかなりの反応物スループットを得ることができる。適した溶剤としては、水、メタノール、エタノール、イソプロピルアルコール、他の有機溶剤及びそれらの混合物が挙げられる。
【００５８】
図５及び６に示されるように、入口ノズル１５０は下部面１５２で反応チャンバ１０８と接続する。入口ノズル１５０はプレート１５４を含みこれが下部面１５２内にボルト止めされ、入口ノズル１５０が固定される。入口ノズル１５０は内側ノズル１５６と外側ノズル１５８とを含む。内側ノズル１５６は好ましくはノズルの頂点にツインオリフィス内部混合型噴霧器１６０を有する。適したガス噴霧器はイリノイ州ホイートン所在のスプレーイングシステムズから入手できる。ツインオリフィス内部混合型噴霧器１６０はエーロゾルとガス状前駆体の薄いシートを作成するようにファン形状である。液体が管１６２を介して噴霧器に送られ、反応チャンバ内に導入されるガスは管１６４を介して噴霧器に送られる。ガスと液体との相互作用により液滴の形成が補助される。
【００５９】
外側ノズル１５８はチャンバ部分１６６と、漏斗部分１６８と、運搬部分１７０とを含む。チャンバ部分１６６は内側ノズル１５６の噴霧器を保持する。漏斗部分１６８はエーロゾル及びガス前駆体を運搬部分１７０へ誘導する。運搬部分１７０は、図５の挿入図に示されるように、長方形出口１７２に至る。外側ノズル１５８は外側ノズル内に収集された全ての液体を除去するためのドレイン１７４を含む。外側ノズル１５８は出口１７２を取り囲む遮蔽ガス開口１７８を形成する外壁１７６により被覆されている。不活性ガスは入口１８０を介して導入される。
【００６０】
図３では、収集装置は複数の粒子収集器１４０を含む。一般に各収集器を使用して、１つの特別の組の反応パラメータで製造された多量の粒子を収集する。このように複数の収集器１４０が使用され、特別な１度の運転で所望の数のサンプルが収集される。他の収集器での粒子収集プロセスを妨害せずに収集器を交換することができると、その収集器は再度満たされ、収集プロセスは無限に繰り返すことができる。
【００６１】
１つの実施の形態では、流体ストリームはフィルタを介して大気圧まで排気される。粒子収集器１４０は粒子が流体の流れから落ちるとその中に集められる容器を備える。これらの実施の形態では、流体反応物ストリームを水平に誘導することが望ましい。システムを通る流体の流れは注入反応物ストリームの力により維持される。この実施の形態で適した収集器２００を図７に示す。収集器２００は沈降した粒子を収集するように配置された小さなカップなどとすることができる。各収集器への流れは仕切り２０２により分離される。フィルタ２０４で覆われた開口により排気がおこなれる。生成物粒子は収集器２００内に沈降し、この収集器は粒子の評価のために所望であれば収集器装置から切り離すことができる。
【００６２】
図３の好ましい実施の形態では、反応システム１００は周囲環境からシールされた反応チャンバ１０８を含む。一般に、ポンプ１４４を使用してチャンバ１４２を通る流れが維持される。適したポンプには、例えばヴァージニア州ヴァージニアビーチ所在のブッシュ社（Ｂｕｓｃｈ、Ｉｎｃ．）製のポンピング容量が約２５立方フィート／分（ｃｆｍ）のブッシュモデルＢ００２４ポンプ、およびポンピング容量が約１９５ｃｆｍのペンシルヴァニア州エクスポート所在のレイボールドバキュアムプロダクツ（Ｌｅｙｂｏｌｄ  Ｖａｃｕｕｍ  Ｐｒｏｄｕｃｔｓ）製のレイボールドモデルＳＶ３００が含まれる。スクラバーまたは他の排気低減装置１４６をポンプ１４４からの排気に接続することができる。中程度の製造速度では、液体窒素トラップを使用して排気低減を行うことができる。ポンプを使用してチャンバ内の圧力を維持する場合、ポンピング力を特別な収集器１４０に誘導することにより特別な収集器１４０への流れが維持される。
【００６３】
図８に示したポンプを用いる特別な実施の形態では、複数の収集器２２０は反応チャンバ１０８からの単一の出口２２に接続される。バルブ２２４を使用すると各収集器２２０内への流れが制御できる。収集器２２０はさらにポンプマニホルド２２６に接続され、マニホルドはポンプ１４４につながる。バルブ２２８を使用すると収集器２２０とポンプマニホルド２２６との接続が制御できる。手動または自動バルブを使用することができる。コンビナトリアル合成プロセスの自動化には自動バルブが好ましい。フィルタ２３０は一般にバルブ２２８につながる収集器２００の端に配置される。平らな、円筒形の及び他の形状のフィルタを使用すると望ましい量の粒子を収集し、収集した材料を分析することが容易にできる。フィルタは例えばガラスファイバ、ノメックス（Ｎｏｍｅｘ、登録商標）材料または織金属から形成することができる。図８には３つの収集器２２０が示されているが、この実施の形態はより多くの収集器２２０、例えば少なくとも約１０の収集器を使用するように構成することができる。
【００６４】
１以上の収集器を廃棄収集器として使用することができる。流れを廃棄収集器に誘導し、反応システム内の状態を安定化させる。一般に状態は直ちに安定し廃棄収集器は必要ではないが、より均一な粒子を確実に収集するための廃棄収集器は必要に応じて使用することができる。
【００６５】
好ましい実施の形態では、さらに流体反応物の流れを特別な収集器に誘導するように収集器に対しノズルを移動させることにより、流れは特別な収集器に誘導されるように補助される。図４では、複数の収集器２３６がノズル１３０の上方に裁置され、ノズルはトラック１３２に沿って移動する。各収集器２３６はポンプマニホルド２４０につながるバルブ２３８に接続される。ポンプマニホルド２４０はポンプ２４２につながる。この実施の形態では、収集器２３６はフィルタを有する管状要素を含むことができる。管状要素は流体流れを反応ゾーンからフィルタに向かって誘導する。フィルタは流体流れから粒子をポンプマニホルド２４０中に分離する。この実施の形態は２以上の収集器を有するように構成されるが、少なくとも約１０の収集器、少なくとも約２０の収集器、あるいは少なくとも約５０以上の収集器を有するように構成することができる。図４の装置をレーザ熱分解または他の集束照射線合成に使用する場合、放射源２４６からの集束エネルギービーム２４４はトラック１３２と平行に誘導することができ、ビーム２４４はノズル１３０の様々な位置で流体反応物ストリームと交差する。
【００６６】
