(57)【要約】  穿孔された二次元材料の第一のシート、ならびに、穿孔された二次元材料の第一のシートの表面と、構造基材の表面および穿孔された二次元材料の第二のシートの表面のうちの少なくとも１つとの間に配置された第一の複数のスペーサー要素を含む構造物が、関連する方法と共に開示される。構造物は、構造基材、第二の複数のスペーサー要素、穿孔された二次元材料の第一および／もしくは前記第二のシートと直接接触している穿孔された二次元材料の追加のシート、ならびに／または構造基材の表面にある起伏表面形状をさらに含んでもよい。
2017515668.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
穿孔された二次元材料の第一のシート、ならびに、
穿孔された二次元材料の前記第一のシートの表面と、構造基材の表面および穿孔された二次元材料の第二のシートの表面のうちの少なくとも１つとの間に配置された第一の複数のスペーサー要素
を備える構造物。
【請求項２】
前記第一の複数のスペーサー要素が、穿孔された二次元材料の前記第一のシートの前記表面と、穿孔された二次元材料の前記第二のシートの前記表面との間に配置され、前記構造物が、穿孔された二次元材料の前記第一または前記第二のシートの別の側の表面に配置された構造基材をさらに備える、請求項１に記載の構造物。
【請求項３】
前記第一の複数のスペーサー要素が、穿孔された二次元材料の前記第一のシートの前記表面と穿孔された二次元材料の前記第二のシートの前記表面との間に配置され、第二の複数のスペーサー要素が、前記構造基材の前記表面と穿孔された二次元材料の前記第一または前記第二のシートの前記別の側の表面との間に配置されている、請求項２に記載の構造物。
【請求項４】
穿孔された二次元材料の前記第一および／または前記第二のシートと直接接触している穿孔された二次元材料の１つ以上の追加のシートをさらに備える、請求項１〜３のいずれか一項に記載の構造物。
【請求項５】
穿孔された二次元材料の前記第一または第二のシートが、グラフェンまたはグラフェン系膜、遷移金属ジカルコゲナイド、α−窒化ホウ素、シリセン、ゲルマネン、ＭＸエンまたはこれらの組み合わせを含む、請求項１〜４のいずれか一項に記載の構造物。
【請求項６】
穿孔された二次元材料の前記第一または前記第二のシートが、４０００オングストローム以下の平均ポアサイズを有する、請求項１〜５のいずれか一項に記載の構造物。
【請求項７】
穿孔された二次元材料の前記第一または前記第二のシートが、ランダムに分布したポアを含む、請求項１〜６のいずれか一項に記載の構造物。
【請求項８】
穿孔された二次元材料の前記第一または前記第二のシートのポアが、前記ポアの周囲部で化学的に官能化されている、請求項１〜７のいずれか一項に記載の構造物。
【請求項９】
前記スペーサー要素が、ランダムに配向および配置されている、請求項１〜８のいずれか一項に記載の構造物。
【請求項１０】
前記スペーサー要素の層が、５オングストローム〜１００００オングストロームの範囲から選択される厚さを有する、請求項１〜９のいずれか一項に記載の構造物。
【請求項１１】
前記スペーサー要素の層が、実質的に均一な厚さを有する、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の構造物。
【請求項１２】
前記スペーサー要素の層が、不均一な厚さを有する、請求項１〜１１のいずれか一項に記載の構造物。
【請求項１３】
前記スペーサー要素が、０．５ｎｍ〜２００ｎｍの平均寸法を有する、請求項１〜１２のいずれか一項に記載の構造物。
【請求項１４】
前記スペーサー要素の平均面密度が、１μｍ２あたり２０００から１μｍ２あたり１である、請求項１〜１３のいずれか一項に記載の構造物。
【請求項１５】
前記スペーサー要素が、穿孔された二次元材料の前記第一および／または前記第二のシートと接着している、請求項１〜１４のいずれか一項に記載の構造物。
【請求項１６】
前記スペーサー要素が、ナノ粒子、ナノチューブ、ナノファイバー、ナノロッド、ナノ構造体またはこれらの組み合わせを含む、請求項１〜１５のいずれか一項に記載の構造物。
【請求項１７】
前記スペーサー要素が、単層カーボンナノチューブ、多層カーボンナノチューブ、カーボンナノ構造体、フラーレン、カーボンナノホーンおよびこれらの組み合わせから成る群より選択される、請求項１〜１６のいずれか一項に記載の構造物。
【請求項１８】
前記スペーサー要素の層が、５０ｎｍ以下の平均表面粗度を有する、請求項１〜１７のいずれか一項に記載の構造物。
【請求項１９】
前記構造基材が、多孔性ポリマーまたは多孔性セラミックを含む、請求項１〜１８のいずれか一項に記載の構造物。
【請求項２０】
前記構造基材が、５００μｍ以下の厚さを有する、請求項１〜１９のいずれか一項に記載の構造物。
【請求項２１】
前記構造基材が、１μｍ〜５００μｍの厚さを有する、請求項１〜２０のいずれか一項に記載の構造物。
【請求項２２】
前記構造基材が、３％以上の多孔度を有する、請求項１〜２１のいずれか一項に記載の構造物。
【請求項２３】
前記構造基材が、３％〜７５％の多孔度を有する、請求項１〜２２のいずれか一項に記載の構造物。
【請求項２４】
穿孔された二次元材料の前記第一または前記第二のシート中のポアが、前記構造基材中のポアよりも少なくとも１０倍小さい、請求項１〜２３のいずれか一項に記載の構造物。
【請求項２５】
穿孔された二次元材料の第一のシートと、構造基材の表面および穿孔された二次元材料の第二のシートの表面のうちの少なくとも１つとの間に、第一の複数のスペーサー要素を配置することを含む、構造物を形成するための方法。
【請求項２６】
前記第一の複数のスペーサー要素が、穿孔された二次元材料の前記第一のシートの前記表面と穿孔された二次元材料の前記第二のシートの前記表面との間に配置され、
前記方法が、穿孔された二次元材料の前記第一または前記第二のシートの別の側の表面上に構造基材を提供することをさらに含む、請求項２５に記載の方法。
【請求項２７】
前記第一の複数のスペーサー要素が、穿孔された二次元材料の前記第一のシートの前記表面と穿孔された二次元材料の前記第二のシートの前記表面との間に配置され、
前記方法が、穿孔された二次元材料の前記第一または前記第二のシートの別の側の表面上に第二の複数のスペーサー要素を提供すること、および、前記第二の複数のスペーサー要素上に構造基材を提供することをさらに含む、請求項２５に記載の方法。
【請求項２８】
前記スペーサー要素が、前記構造基材に適用され、次に、穿孔された二次元材料の前記第一または前記第二のシートが、前記スペーサー要素に適用される、請求項２５〜２７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２９】
前記スペーサー要素が、穿孔された二次元材料の前記第一または前記第二のシートに適用されてコンポジット材料が形成され、次に、前記コンポジット材料が、前記構造基材に適用される、請求項２５〜２７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項３０】
前記構造基材が、多孔性ポリマー基材または多孔性セラミック基材を含む、請求項２５〜２９のいずれか一項に記載の方法。
【請求項３１】
二次元材料の前記第一または前記第二のシートが、グラフェンもしくはグラフェン系膜、遷移金属ジカルコゲナイド、α‐窒化ホウ素、シリセン、ゲルマネン、ＭＸエンまたはこれらの組み合わせを含む、請求項２５〜３０のいずれか一項に記載の方法。
【請求項３２】
穿孔された二次元材料のシートと支持基材との間に配置された複数のスペーサー要素を備え、請求項３０に記載の方法によって作製されたろ過膜。
【請求項３３】
表面に少なくとも１つの起伏表面形状を有する構造基材、および、
前記少なくとも１つの起伏表面形状を実質的に封入するように前記構造基材上に配置された、穿孔された二次元材料の第一のシート
を備える構造物。
【請求項３４】
穿孔された二次元材料の前記第一のシート上に配置された複数のスペーサー要素、および、
穿孔された二次元材料の第二のシートであって、前記スペーサー要素が、穿孔された二次元材料の前記第一および前記第二のシートの間に存在するように前記複数のスペーサー要素上に配置された穿孔された二次元材料の第二のシート
をさらに備える、請求項３３に記載の構造物。
【請求項３５】
穿孔された二次元材料の第一のシートおよび構造基材を提供すること、
前記構造基材の表面に少なくとも１つの起伏表面形状を形成すること、ならびに、
前記構造基材上に穿孔された二次元材料の前記第一のシートを配置すること
を含む、構造物を形成するための方法。
【請求項３６】
穿孔された二次元材料の少なくとも２つのシートを備え、各シートが、複数の選択性ポアおよび複数の非選択性ポアを有する、媒体中のコンポーネントを選択的に分離するためのろ過膜であって、
前記複数の選択性ポアが、前記媒体中の指定されたコンポーネントを透過させるサイズを有し、前記複数の非選択性ポアが、前記指定されたコンポーネントおよび前記指定されたコンポーネントよりも大きいコンポーネントを透過させ、ならびに、
前記複数の選択性ポアおよび前記複数の非選択性ポアが、穿孔された二次元材料の前記シートの各々の全体にランダムに分布され、ならびに、
穿孔された二次元材料の前記シートが、互いに隣接して配置され、穿孔された二次元材料の前記シートのうちの１つの前記複数の選択性ポアが、穿孔された二次元材料の前記隣接するシートの前記複数の選択性ポアに対してランダムに整列されており、前記複数の非選択性ポアが、穿孔された二次元材料の前記隣接するシートの前記複数の非選択性ポアに対してランダムに整列されている、ろ過膜。
【請求項３７】
穿孔された二次元材料の前記シートが、整列されたポアを通してのみ流路を提供するように配置されている、請求項３６に記載のろ過膜。
【請求項３８】
穿孔された二次元材料の前記シートが、前記シート間に選択性流路を提供するように配置されている、請求項３６に記載のろ過膜。
【請求項３９】
穿孔された二次元材料の前記シートが、非選択性流路を提供するように配置されている、請求項３６に記載のろ過膜。
【請求項４０】