この実施の形態では、ノズル１３０は特別な収集器２３６と整合され、特別な組の反応条件下で製造された多量の粒子が収集される。反応物流れ及び放射は特別な粒子を合成するための時間だけ実行される。その時間の終わりに、反応物流れ及び照射線場は止められ、ノズル１３０はトラック１３２に沿って次の収集器と整合する位置まで移動され、一般に異なる反応パラメータの下で製造された別の多量の粒子が収集される。その後、その収集器と関連する特別な反応パラメータで反応が再開される。プロセスは所望の数の収集器が使用されるまで続けられる。
【００６７】
二次元移動するノズルを使用し、二次元アレイの収集器とアクセスすることができる。匹敵する２次元トラップを使用してノズルを移動させることができる。レーザビームまたは他の集束エネルギービームを使用する場合、レーザビームに沿って移動することができるスタンド上に裁置した鏡を使用すると、偏向していないレーザ経路から離れるようにノズルが移動する時にレーザビームをノズル上方に誘導することができる。
【００６８】
その代わりに、あるいは可動ノズルの使用に加えて、収集器２３６をノズル１３０に対して移動するように裁置することができる。例えば、収集器２３６は、固定されたノズルに対し収集器２３６を移動させるトラック１３２と類似するトラック上に裁置することができる。１つの特別な実施の形態では、収集器の２次元アレイがトラック１３２上のノズル１３０上方に裁置される。トラック１３２上のノズル１３０が移動すると１つの列の収集器２３６が使用される。その後、収集器アレイはトラック１３２に沿ったノズル１３０の移動と垂直に移動され、収集器の別の列がノズル１３０と整合される。このように、収集器２３６のアレイは、１度に１列使用される。その代わりに、ノズルを二次元で移動させ、二次元収集器アレイの収集器すべてにアクセスすることができる。収集器アレイは例えば、２０×２０、総数４００の収集器を含むことができる。より多数またはより少数の収集器を望み通り使用することができる。
【００６９】
固定ノズルと可動収集器を備えた他の実施の形態を図９に示す。固定ノズル２５０は反応チャンバ２５２内に裁置され出口２５４に向かって誘導される流体反応物ストリームが生成される。出口２５４は収集器装置２５６につながる。収集器装置２５６はポンプ２６０に至るチャネル２５８を有する。フィルタシート２６２がチャネル２５８を通って延在するように裁置される。可撓性シール２６４によりフィルタシート２６２とチャネル２５８との間のシールを形成する。可撓性シール２６４は天然または合成ゴムまたは金属から形成することができ、例えば水により冷却することができる。
【００７０】
可撓性シール２６４はアクチュエータ２６８とインタフェースされた１以上の位置決めアーム２６６に接続される。電動アクチュエータはフィルタシート２６２の選択した一部をチャネル２５８内に移動させるようにアーム２６６の位置決めを行う。図１０について説明する。フィルタシート２６２が１組の粒子収集器２７０に分割され、各収集器はフィルタシートの面に沿って分離して配置される。粒子収集器２７０は逐次チャネル２５８内に配置される。所望の量の粒子が特別な粒子収集器２７０により収集されると、アクチュエータアームがフィルタシート２６２を移動させ、別の粒子収集器２７０をチャネル２５８内に配置する。
【００７１】
合成装置が近大気圧以外の圧力で動作する場合、収集器は粒子合成が終了した後に取り除くことができ、チャンバは大気圧とされる。例えば、レーザ熱分解は一般に約８０ｔｏｒｒから約６５０ｔｏｒｒの圧力で実行される。組成物合成が続く間収集器を獲得することが望ましい場合、エアロック構造を使用することができる。
【００７２】
図１１について説明する。反応チャンバ２７２は収集システム２７６に向けて一般に配向される反応物運搬ノズル２７４を含む。収集システム２７６は収集器２７８と、ポンプ２８０と、２つのロッキングチャンバ２８２，２８４とを含む。収集器２７８はフィルタ要素、カップ形状収集器または任意の他の適当な収集器要素とすることができる。装置はロッキングチャンバ２８２，２８４内に、またはそこから移動させることができる複数の収集器を含むように一般化することができる。この中で説明した様々な収集器アレイをこの目的のために適合させることができる。
【００７３】
ロッキングチャンバ２８２、２８４はそれぞれチャネル２９０内に開くシーリングドア２８６、２８８を含む。ロッキングチャンバ２８２，２８４はさらにチャネル２９０とロッキングチャンバ２８２，２８４間で収集器／収集器アレイ２７８を移動させるためのロボットアーム２９２とアクチュエータ２９４とを含む。ロボットアームはベルト、トラクタ機構などと置換することができる。図１１では、アーム２９２は想像線で示されており、適当なシーリングドア２８６，２８８が開きチャネル２９０とアクセスできる時の位置が示されている。ロッキングチャンバ２８２，２８４はさらに圧力システム２９６を含み、ロッキングチャンバ内の圧力が反応チャンバ圧と大気圧との間で変化する。さらに、ロッキングチャンバ２８２，２８４は収集器を配置し取り除くためのシーリングアクセスドア２９８を含む。
【００７４】
図１１のシステムを使用して、収集器または収集器アレイを、アクセスドア２９８を介してロッキングチャンバの１つに導入することができる。その後、ロッキングチャンバを反応チャンバ圧にすることができる。いったんこの圧力に到達すると、対応するシーリングドアが開き、収集器がチャネル２９０内で移動される。生成物サンプルが収集された後、すでに反応チャンバ圧のロッキングチャンバの１つへのシーリングドアが開き、収集器がロッキングチャンバ内に取り出される。いったん取り出されると、シーリングドアは閉じられ別の収集器がチャネル２９０内に配置される。収集器と生成物サンプルを有するロッキングチャンバはチャンバからシールされ大気圧とされる。大気圧では、アクセスドアを開けることができ、収集器が取り出される。所望のサンプルの全てが収集されるまでプロセスを繰り返すことができる。
【００７５】