逆浸透、ナノろ過、限外濾過、精密濾過、正浸透、または浸透蒸発分離のために構成された筐体をさらに備える、請求項３６に記載のろ過膜。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本出願は、その全内容が参照により本明細書に援用される、いずれも２０１４年５月８日に出願された米国仮特許出願第６１／９９０，２０４号および同第６１／９９０，５６１号からの優先権の利益を、米国特許法第１１９条の下で主張するものである。
【０００２】
連邦政府による資金提供を受けた研究開発の記載
該当なし。
【０００３】
本開示は、グラフェン、グラフェン系材料、およびその他の二次元材料全般に関する。より詳細には、本開示は、積層され、穿孔されたグラフェン、グラフェン系、またはその他の二次元材料、および積層された構造物を作製するための方法に関する。
【背景技術】
【０００４】
グラフェンは、炭素原子が規則的な格子位置に存在する原子の薄さの炭素の層を表す。多くの用途において、グラフェン基底面に複数の孔部、開口部、または類似の穿孔部を配置することが望ましい場合がある。そのような孔部は、本明細書にて、同等にポアとも称される。その他の二次元材料が、類似の穿孔部を含有して、グラフェンに類似の方法での用途に用いられる場合がある。「穿孔されたグラフェン」または「穿孔された二次元材料」の用語は、本明細書において、その孔部が導入された方法に関わらず、その基底面に孔部を有するシートを意味するために用いられる。そのような孔部は、単層および少数層グラフェン（例：１０グラフェン層未満であるが２層以上）のいずれにも、さらには互いに積層された単層または少数層グラフェンの複数シートにも存在し得る。
【０００５】
グラフェンおよびその他の二次元材料は、従来にない機械的強度を有するが、それでも、ろ過用途などの多くの一般的用途の補助のために、二次元材料に機械的支持を提供することが望ましい。多くの場合において、グラフェンおよびその他の二次元材料は、平滑な構造基材上に配置され得る。構造基材は、グラフェンに対する高圧の影響を、それに掛かる荷重を分散させることによって減少させることができる。しかし、グラフェンが原子の薄さであることに起因して、グラフェンを基材に移す際にグラフェンに対する損傷が起こり得る。損傷は、グラフェンもしくはその他の二次元材料における望ましくない裂け目の発生、またはその他の欠陥の形態で起こり得る。グラフェンの損傷を、特に操作条件下で低減し得る１つの方法は、非常に平滑な表面トポロジー／モルホロジーを有する構造基材を用いることによるものである。しかし、高度な多孔度を維持する平滑な構造基材は稀であり、二次元材料のシート内の穿孔部と基材内のポアとの間の整列不良が、全体としての透過度を低下させる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記に照らして、二次元材料および多孔性支持基材を備える構造物の透過性を上昇させる技術があれば、非常に有益である。本開示は、この必要性を満たすと共に、関連する利点も提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本明細書で開示される構造物および方法は、例えば、逆浸透、ナノろ過、限外濾過、精密濾過、正浸透または浸透蒸発分離によって媒体の所望のコンポーネントおよび不要なコンポーネントを選択的に分離するためのろ過および分離用途に用いることができる。開示される構造物は、有利には、穿孔された原子レベルの薄さ（atomically thin）の二次元材料を、高い透過度、強度および付着汚れに対する耐性を提供する活性ろ過または分離膜として用いる。加えて、構造物は、単純な非積層構成と比較していくつかの利点を提供する積層された多層構成として形成される。例えば、積層された多層構成のいくつかでは、ランダムに分布した選択性および非選択性ポアを有する穿孔された二次元材料の２つ以上のシートが、シートの表面が互いに直接接触するように重なり合っている。この構成では、非選択性ポアを隣接するシートによって覆うか、または「塞ぐ（patched）」ことができることでその影響が低減または排除され、構造物の選択性が改善される。幾つかの実施形態では、スペーサー要素の層が、単層もしくは積層された二次元シート間、または単層もしくは積層された二次元シートと支持基材との間に備えられ、それによって、スペーサー要素の層を通る選択性もしくは非選択性流路が提供される。この構成では、媒体の横方向の流れを可能とすることによって、構造物の透過度が上昇される。いくつかの用途では、本発明の構造物によって実現される透過度の増加により、そうでなければ特定の用途で必要とされることになるよりも低い多孔度／透過度を有する支持基材を用いることが可能となる。さらに、支持基材の表面にスペーサー要素が存在することで、基材表面粗さを軽減することができ、それによって、そうでなければ二次元材料を受けるには粗過ぎる基材を用いることが可能となる。従って、本発明の構造物は、フィルター用途において、改善された選択性を提供することができ、および／または適切な基材材料の範囲を拡大することができる。
【０００８】
一態様では、構造物は、穿孔された二次元材料の第一のシート、ならびに、穿孔された二次元材料の第一のシートの表面と構造基材の表面および穿孔された二次元材料の第二のシートの表面のうちの少なくとも１つとの間に配置された第一の複数のスペーサー要素を備える。
【０００９】
穿孔された二次元材料の第一のシートの表面と穿孔された二次元材料の第二のシートの表面との間に第一の複数のスペーサー要素が配置されている幾つかの実施形態では、構造物は、穿孔された二次元材料の第一または第二のシートの別の側の表面（alternate surface）に配置された構造基材をさらに備える。幾つかの実施形態では、第一の複数のスペーサー要素は、穿孔された二次元材料の第一のシートの表面と穿孔された二次元材料の第二のシートの表面との間に配置され、第二の複数のスペーサー要素は、構造基材の表面と穿孔された二次元材料の第一または第二のシートの別の側の表面との間に配置されている。幾つかの実施形態では、これまでに記載したいずれの構造物も、穿孔された二次元材料の前記第一および／または前記第二のシートと直接接触している穿孔された二次元材料の１つ以上の追加のシートを含んでよい。
【００１０】
本発明の構造物および方法での使用に適する穿孔された二次元材料としては、これらに限定されないが、炭素源から誘導される材料、さらには窒化ホウ素、ケイ素、ゲルマニウム、ならびに酸素、硫黄、セレン、およびテルルなどのカルコゲンと組み合わされた遷移金属をベースとする材料が挙げられる。一実施形態では、穿孔された二次元材料の第一または第二のシートは、グラフェンまたはグラフェン系膜、遷移金属ジカルコゲナイド、α−窒化ホウ素、シリセン、ゲルマネン、ゲルマナン、ＭＸエン（例：Ｍ２Ｘ、Ｍ３Ｘ２、Ｍ４Ｘ３、ここで、Ｍは、Ｓｃ、Ｔｉ、Ｖ、Ｚｒ、Ｃｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、およびＴａなどの前周期遷移金属であり、Ｘは、炭素および／または窒素である）、またはこれらの組み合わせを含む（二次元材料を開示するとして参照により本明細書に援用されるXu et al. (2013) "Graphene-like Two-Dimensional Materials", Chemical Reviews 113: 3766-3798；Zhao et al. (2014) "Two-Dimensional Material Membranes", Small, 10(22), 4521-4542；Butler et al. (2013) "Progress, Challenges, and Opportunities in Two-Dimensional Materials Beyond Graphene", Materials Review, 7(4) 2898-2926；Chhowalla et al. (2013) "The chemistry of two-dimensional layered transition metal dichalcogenide nanosheets", Nature Chemistry, vol. 5, 263-275；およびKoski and Cui (2013) "The New Skinny in Two-Dimensional Nanomaterials", ACS Nano, 7(5) 3739-3743を参照）。一実施形態では、穿孔された二次元材料の第一または第二のシートは、４００ｎｍ以下、または２００ｎｍ以下、または１００ｎｍ以下の平均ポアサイズを有する。一実施形態では、穿孔された二次元材料の第一または第二のシートは、４０００オングストロームから３オングストローム、または２０００オングストロームから１０００オングストローム、または１０００オングストロームから５００オングストローム、または５００オングストロームから１００オングストローム、または１００オングストロームから５オングストローム、または２５オングストロームから５オングストローム、または５オングストロームから３オングストロームの範囲から選択される平均ポアサイズを有する。一実施形態では、ポアサイズは、分離されるべき（１若しくは複数の）分子に基づいて選択される。一実施形態では、二次元材料の第一のシートは、第一の平均ポアサイズを有し、二次元材料の第二のシートは、第二の平均ポアサイズを有し、ここで、第一の平均ポアサイズは、第二の平均ポアサイズと異なっている。一実施形態では、小さい方の平均ポアサイズを有する第一のシートは、大きい方の平均ポアサイズを有する第二のシートから上流（フィードに近い方）に存在する。一実施形態では、穿孔された二次元材料の第一または第二のシートは、ランダムに分布したポアを備える。一実施形態では、穿孔された二次元材料の第一または第二のシートのポアは、ポアの周囲部で化学的に官能化されている。
【００１１】
幾つかの実施形態では、本明細書で開示される構造物は、二次元シート間、および／または二次元シートと支持基材との間の横方向の流れを促進するスペーサー要素を備える。例えば、スペーサー要素は、非連続的質量として表面上に分布した粒子状または別々の単位であってよい。一実施形態では、スペーサー要素は、ランダムに配向および配置されている。
【００１２】