液体分散物中の固体粒子を直接収集するための収集システムを図１２に示す。収集システム３００は反応システム３０４から生成物粒子を受理する。液体ミストは液体供給源３０８に接続された噴霧ノズル３０６により生成物粒子上に噴霧される。液体ストリームは収集チャネル３１２の底に沿って伸びるトラフ３１０を通る。液体は液体供給源３１４からトラフ３１０に供給される。トラフ３１０からの液体は収集粒子と共にリザーバ３１６まで流れそこで液体が収集される。リザーバ３１６から液体はボトル３１８内に排出され、除去、貯蔵及び評価される。複数のボトル３１８を使用して複数のサンプルを収集することができる。チャネル３１２はポンプ３２０に接続される。フィルタ３２２を使用してチャネル３１２から残りの全ての粒子を除去することができる。ボトル３１８は１組のバルブ３２４に接続され、バルブを使用して選択的にボトル３１６を接続して液体を受理したり、ポンプ３２０に接続してボトル３１８から空気を除去したり、大気に接続することができ、ボトル３１６は除去され交換される前に大気圧とすることができる。遠心分離または他の妥当なアプローチを使用して収集流体から生成物粒子を除去することができる。
【００７６】
反応チャンバ１０８は任意の耐久性のある不活性材料から構成することができる。ほとんどの反応物に対し、ステンレス鋼が耐久性及び腐食耐性のため特に好都合な材料である。放射源１１０がチャンバ１０８の外側に裁置される場合、ウインドウまたはレンズ３００は気密シールされてチャンバ上に裁置され、照射線は入射することができる。
【００７７】
赤外光では、セレン化亜鉛レンズまたはウインドウが適している。適当なＺｎＳｅレンズはカルフォルニア州サンディエゴ所在のレーザパワーオプティクス（Ｌａｓｅｒ  Ｐｏｗｅｒ  Ｏｐｔｉｃｓ）から入手可能である。ウインドウ／レンズ３００の表面上での汚染を減少させるために、ウインドウ／レンズ３００を管３０２に沿って主チャンバ空洞からずらすことができる。レーザ熱分解では、放射源１１０は赤外線レーザ、とりわけＣＷ  ＣＯ２レーザ、例えばニュージャージー州ランディング所在のＰＲＣ社から入手可能な１８００ワット最大出力レーザとすることができる。
【００７８】
上述したように、システム１００は好ましくはプロセッサ１１２により制御される。プロセッサ１１２は任意の妥当なコンピュータ、例えばウインドウズ（ＷＩＮＤＯＷＳ、登録商標）系コンピュータ、マッキントッシュ（Ｍａｃｈｉｎｔｏｓｈ、登録商標）コンピュータまたはＵＮＩＸ（登録商標）コンピュータとすることができる。適当な市販のソフトウエアを適合させてシステムを動作させることができる。プロセッサ１１２を使用して、例えば収集器及びノズルを互いに対し位置決めするステッパモータ、サンプル温度、放射出力、ポンプ速度、バルブ位置、反応物の流れを制御することができる。
【００７９】
その他の処理
多量の粒子を収集した後、粒子を粒子収集器と関連させたままさらに処理することができる。いくつかの実施の形態では、この追加の処理は、粒子収集器を粒子合成装置内の定位置に裁置したまま実行することができる。適した追加の処理としては、例えば加熱処理、化学的な混合及びそれらの組合せが挙げられる。任意の追加処理は１つまたは全てのサンプルのサブセットに対し実行することができ、そのため幾つかのサンプルは未処理のままとすることができる。
【００８０】
１．加熱処理
粒子の特性は加熱処理により改良することができる。加熱処理に適した開始材料としてはナノ粒子、例えばレーザ熱分解により生成されたナノ粒子が挙げられる。ナノ粒子の加熱処理により結晶性が改善され、元素炭素などの汚染物質が除去され、追加の酸素または他のガス状または非ガス状化合物からの元素が混入されることにより化学量論が変更されることもある。
【００８１】
処理条件は穏やかで、有意の量の粒子焼結は起こらない。粒子焼結は避けるべきである場合、加熱温度は開始材料及び生成材料の両方の融点よりも低い。その代わりに、焼結生成物の特性を評価すべき場合は、粒子を焼結させる、あるいは部分的に焼結させることができる。例えば、幾つかの制御された粒子焼結は中位の温度で実行することができ、わずかに大きな平均粒子直径が得られる。
【００８２】
加熱は粒子合成装置内の自然環境を変えずに収集器内で起こすことができる。他の実施の形態では、収集器は以下で説明するように装置内の自然雰囲気からシールされ、加熱プロセスでは制御雰囲気が提供される。粒子上の制御雰囲気は静的で、ガスは分離された収集器を通って流れることができる。加熱プロセス用の雰囲気は酸化雰囲気または不活性雰囲気とすることができる。特に、本質的には同じ化学量論で、アモルファス粒子を結晶粒子に、あるいは１つの結晶構造から異なる結晶構造に変換するためには、雰囲気は一般に不活性とすることができる。
【００８３】
適当な酸化ガスとしては、例えばＯ２、Ｏ３、ＣＯ、ＣＯ２及びこれらの組合せが挙げられる。Ｏ２は空気として供給することができる。同様に適当な還元ガスとしてはＨ２及び炭化水素類が挙げられる。酸化ガスまたは還元ガスは必要に応じてＡｒ、Ｈｅ及びＮ２などの不活性ガスと混合することができる。不活性ガスを酸化ガスまたは還元ガスと混合すると、ガス混合物は約１％から約９９％の酸化／還元ガス、好ましくは約５％から約９９％の酸化／還元ガスを含むことができる。その代わりに、望み通りに、本質的に純粋な酸化／還元ガスまたは純粋な不活性ガスを使用することができる。
【００８４】
製造されるナノ粒子の型を変更するために、正確な条件を変えることができる。例えば、温度、加熱時間、加熱及び冷却速度、ガス及びそのガスに対する暴露条件はすべて所望の生成物粒子を製造するように選択することができる。一般に、酸化雰囲気下で加熱する場合、加熱期間が長ければ長いほど、平衡に到達する前に材料中に組み入れられる酸素の量が多くなる。いったん、平衡状態に到達すると、全体条件により粉末の結晶相が決定される。
【００８５】
図４では、加熱マントル２９０が収集器２５０に取り付けられ収集器が加熱される。加熱マントル２９０は選択的に特別な粒子収集器２５０を加熱するように、あるいは同時に全ての粒子収集器２５０を加熱するように設計することができる。加熱マントル２９０は電気抵抗加熱により、加熱流体、例えば水の流れにより、あるいは任意の他の適した加熱アプローチにより動作させることができる。
【００８６】
図１３について説明する。特別な収集器３５０は制御雰囲気下で加熱されるように適合される。収集器３５０はバルブ３５６を介してポンプマニホルド３５４につながる管状構造３５２を含む。粒子収集器３５０はさらに、図１３において想像線で示されているように閉じることができる回転ハッチ３５８を含む。ハッチ３５８及びバルブ３５６が両方とも閉じられると、管３５２内のフィルタ３６０が粒子合成装置の他の部品から隔離される。フィルタ３６０を使用して収集器３５０内の生成物粒子を収集する。