幾つかの実施形態では、スペーサー要素の層は、５オングストロームから１００００オングストローム、または１０００オングストロームから５０００オングストローム、または１００オングストロームから５００オングストローム、または５オングストロームから１００オングストローム、または５オングストロームから２５オングストローム、または４オングストロームから８オングストロームの範囲から選択される厚さを有する。一実施形態では、スペーサー要素の層は、実質的に均一な厚さを有する。例えば、スペーサー要素の均一な分布は、スプレーコーティングまたはスピンコーティングなどの溶液技術によって達成されてよい。一実施形態では、スペーサー要素の層は、不均一な厚さを有する。一実施形態では、スペーサー要素は、０．５ｎｍから２００ｎｍ、または０．５ｎｍから４００ｎｍ、または１０ｎｍから５００ｎｍ、または５０ｎｍから７５０ｎｍ、または１００ｎｍから１０００ｎｍの平均寸法（例：平均高さ、平均幅、平均長さ、または平均直径）を有する。
【００１３】
一実施形態では、スペーサー要素は、隣接するシートが互いに完全に分離されるように、互いに分離されている。一実施形態では、スペーサー要素間の間隔は、スペーサー要素の上にある二次元シートがスペーサー要素に垂れかかる（drape）ような間隔である。一実施形態では、スペーサー要素は、隣接する面の表面のおよそ１〜３０％を覆う。例えば、スペーサー要素が隣接する面の表面の１〜１０％を覆う場合、上にあるシートは、スペーサー要素に垂れかかってよく、それは、隣接するシート間の接触を引き起こす可能性がある。別の例では、スペーサー要素が隣接する面の表面の２０〜３０％を覆う場合、上にあるシートは、隣接するシートから完全に分離されている。一実施形態では、スペーサー要素の平均密度は、１μｍ２あたり２０００から１μｍ２あたり１である。１つ以上のシーリング要素および／またはフィルター筐体壁部が、シートのエッジ部からの流出を制限するために、シートのエッジ部に備えられてよい。
【００１４】
一実施形態では、スペーサー要素は、穿孔された二次元材料の第一および／または第二のシートと接着している。例えば、炭素系スペーサー要素は、グラフェンまたはグラフェン系材料の二次元シートと、パイ−パイ電子相互作用またはファンデルワールス相互作用を通じて相互作用してよい。このタイプの相互作用が可能である炭素系スペーサー要素としては、これらに限定されないが、カーボンナノチューブおよびカーボンナノ構造体が挙げられる。このタイプの相互作用が可能である化学部分としては、これらに限定されないが、多芳香族炭化水素および縮合芳香環を有するペンダント基が挙げられる。さらなる例として、スペーサー要素は、直接共有結合を介して二次元シートと相互作用してよい。別の選択肢として、スペーサー要素は、支持基材、二次元材料、またその両方との化学反応を起こすために、その表面に化学部分を含んでよく、ここで、その化学反応は、共有結合を形成する。
【００１５】
適切なスペーサー要素としては、これらに限定されないが、ナノ粒子、ナノチューブ、ナノファイバー、ナノロッド、ナノ構造体、ナノホーン、フラーン（fullernes）、またはこれらの組み合わせが挙げられる。一実施形態では、スペーサー要素は、単層カーボンナノチューブ、多層カーボンナノチューブ、カーボンナノ構造体、フラーレン、カーボンナノホーン、およびこれらの組み合わせから成る群より選択される。さらなる実施形態では、粒子は、金属ナノ粒子である。金属ナノ粒子は、金、白金、または炭素と結合を形成する金属ナノ粒子であってよい。さらなる実施形態では、スペーサー要素は、二次元材料の部分層である。幾つかの実施形態では、スペーサー要素の表面の少なくとも一部分は、疎水性または親水性表面を生成するために官能化される。さらなる実施形態では、スペーサー要素の表面の少なくとも一部分は、極性または非極性部分で官能化される。極性基は、中性または荷電基を含んでよい。極性基としては、中でも、ハライド（例：−Ｆ、−Ｃｌ）、ヒドロキシル（−ＯＨ）、アミノ（−ＮＨ２）、アンモニウム（−ＮＨ４＋）、カルボニル、カルボキシル、およびカルボキシレート（−ＣＯ−、−ＣＯＯＨ、−ＣＯＯ−）、ニトロ（−ＮＯ２）、スルホン酸およびスルホネート（−ＳＯ３Ｈ、−ＳＯ３−）、１つ以上の極性基で置換された炭化水素（ハロアルキル、ヒドロキシアルキル、ニトロアルキル、ハロアリール、ヒロキシアリール（hyroxyaryl）、ニトロアリールなど）、極性基を有するポリマー、ならびにポリアルキレングリコールが挙げられる。非極性基としては、中でも、無置換脂肪族およびアリール炭化水素が挙げられる（例：アルキル、アルケニル、およびアリール基）。適切な官能基としては、これらに限定されないが、荷電および無荷電の極性基ならびに非極性基が挙げられる。
【００１６】
一実施形態では、スペーサー要素の層は、５０ｎｍ以下、または３５ｎｍ以下、または２５ｎｍ以下の平均表面粗さを有する。
【００１７】
一実施形態では、隣接するシート間の間隔は、シートのうちの一方の平均ポアサイズと同等である。さらなる実施形態では、隣接するシート間の間隔は、シートのうちの一方の平均ポアサイズよりも小さい。さらなる実施形態では、隣接するシート間の間隔は、２つの隣接するシートの平均ポアサイズの小さい方の半分未満である。さらなる実施形態では、隣接するシート間の間隔は、２つのシートの平均ポアサイズの大きい方よりも大きい。例えば、隣接するシート間の間隔は、隣接するシートの平均ポアサイズの大きい方の５〜１０倍、１０から５０倍、または５０から１００倍であってよい。
【００１８】
幾つかの実施形態では、構造物は、多孔性ポリマーまたは多孔性セラミックを含む構造基材などの構造基材を備えてもよい。多孔性または透過性支持基材に適するポリマーは、特に限定されるとは考えられず、例えば、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン（ＰＥＳ）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、ポリプロピレン、酢酸セルロース、ポリエチレン、ポリカーボネート、ポリテトラフルオロエチレンなどのフルオロカーボンポリマー、ならびにこれらの混合物およびコポリマーおよびブロックコポリマーが挙げられ得る。幾つかの実施形態に関して、構造基材は、５００ｎｍ以下、または２００ｎｍ以下の厚さを有する。典型的には、構造基材は、１ｎｍから５００ｎｍ、または２０ｎｍから２００ｎｍの厚さを有する。一実施形態では、構造基材は、１５％以上、または２５％以上の多孔度を有する。幾つかの実施形態では、構造基材は、３％から７５％、または５％から７５％、または３％から５０％、または３％から３０％、または３％から１５％、または３％から１０％、または３％から６％の多孔度を有する。多孔度は、体積パーセント（体積％）または表面での面積パーセント（面積％）の単位であってよい。幾つかの実施形態では、穿孔された二次元材料の第一または第二のシートにおけるポアは、構造基材におけるポアよりも少なくとも１０倍小さい。
【００１９】
一態様では、構造物を形成するための方法は、第一の複数のスペーサー要素を、穿孔された二次元材料の第一のシートと、構造基材の表面および穿孔された二次元材料の第二のシートの表面のうちの少なくとも１つとの間に配置することを含む。別の選択肢として、スペーサーが第一の穿孔されたシート上に配置され、第二のシートがスペーサー上に適用され、次に、第二のシートが穿孔される。
【００２０】
穿孔された二次元材料の第一のシートの表面と穿孔された二次元材料の第二のシートの表面との間に第一の複数のスペーサー要素が配置されている一実施形態では、方法は、穿孔された二次元材料の第一または第二のシートの別の側の表面上に構造基材を提供することをさらに含む。
【００２１】
穿孔された二次元材料の第一のシートの表面と穿孔された二次元材料の第二のシートの表面との間に第一の複数のスペーサー要素が配置されている別の実施形態では、方法は、穿孔された二次元材料の第一または第二のシートの別の側の表面上に第二の複数のスペーサー要素を提供すること、および第二の複数のスペーサー要素上に構造基材を提供することをさらに含む。
【００２２】
上述の方法のいずれにおいても、二次元材料は、構造物が形成された後に穿孔されてよい。
【００２３】
一実施形態では、スペーサー要素が構造基材に適用され、その後、穿孔された二次元材料の第一または第二のシートがスペーサー要素に適用される。別の実施形態では、スペーサー要素は、二次元材料の第一または第二のシートに適用されてコンポジット材料を形成し、その後、コンポジット材料が構造基材に適用される。
【００２４】
一態様では、ろ過膜は、穿孔された二次元材料のシートと支持基材との間に配置された複数のスペーサー要素を備える。一実施形態では、ろ過膜は、第一の複数のスペーサー要素を、穿孔された二次元材料の第一のシートと、構造基材の表面および穿孔された二次元材料の第二のシートの表面のうちの少なくとも１つとの間に配置することを含む方法によって作製される。一実施形態では、この方法は、穿孔された二次元材料の第一または第二のシートの別の側の表面上に構造基材を提供することをさらに含む。
【００２５】
一態様では、構造物は、構造基材の表面に少なくとも１つの起伏表面形状（relief feature）を有する構造基材、および少なくとも１つの起伏表面形状を実質的に封入するように構造基材上に配置された穿孔された二次元材料の第一のシートを備える。一実施形態では、構造物は、穿孔された二次元材料の第一のシート上に配置された複数のスペーサー要素、および複数のスペーサー要素上に配置された穿孔された二次元材料の第二のシートをさらに備え、それによって、スペーサー要素は、二次元材料の第一および第二のシートの間に存在する。一実施形態では、複数のスペーサー要素は、少なくとも１つの起伏表面形状内に配置されてよい。
【００２６】
一態様では、構造物を形成するための方法は、穿孔された二次元材料の第一のシートおよび構造基材を提供すること、構造基材の表面に少なくとも１つの起伏表面形状を形成すること、ならびに穿孔された二次元材料の第一のシートを構造基材上に配置することを含む。一実施形態では、起伏表面形状の幅は、５マイクロメートル未満、または２マイクロメートル未満、または１００ｎｍから５００ｎｍ、または２５ｎｍから１００ｎｍ、または５から２５ｎｍである。一実施形態では、起伏表面形状の長さは、起伏表面形状の幅よりも長く、長さは、二次元材料のシートのサイズによって制限される。一実施形態では、起伏表面形状の密度は、１％から３０％である。一実施形態では、少なくとも１つの起伏表面形状は、公知の化学的および／または機械的エッチング技術によって形成されてよく、ナノインプリントリソグラフィ、電子ビームリソグラフィなどのリソグラフィ技術、および自己組織化法が挙げられる。