【００８７】
反応合成装置から隔離されたフィルタ３６０を用いると、ガスをガス供給源３６８に接続された供給管３６６から管３５２内に流すことにより制御雰囲気が提供される。その後、ガスはバルブ３７２を開け排気管３７０を通して排気される。加熱マントル３７４はフィルタ３６０付近で管３５２の周りに配置することができ所望の加熱を提供できる。供給管３６６内で生成物粒子が収集されるのを防ぐために、供給管３６６を通る小さな流速を使用することができ、生成物粒子はフィルタ３６０上に収集される。
【００８８】
加熱処理を制御するために供給管３６６を通る様々な流速を使用することができ、流速の適した値は一般に収集器のサイズに依存する。１インチの収集器管３５２では、流速は好ましくは約１標準立方センチメートル／分（ｓｃｃｍ）から約１０００ｓｃｃｍであり、より好ましくは約１０ｓｃｃｍから約５００ｓｃｃｍである。流速は一般に処理工程を通して一定であるが、流速及びガスの組成は、所望であれば、処理中に時間と共に体系的に変化させることができる。その代わりに、静的ガス雰囲気を使用することができる。
【００８９】
その代わりに、収集器を１ユニットとしてあるいは個別に合成装置から除去し加熱処理工程を実行することができる。複数の収集器を有するユニットを同時にあるいは同じ条件下または異なる条件下で並行して処理することができる。所望であれば、粒子は加熱処理のために収集器から取り出すことができる。粒子の収集器からの除去についてはさらに以下で説明する。
【００９０】
有意の量の焼結無しに、この中で説明した材料の多くのナノ粒子の処理では、温度は一般に約５０℃から約６００℃であり、ほとんどの場合約６０℃から約４００℃である。一般に焼結のためにはより高い温度が使用される。加熱は一般に約５分以上続けられる。好ましい加熱温度及び時間は特別な開始材料及び標的材料に依存する。望ましい材料を得るために適当な状況を形成するには、幾つかの経験的な調整が必要であるかもしれない。
【００９１】
結晶ＶＯ２を斜方晶系Ｖ２Ｏ５及び２−Ｄ結晶Ｖ２Ｏ５に、及びアモルファスＶ２Ｏ５を斜方晶系Ｖ２Ｏ５及び２−Ｄ結晶Ｖ２Ｏ５に変換するための条件については「酸化バナジウム粒子の加熱処理」と題するビ（Ｂｉ）らに付与された米国特許第５，９８９，５１４号において説明されている。この特許については参照により明細書に組み込むものとする。
【００９２】
２．化学的混合
加熱処理の他に、追加の処理には収集した粒子への他の化学組成物の添加が含まれる。適した化学薬品を使用すると粒子を、さらに評価したり粒子を反応させて異なる化学組成物を形成させたりするのに適した形態に変換することができる。例えば、収集粒子に添加するのに適した化学薬品としては例えば、溶剤、分散剤、バインダ及び他の粉末が挙げられる。適したバインダとしては例えば、ビニルポリマー類などのポリマー類溶液が挙げられる。他の粉末としては例えば導電性粒子及び適当な条件下で合成粒子と反応する組成の粒子が挙げられる。
【００９３】
図１４について説明する。１つのノズル３８０はアレイ３９０の選択した収集器３８８への反応物入口３８２と追加の化合物を運搬するための追加の入口３８４、３８６とを含む。反応物運搬入口３８２は適当であれば放射経路３９２と整合される。追加の入口を備えた幾つかの実施の形態では、１つの追加の入口のみが使用され、あるいは２以上の追加の入口が使用される。さらに、追加の入口３８４，３８６は反応物運搬入口３８２から離れたノズル上に裁置することができる。
【００９４】
化学組成物の合成粉末への添加は加熱工程と結合させることができ、新規材料の製造が容易になる。追加の材料は溶液及び／または粉末として適用することができる。例えば、銀化合物を粉末としてまたは溶液として、バナジウム酸化物粒子などの金属酸化物粒子に添加することができる。上述したように、その後に加熱すると結晶銀金属酸化物粒子、例えば酸化銀バナジウム粒子を製造することができる。加熱工程中に、全ての溶剤は一般に蒸発する。加熱処理工程において銀塩からバナジウム酸化物ナノ粒子に銀を組み入れることについては、共に係属中の共に譲渡された「金属バナジウム酸化物粒子」と題する米国特許出願番号０９／３１１，５０６号において説明されている。この特許出願については参照により明細書に組み込むものとする。
【００９５】
追加の処理工程は、追加の粒子合成と同時に、あるいは全ての粒子合成が完了した後に実行することができる。同時製造では、例えば、１００のサンプルが１サンプル／分の速度で製造される場合、第１のサンプルの追加の処理が第２のサンプルが製造される時に開始されると、第１のサンプルは最終サンプルが製造されるまでに９９分の追加の処理を受けることとなる。その代わりに、加熱処理などの全ての追加の処理は粒子サンプル全てに対し同時に実行することができる。
【００９６】
他の実施の形態では、組成物を収集器から取り除いてさらに処理する。収集器が直線または二次元アレイである場合、収集器はさらに処理するのに適した他の容器の管の対応するアレイ上方で逆にすることができる。その後、収集器を物理的に振り動かし、または振動させ組成物を管内に放出させることができる。同様に、液体を追加して生成組成物、粉末または液体のいずれかを放出させることができ、得られた液体混合物は各収集生成組成物に対するものでありこれを管または他の適した容易器に注ぐことができる。別の管に液体と共にまたは液体無しで移された生成組成物については、管は従来のサンプルハンドラーを含む自動サンプルハンドラーを用いて取り扱うことができる。追加の処理及び評価は体系的な、好ましくは自動化されたサンプルの並行処理で実行することができる。
【００９７】
この中で説明した方法により様々な化学粒子、一般に固体粒子を製造することができる。固体粒子は一般に粉末として収集される。特別に関心を引く化学粉末としては例えば、炭素粒子、珪素粒子、金属粒子、及び金属／メタロイド化合物、例えば金属／メタロイド酸化物、金属／メタロイド炭化物、金属／メタロイド窒化物、金属／メタロイド硫化物が挙げられる。一般に、粉末は粒子サイズがμｍあるいはそれより小さい範囲の微細または超微細な粒子を含む。
【００９８】
いくつかの適用では、非常に均一な粒子を有することが望ましい。集束放射を使用するプロセスは、非常に均一な粒子、とりわけナノスケールの粒子を形成するのに特に適している。特に、レーザ熱分解では、主粒子の平均直径が約７５０ｎｍ未満、好ましくは約３ｎｍから約１００ｎｍ、より好ましくは約３ｎｍから約７５ｎｍ、さらに好ましくは約３ｎｍから約５０ｎｍである対象の粒子集合体を製造することができる。粒子直径は透過電子顕微鏡により評価される。非対称な粒子の直径測定は粒子の主軸に添う長さ測定値の平均に基づく。
【００９９】
サイズが小さいため、主粒子は近くの粒子間のファンデルワールスまたは他の電磁力により緩い凝集体を形成する傾向がある。これらの凝集体はかなりの程度まで分散させることができる。これについてはさらに以下で説明する。二次的なまたは凝集粒子サイズは最初の形成後の粒子のその後の処理、及び粒子の組成及び構造に依存する。
【０１００】
たとえ粒子が緩い凝集体を形成しても、ナノメートルスケールの主粒子は粒子の透過電子顕微鏡写真において明確に観察することができる。粒子の表面積は一般に顕微鏡写真で観察されたナノメートルスケールの粒子に対応する。さらに、粒子はサイズが小さく材料の質量あたりの表面積が大きいため、独特の特性を示すことができる。例えば、バナジウム酸化物ナノ粒子は、「電極活ナノ粒子を有する電池」と題するビらに付与された米国特許第５，９５２，１２５号で説明されているように、リチウム電池において驚くほど高いエネルギー密度を示すことができる。この特許については参照により明細書に組み込むものとする。
【０１０１】
主粒子は好ましくは程度の高いサイズ均一性を有することができる。上述したように、レーザ熱分解では一般に非常に狭い範囲の粒子直径を有する粒子が得られる。さらに、適した穏やかな条件下で加熱処理を行っても非常に狭い範囲の粒子直径は変わらない。レーザ熱分解のために反応物のエーロゾル運搬を用いると、粒子直径の分布は特に反応条件に敏感になる。それにもかかわらず、反応条件を正確に制御すると、エールゾル運搬システムを用いて粒子直径の非常に狭い分布が得られる。しかしながら、所望であれば、流速、反応物密度、レーザ熱分解中の滞在時間を制御することにより、あるいは他の流体流れ反応システムを使用することにより、主粒子サイズの広い分布もまた得ることができる。
【０１０２】
透過電子顕微鏡写真の検査により決定される均一性の高い粉末では、主粒子は一般に少なくともその９５％、好ましくは９９％が平均直径の約４０％より大きく約１６０％より小さい直径を有するようなサイズ分布を有する。同様に、より均一性の高い粉末では、主粒子は少なくともその９５％、好ましくは９９％が平均直径の約６０％より大きく約１４０％より小さい直径を有するようなサイズ分布を有する。
【０１０３】
さらに、均一性の高い粒子を有する実施の形態では、事実上、平均直径の約４倍、好ましくは３倍、より好ましくは２倍よりも大きな平均直径を有する主粒子は存在しない。言い換えると、粒子サイズ分布は事実上、かなり大きなサイズの小数の粒子の存在を示す尾部を有しない。これは反応領域が小さく、対応する粒子の急冷が迅速であるためである。サイズ分布の尾部が事実上遮断されることは、平均直径より大きな特定の遮断値より大きな直径を有する粒子は１０６中約１粒子よりも少ないことを示す。狭いサイズ分布、分布における尾部の欠如、及び大体球状の形態は様々な適用において利用することができる。
【０１０４】
さらに、粒子は非常に高い純度レベルを有することができる。上記方法により製造したナノ粒子は反応物よりも高い純度を有すると予測される。反応および、該当する場合、結晶形成プロセスは粒子から汚染物質を排除する傾向があるからである。さらに、レーザ熱分解により製造された結晶ナノ粒子は程度の高い結晶性を有する。同様に、熱処理により製造された結晶ナノ粒子は程度の高い結晶性を有する。粒子表面上の不純物は粒子を加熱することにより除去することができ、高い結晶純度だけでなく全体的に高い純度を達成することができる。
【０１０５】
追加の加熱処理の有無に関係なくレーザ熱分解によりいくつかの異なる型のナノスケール粒子が製造されている。これらの粒子は一般に上述のように非常に狭い粒子サイズ分布を有する。
【０１０６】
特に、ナノスケールマンガン酸化物粒子が形成されている。これらの粒子の製造は共に係属中の共に譲渡された「金属酸化物粒子」と題するクマール（Ｋｕｍａｒ）らの米国特許出願番号第０９／１８８，７７０号において説明されている。この出願については参照により明細書に組み込むものとする。この出願ではＭｎＯ、Ｍｎ２Ｏ３、Ｍｎ３Ｏ４及びＭｎ５Ｏ８の製造が説明されている。
【０１０７】
珪素酸化物ナノ粒子の製造は共に係属中の共に譲渡された「珪素酸化物粒子」と題するクマール（Ｋｕｍａｒ）らの米国特許出願番号第０９／０８５，５１４号において説明されている。この出願については参照により明細書に組み込むものとする。この特許出願ではアモルファスＳｉＯ２の製造が説明されている。酸化チタンナノ粒子及び結晶二酸化珪素の製造は共に係属中の共に譲渡された「金属（珪素）酸化物／炭素複合物」と題するビ（Ｂｉ）らの米国特許出願番号第０９／１２３，２５５号において説明されている。この出願については参照により明細書に組み込むものとする。特に、この出願ではアナターゼ及びルチルＴｉＯ２の製造が説明されている。アルミニウム酸化物ナノ粒子の製造は共に係属中の共に譲渡された「アルミニウム酸化物粒子」と題するクマール（Ｋｕｍａｒ）らの米国特許出願番号第０９／１３６，４８３号において説明されている。この出願については参照により明細書に組み込むものとする。特に、この出願はγ−Ａｌ２Ｏ３の製造を開示する。
【０１０８】
さらに、すず酸化物ナノ粒子が、共に係属中の共に譲渡された「すず酸化物粒子」と題するクマール（Ｋｕｍａｒ）らの米国特許出願番号第０９／０４２，２２７号において説明されているように、レーザ熱分解により製造されている。この出願については参照により明細書に組み込むものとする。亜鉛酸化物ナノ粒子の製造が、共に係属中の共に譲渡された「亜鉛酸化物粒子」と題するレイツ（Ｒｅｉｔｚ）らの米国特許出願番号第０９／２６６，２０２号において説明されている。この出願については参照により明細書に組み込むものとする。特に、ＺｎＯナノ粒子の製造が説明されている。
【０１０９】