【００２７】
一態様では、媒体中のコンポーネントを選択的に分離するためのろ過膜は、穿孔された二次元材料の少なくとも２つのシートを含み、各シートは、複数の選択性ポアおよび複数の非選択性ポアを有し、ここで、複数の選択性ポアは、媒体中の指定されたコンポーネントを透過させるサイズとされ、複数の非選択性ポアは、指定されたコンポーネントおよび指定されたコンポーネントよりも大きいコンポーネントを透過させ、ならびにここで、複数の選択性ポアおよび複数の非選択性ポアは、穿孔された二次元材料の各シート全体にランダムに分布されており、ならびにここで、穿孔された二次元材料のシートは、互いに隣接して配置され、穿孔された二次元材料のシートのうちの１つの複数の選択性ポアは、穿孔された二次元材料の隣接するシートの複数の選択性ポアに対してランダムに整列されており、および前記複数の非選択性ポアは、穿孔された二次元材料の前記隣接するシートの前記複数の非選択性ポアに対してランダムに整列されている。一実施形態では、穿孔された二次元材料の前記シートは、整列されたポアを通してのみ流路を提供するように配置されている。一実施形態では、ろ過媒体は、穿孔された二次元材料の２つのシートのうちの少なくとも１つと直接接触している表面を有する支持基材をさらに備える。一実施形態では、穿孔された二次元材料は、流路のサイズがコンポーネント分離に寄与するように、二次元材料のシート間に選択性流路を提供するように積層される。例えば、一実施形態では、二次元シート間の分離距離は、１つのコンポーネント（例：所望されるコンポーネント）の平均有効径よりも大きいが、別のコンポーネント（例：不要コンポーネント）の平均有効径よりも小さい。この例では、不要コンポーネントは、濃縮物中に残される。しかし、別の実施形態では、小さい方のコンポーネントが、不要コンポーネントであってよく、大きい方のコンポーネントが、所望されるコンポーネントであってよい。この例では、所望されるコンポーネントが濃縮物中に残される。一実施形態では、穿孔された二次元材料は、前記二次元材料のシート間に非選択性流路を提供するように積層される。非選択性流路は、所望されるコンポーネントの平均有効径および不要コンポーネントの平均有効径よりも大きい二次元シート間の分離距離によって提供される。
【００２８】
一実施形態では、ろ過膜は、逆浸透、ナノろ過、限外濾過、精密濾過、正浸透、または浸透蒸発分離のために構成された筐体をさらに備える。例えば、筐体は、入口部、出口部、１つ以上の側壁部などを含んでよい。
【００２９】
一態様では、ろ過膜は、穿孔された二次元材料のシートと支持基材との間に配置された複数のスペーサー要素を備える。一実施形態では、ろ過膜は、第一の複数のスペーサー要素を、穿孔された二次元材料の第一のシートと、構造基材の表面および穿孔された二次元材料の第二のシートの表面のうちの少なくとも１つとの間に配置することを含む方法によって作製される。一実施形態では、この方法は、穿孔された二次元材料の第一または第二のシートの別の側の表面上に構造基材を提供することをさらに含む。
【００３０】
本明細書で述べる構造物はすべて、開示される方法の１つ以上によって作製されてよく、本明細書で開示される方法はすべて、開示される構造物の１つ以上を作製するために用いられてよい。
【００３１】
上記では、以下の詳細な記述をより良く理解可能とするために、本開示の特徴を概説した。本開示のさらなる特徴および利点を以降で述べる。これらおよびその他の利点ならびに特徴は、図面と合わせて、以下の記述からより明らかとなるであろう。
【００３２】
本発明のこれらおよびその他の特徴ならびに利点は、以下の記述、添付の請求項、および縮尺を合わせて描かれてはいない添付の図面を参照することでより良く理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】図１は、本明細書で開示される構造物の二次元材料であってよいグラフェンの概略図である。
【図２】図２は、穿孔された二次元材料のシート間に（Ａ、Ｃ、Ｄ、Ｅ、Ｆ）および／または穿孔された二次元材料と支持基材との間に（Ｂ、Ｅ、Ｆ）スペーサー要素を有する本発明に従ういくつかの代表的な構造物の概略図である。幾つかの実施形態では、構造物は、スペーサー要素の２つ以上の層（Ｅ、Ｆ）および／または互いに直接接触している２つ以上の穿孔された二次元材料（Ｄ、Ｆ）を含んでよい。
【図３】図３は、穿孔誘発ポア、固有欠陥、および加工欠陥を有する二次元シートの概略図であり、ここで、これらの表面形状のいずれからも、媒体からろ過されるべきコンポーネントに応じて、選択性ポアおよび非選択性ポアを得ることができ、ここで、ほとんどの穿孔誘発ポアは、選択性であり、ほとんどの欠陥は、非選択性である。
【図４】図４は、二次元材料の積層体の概略図である。