鉄、鉄酸化物及び鉄炭化物の製造は、「ＣＯ２レーザ熱分解により製造されたナノ結晶α−Ｆｅ、Ｆｅ３Ｃ及びＦｅ７Ｃ３」（Ｊ．Ｍａｔｅｒ．Ｒｅｓ．Ｖｏｌ．８、Ｎｏ．７  １６６６−１６７４（１９９３年７月））と題するビ（Ｂｉ）らの発表において説明されている。この発表については参照により明細書に組み込むものとする。銀金属のナノ粒子の製造は共に係属中の共に譲渡された「金属バナジウム酸化物粒子」と題するレイツ（Ｒｅｉｔｚ）らの米国特許出願番号第０９／３１１，５０６号において説明されている。この出願については参照により明細書に組み込むものとする。レーザ熱分解により製造されるナノスケールの炭素粒子は「ＣＯ２レーザ熱分解により製造されたナノスケールカーボンブラック」と題するビらの参考文献（Ｊ．Ｍａｔｅｒ．Ｒｅｓ．Ｖｏｌ．１０、Ｎｏ．１１、２８７５−２８８４（１９９５年１１月））において説明されている。この文献については参照により明細書に組み込むものとする。
【０１１０】
レーザ熱分解による鉄硫化物（Ｆｅ１−ｘＳ）ナノ粒子の製造はビらの、Ｍａｔｅｒｉａｌ  Ｒｅｓｅａｒｃｈ  Ｓｏｃｉｅｔｙ  Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ  Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ、Ｖｏｌ２８６、ｐ．１６１−１６６（１９９３）において説明されている。これについては参照により明細書に組み込むものとする。鉄硫化物のレーザ熱分解製造用の前駆体は鉄ペンタカルボニル（Ｆｅ（ＣＯ）５）及び硫化水素（Ｈ２Ｓ）であった。
【０１１１】
上記レーザ熱分解装置を用いてセリウム酸化物を製造することができる。エーロゾル運搬に適した前駆体としては、例えば硝酸セリウム（ＩＩＩ）（Ｃｅ（ＮＯ３）３）、塩化セリウム（ＩＩＩ）（ＣｅＣｌ３）及びシュウ酸セリウム（ＩＩＩ）（Ｃｅ（Ｃ２Ｏ４）３）が挙げられる。同様に、上記レーザ熱分解装置を用いてジルコニウム酸化物を製造することができる。エーロゾル運搬に適したジルコニウム前駆体としては例えば塩化ジルコニル（ＺｒＯＣｌ２）及び硝酸ジルコニル（ＺｒＯ（ＮＯ３）２）が挙げられる。
【０１１２】
共に係属中の共に譲渡された「金属バナジウム酸化物粒子」と題するレイツ（Ｒｅｉｔｚ）らの米国特許出願番号第０９／３１１，５０６号において説明されている酸化銀バナジウムナノ粒子の製造と類似する手順に従うレーザ熱分解により、珪酸アルミニウムおよびチタン酸アルミニウムの三元ナノ粒子の製造を実行することができる。この出願については参照により明細書に組み込むものとする。珪酸アルミニウムの製造に適した前駆体としては、蒸気運搬では塩化アルミニウム（ＡｌＣｌ３）と四塩化珪素（ＳｉＣｌ４）の混合物が、エーロゾル運搬ではテトラ（Ｎ−ブトキシ）シランおよびアルミニウムイソプロポキシド（Ａｌ（ＯＣＨ（ＣＨ３）２）３）の混合物が挙げられる。同様に、チタン酸アルミニウムの製造に適した前駆体としては、エーロゾル運搬では硫酸に溶解させた硝酸アルミニウム（Ａｌ（ＮＯ３）３）と二酸化チタン（ＴｉＯ２）粉末の混合物またはアルミニウムイソプロポキシド及びチタンイソプロポキシド（Ｔｉ（ＯＣＨ（ＣＨ３）２）４）の混合物が挙げられる。
【０１１３】
珪素炭化物及び珪素窒化物のレーザ熱分解による合成は「粒子分散物」と題するレイツ（Ｒｅｉｔｚ）らの米国特許出願番号第０９／４３３，２０２号において説明されている。この出願については参照により明細書に組み込むものとする。
【０１１４】
粒子評価
場合によっては、コンビナトリアル合成アプローチの不可欠な一部は得られた材料の評価を含み、そのため所望の材料を識別することができる。１または複数の評価を実行することができる。生成組成物は複数の個々の収集器内で、あるいは固定配列の収集器アレイ内で収集することができる。評価するのに適した特性には例えばｘ線回折による結晶構造、表面積（例えばＢＥＴ表面積）、分光特性、電子特性、磁気特性及び化学組成が含まれる。
【０１１５】
評価を実行するために、組成物を収集器から取り除くことができる。他の実施の形態では、組成物を粒子収集器から取り除かずに粒子評価が実行される。これらの実施の形態のいくつかにおいては、組成物の評価は粒子収集器を合成装置から取り除かずに行われ、あるいは評価は合成装置内で収集される前に流体ストリーム内の組成物を用いて行われる。もちろん、いくつかの評価アプローチは収集器内または合成装置内での評価とは適合しないことがある。
【０１１６】
複数の評価を実行する場合、同じ容器、または収集器あるいは異なる容器内の粒子を用いて複数の評価を実行することができる。その代わりに、異なる評価を異なる容器で実行することができる。化学反応性などの幾つかの評価は生成物を不可逆に変えてしまうことがある。複数の評価を実行する際に１以上の評価により生成物が変化してしまう場合、生成物は複数のアリコートに分割し別個に取り扱わなければならない。当然、不可逆な評価を実行しない場合でも生成物を異なるアリコートに分離すると好都合である。
【０１１７】
どのように評価を実行するかに関わらず、評価は好ましくは複数のサンプルを用いて体系的に実行される。材料の電気活性特性を試験するための体系的な処理の例を図１５に示す。合成プロセスを位置４００に示す。ここでは生成組成物は収集器アレイ４０２内に収集される。収集器は第２の位置４０４まで移動される。収集器アレイ４０２はアレイまたはサンプルホルダ４０６上に適当に配置される。振動力または他の力が加えられサンプルは収集器アレイ４０２の１つの位置からサンプルホルダ４０６内の対応する位置に移される。
【０１１８】
位置４０８では、液体ディスペンサー４１０を使用して分散物／溶剤中の導電粒子とバインダーの分散物を添加する。液体を添加した後、混合物を撹拌または他の妥当なアプローチにより混合することができる。位置４１２では、非導電性フレームワークに取り付けられたニッケル金属メッシュ部分を備えるネットワーク４１４を、サンプルホルダ４０６中の複数の混合物で浸漬コートする。位置４１６では、浸漬コートしたネットワーク４１４を乾燥させる。乾燥は空気中で、オーブンを使用してあるいはその代わりに加熱装置、例えば熱風送風機を使用して実行することができる。位置４１８では、ネットワーク４１４はビーカーセル４２０のアレイと共に配置され、コートされたニッケル要素はビーカーセル内の電極となる。電極活物質としての各化合物の性能は電池テスタ４２２を用いて評価することができる。
【０１１９】
粒状生成物では、粒子サイズ及び粒子サイズ分布は、収集器に向かうストリーム上の粒子による光散乱により評価することができる。動的光散乱は粒子サイズを評価する従来の方法である。適した市販の粒子サイズアナライザとしては例えば動的光散乱を用いるハニーウエル（Ｈｏｎｅｙｗｅｌｌ）のマイクロトラック（Ｍｉｃｒｏｔｒａｃ）ＵＰＡ装置および光子相関分光法を用いるマルベルン（Ｍａｌｖｅｒｎ）のゼータシザーシリーズ（Ｚｅｔａｓｉｚｅｒ  Ｓｅｒｉｅｓ）の装置が挙げられる。
【０１２０】
生成組成物の光学特性は収集器に向かう粒子ストリーム内または収集器内で評価することができる。関連する光学特性としては例えば、熱粒子による発光、マイクロ波、赤外線、可視及び／または紫外光の吸収、ラマン散乱および／または蛍光が挙げられる。
【０１２１】
合成装置内での動的光散乱の実行または光学特性の測定では、光学要素、例えばレンズ、鏡及び光ファイバを使用して光を装置内に、または装置の外へ送達する。図１６は適した構成を示す実施の形態である。図１６では、収集器４４０はフィルタ４４４に至る管４４２を有する。収集器４４０はポンプにつながるコンジット４４６（想像線で示す）と接続される。
【０１２２】
第１の光源４５０は光ファイバ４５２により管４４２に接続される。光源４５０は単色光源または近単色光源、例えばフィルタまたは回折要素を備えたレーザまたは白色光源とすることができ、あるいは広帯域光源とすることができる。散乱検出器４５４は光ファイバ４５６により管４４２に接続される。ポート４５８、４６０はそれぞれ光ファイバ４５２，４５６と接続され、好ましくは管４４２に沿って大体直角に配置され、そのため４５２から伝達された光は一般にポート４６０に当たらない。検出器４５４は好ましくは光散乱測定値から粒子サイズを計算するようにプログラムされたプロセッサを含み、あるいはプロセッサに接続される。その代わりに、この配列を使用して流体ストリーム内の粒子による蛍光またはラマン散乱を測定することができる。
【０１２３】
第２の光源４７０は光ファイバ４７２によりフィルタ４４４上の粒子に向かって光を誘導する。一般に、第２の光源４７０は所望の周波数範囲の妥当な一部を含む広帯域光源である。検出器４７４は光ファイバ４７６に接続され、光ファイバは２つの光ファイバ分岐４７８，４８０とつながる。光ファイバ４７８，４８０はそれぞれポート４８２，４８４と接続される。ポート４８２はフィルタ４４４上の組成物からの発光、散乱光および／または蛍光を受理するように配置される。ポート４８４は光ファイバ４７２及びポート４８６から伝送された光を受理する。伝送された光は、吸収量が大きすぎなければ、Ｂｅｅｒの法則に従い吸収された光の量と相関する。検出器４７４は一般に回折要素、例えば回折格子またはプリズムを含み、特定の波長を測定することができる。ポート４５８、４６０、４８６、４８２、４８４はレンズなどの光学要素を含むことができる。
【０１２４】
結晶化合物の結晶性及び組成はｘ線散乱により評価することができる。一般にｘ線回折測定を実行するには適したホルダに少量の粉末を移さなければならない。ホルダをｘ線回折装置内に配置し測定を実行する。
【０１２５】
透過電子顕微鏡観察も同様に、顕微鏡観察測定を実行するのに使用される特別のホルダに少量の生成物粒子を移すことが必要である。サンプルを有するホルダを適した透過電子顕微鏡内に配置する。粒子サイズ特に主粒子サイズのより正確な測定はこのようにして行うことができる。また、粒子形態もまた決定することができる。
【０１２６】
材料の電気活性特性の測定は上述した。材料の電気特性および磁気特性は、原則的には収集器内で測定することができるが、実際には粉末が収集器上に分散する性質により困難である。このように、これらの測定では収集器から材料を取り除くことが好ましい。いったん粒子を取り除くと、従来の測定アプローチを使用することができる。電気活性特性の測定について上述したように、並行または同時処理を使用することができる。
【０１２７】
また、多量の生成組成物を化学反応性や元素組成分析などの破壊的な試験で使用することができる。元素組成分析は従来の分析技術を用いて実行することができる。反応性評価は評価すべき特定の反応性に依存する。
【０１２８】
コンビナトリアル設計及び適用
コンビナトリアル合成および評価により１以上の合成パラメータの体系的な検査が行われ、評価された特性または複数の特性により決定される所望の特徴と対応するパラメータの値または範囲が決定される。特別な１度のコンビナトリアル運転中に、１以上の合成パラメータを変化させることができる。その後の実行を使用して同じ合成パラメータのより正確な値を得る、あるいは他の合成パラメータを調べることができる。このように、適した市販製品に適用するために改良された特性を有する化学組成物を開発することができる。
【０１２９】
反応パラメータが関心のある材料特性に対し独立したものである場合、パラメータは一般に特性の最適化とは別個に変更される。独立したパラメータでは、複数の独立パラメータを同時に変更する場合に比べ、パラメータを対応させ独立して変更させる方が少数の合成サンプルの観点からより能率的である。２以上の反応パラメータが特性と強く相関する場合、グリッド上で相関反応パラメータを変更するのが能率的であるかもしれない。相関が弱い反応パラメータは、以下でさらに説明するように、グリッド上で評価することができ、あるいは狭い範囲で変更させ繰り返すことができる。
【０１３０】
図１１には、２つの反応パラメータを変化させながら１００サンプルを製造する１度の粒子製造運転が図示されている。おそらく、反応パラメータは対象の特性について相関する。例えば、パラメータ１およびパラメータ２は２つの異なる金属前駆体の流速とすることができる。各点は１つの多量の生成物粒子に対応する。製造されたサンプル数及び変化させた合成パラメータの数は装置の設計に基づき選択することができる。３以上のパラメータを同時に変化させる場合、３以上の次元のグリッドが得られる。
【０１３１】
この仮定の実施例では、得られた粒子の特性を評価すると、第４の値を有する反応パラメータ１及び第３の値を有する反応パラメータ２で製造した粒子が最も良い値の評価特性または複数の特性を有することが決定された。図１１に示した結果に続き、Ｐ１−４、Ｐ２−３の周りのパラメータ空間の一部を、図１２に示すようにその後のコンビナトリアル合成運転においてより高い解像度で調べることができる。図１２によれば、２５のサンプル運転が実行された。パラメータ範囲を狭めることにより、所望の特性に対応する合成パラメータのより正確な値を得ることができる。当然、この精密化プロセスは望み通り一般化することができ、異なる数の相関パラメータと異なる数のサンプルが各運転において製造される。
【０１３２】
相関合成パラメータを最適化する他に、パラメータ１及び２とは大体独立した第３のパラメータ、例えばチャンバ圧はある範囲の値にわたり変化させることができる。この第３のパラメータの変化を１２の値について図１３に示す。パラメータ１及び２は第３のパラメータを変化させるために最適値に固定することができるが、パラメータ３が正確に独立している場合、パラメータ１および２の値はパラメータ３に関する結果に影響しない。
【０１３３】
結合パラメータ、特に結合の弱いパラメータでは、広範囲のパラメータで繰り返すことが望ましい。他のパラメータを固定して１以上のパラメータを最初に変化させると最適値が得られる。その後、最初に変化させたパラメータ最適値にして１以上の他のパラメータを変化させる。関連する合成パラメータの全てを変化させるまでこれを続ける。その後、他のパラメータをその最適値で固定し、最初に変化させたパラメータを最初に最適化した値付近で変化させることができる。他の合成パラメータの相関及び変化により、最初に変化させたパラメータを変化させるとその後の運転で異なる結果が得られることとなる。
【０１３４】
合成パラメータ及び測定特性において所望の精度が得られるまでプロセスを繰り返すことができる。所望であれば、非線形回帰ルーチン、例えばニュートン（Ｎｅｗｔｏｎ）法を使用して、その後のコンビナトリアル合成運転前に最適合成パラメータの収束のより正確な予想を行うことができる。パラメータを体系的に変化させることにより、より少ない数の合成サンプルで材料特性の最適化を実行することができる。
【０１３５】
これらのアプローチの様々な組合せに従い、パラメータ空間を調査しより望ましい材料を突き止めることができる。オペレータはいくつの重要なパラメータを変化させるかを決定する。同様に、オペレータはパラメータを変化させるのに望まれる精度を決定する。
【０１３６】
この中で説明したコンビナトリアル合成アプローチを使用して、体系的にかつ能率的に特性の改良された新規組成物を開発することができる。新規組成物に関しては、反応物ストリームの組成及び合成パラメータを変化させて新規化学量論の組成物を得ることができる。とりわけ、固体粒子生成物では、相図の広い部分をコンビナトリアル合成アプローチにより調査することができる。同様に、固体粒子生成物では、合成パラメータを変化させて粒子サイズ、粒子形状、結晶性、多孔性などを変化させることができる。これらの粒子特性はそれ自体対象の特性とすることができ、あるいは、デバイスへの組み入れなどの特別な適用では、これらの粒子特性を対象の他の特性、例えば電気特性、磁気特性または光学特性と相関させることができる。
【０１３７】
上記実施の形態は例示にすぎず、限定するものではない。他の実施の形態は請求の範囲内である。この発明について好ましい実施の形態を参照して説明してきたが、当業者であれば、この発明の精神及び範囲内であれば形態および細部において変更が可能であることは理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【図１】  この中で説明したコンビナトリアル合成アプローチの概略を示すブロック図である。
【図２】  反応物と放射のパルス、および反応物ノズルに対する収集器の位置を調整する自動システムにより複数の組成物の合成を実行する装置の概略図である。
【図３】  流体ストリーム反応によるコンビナトリアル化学合成を実行するための装置の概略図である。
【図４】  収集器にアクセスするためのトラック上に裁置された反応物供給ノズルを有するコンビナトリアル化学合成を実行するための装置の１つの実施の形態の概略図である。
【図５】  入口ノズルの中心を通るノズルの長さについての断面図である。
【図６】  図５の入口ノズルの中心を通るノズルの幅についての断面図である。
【図７】  大気圧付近で動作する収集器装置の部分斜視図であり、隠れた構造は想像線で示してある。
【図８】  ポンプマニホルドに接続された複数の収集器を備えた収集器装置の側面概略図である。
【図９】  可動のフィルタマトリクスを備えた収集器装置の他の実施の形態の概略図である。
【図１０】  特別な化合物に対する収集器として識別可能な領域を有するフィルタマトリクスの上面図である。
【図１１】  非大気圧で維持される合成システムを妨害せずに収集器を挿入、取り外しするロッキングチャンバを有する収集器を備えた合成システムの切り欠き概略側面図である。
【図１２】  移動液体ストリーム中の粒子を収集するための収集器の概略断面図であり、その断面は装置を通り収集器内部の特徴が露出している。
【図１３】  制御環境において加熱処理を行うように設計された収集器の側面図である。
【図１４】  合成用の、および収集された組成物に追加の化合物を添加するためのノズルを備えたアレイ収集器の底面図である。
【図１５】  組成物サンプルの電気活性特性を測定するための並行処理手順の概略図である。
【図１６】  様々な光学的測定用に構成された収集器の概略図であり、隠れた部分及びポンプへの接続は想像線で示してある。
【図１７】  １度のコンビナトリアル合成運転で調査される２つのパラメータに関連するパラメータ空間の１領域の概略図である。
【図１８】  １度のコンビナトリアル合成運転で調査される２つのパラメータの拡大領域の概略図である。
【図１９】  １度のコンビナトリアル合成運転で変化する単一の反応パラメータの概略図である。
【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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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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