【図５】図５は、積層された単層グラフェンシートを通される５０ｎｍ金ナノ粒子の流速対阻止パーセントのグラフである。
【図６】図６は、積層された少数層グラフェンシートを通される５ｎｍ金ナノ粒子の流速対阻止パーセントのグラフである。
【図７】図７は、（Ａ）５０ｐｓｉまたは１５０ｐｓｉ、および（Ｂ）１５０ｐｓｉ、３００ｐｓｉ、４５０ｐｓｉ、または６００ｐｓｉの圧力における、累積透過物体積対透過物流速を左側のｙ軸に、塩化ナトリウム阻止パーセントを右側のｙ軸に示すグラフである。
【図８】図８は、塩化ナトリウム阻止を実証している２つのグラフェン単層の積層体を示す一連の高解像度画像である。
【図９】図９は、構造基材上に複数の二次元膜を備える構造物の断面概略図である。
【図１０】図１０は、構造基材上に配置された複数の二次元膜を備える構造物の断面概略図であり、ここで、二次元膜は、複数のスペーサー要素によって分離されている。
【図１１】図１１は、二次元材料の積層体の概略図であり、ここで、本発明の実施形態に従って、高密度の非選択性ポアおよび低密度の選択性ポアが用いられている。
【図１２】図１２は、二次元材料の積層体の概略図であり、ここで、本発明の実施形態に従って、低密度の非選択性ポアが用いられている。
【図１３】図１３は、グラフェン層中の孔部と構造基材中の孔部との整列不良を示す概略図である。
【図１４】図１４は、構造基材の表面上に分散されたカーボンナノ構造の層上に配置されたグラフェンを備える構造物を示す概略図である。
【図１５】図１５は、穿孔されたグラフェンまたは別の二次元材料のポアを開放するために、カーボンナノチューブまたはその他の材料がどのように使われ得るかを示す概略図である。
【図１６】図１６は、（Ａ）分岐された、（Ｂ）架橋された、および／または（Ｃ）壁部を共有しているカーボンナノチューブの説明のための描写を示す概略図である。
【図１７】図１７は、寸法（ｌ、ｗ、またはｈ）を有するカーボンナノ構造フレーク材料の、その材料を成長基材から単離した後の説明のための描写を示す概略図である。
【図１８】図１８は、厚さ２０μｍおよびポアサイズ１００ｎｍを有するＴＥＰＣ基材の（Ａ）カーボンナノ構造体がその上に堆積された光沢側、および（Ｂ）（ＣＮＳが存在しない）無光沢側の５μｍ解像度での実例としてのＳＥＭ画像を示す。
【図１９】図１９は、ＴＥＰＣ上に堆積された未修飾カーボンナノ構造体の（Ａ）２０μｍ解像度および（Ｂ）５μｍ解像度での実例としてのＳＥＭ画像を示す概略図である。
【図２０】図２０は、２：１溶液からＴＥＰＣ上に堆積されたカーボンナノ構造体の（Ａ）２０μｍ解像度および（Ｂ）５μｍ解像度での実例としてのＳＥＭ画像を示す概略図である。
【図２１】図２１は、５：１溶液からＴＥＰＣ上に堆積されたカーボンナノ構造体の（Ａ）２０μｍ解像度および（Ｂ）５μｍ解像度での実例としてのＳＥＭ画像を示す概略図である。
【図２２】図２２は、支持基材の表面に作製された起伏表面形状が、穿孔されたグラフェンまたは別の二次元材料のポアを開放して、透過物のためのフローチャネルを提供するためにどのように使われ得るかを示す概略図である。
【図２３】図２３は、図１３に示される構造物などのブロックされたポアを有する構造物に対して、図２２の起伏表面形状を用いてポアを開放する効果を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００３４】
穿孔された二次元材料および多孔性支持基材を備える構造物の透過度を改善するための設計が開示される。開示される構造物は、二次元材料の個々の原子の薄さのシートの積層を実現して、構造物内での流れ（例：横方向の流れ）を増加させ、および単一のシート内の欠陥の影響を低減する。幾つかの実施形態では、材料の複数のシートを用いることにより、透過度を大きく低下させることなく、選択性および機械的性能が改善される。開示される構造物の多くは、スペーサー要素の層上に支持されたグラフェン、グラフェン系、またはその他の二次元材料を含有する。
【００３５】
グラフェンは、その好ましい機械的および電子的特性のために、数多くの用途での使用について幅広い関心を集めてきた。グラフェンに対して提案されてきた用途としては、例えば、光学デバイス、機械的構造物、および電子デバイスが挙げられる。上述の用途に加えて、ろ過または分離用途のための穿孔されたグラフェンおよびその他の二次元材料にある程度の関心が集められており、ここで、穿孔された材料は、脱塩または分子ろ過プロセスなどの分野における既存の膜よりも桁違いに高い透過度値を与えることができる。ろ過および分離用途において、穿孔されたグラフェンは、その与えられた用途のための特定の多孔度および透過度の構造基材を提供し、同時に、高品質のグラフェン被覆のための平滑で適切な界面も提供する基材に適用されてよい。そうでなければ、構造基材の表面モルホロジーは、グラフェンを損傷し、使用に適する基材の種類を制限し得る。ある場合では、グラフェンまたはその他の二次元材料への損傷を回避するためには、約５０ｎｍ以下の表面粗度が必要であり得る。
【００３６】
グラフェン系材料としては、これらに限定されないが、単層グラフェン、多層グラフェン、または相互接続単層もしくは多層グラフェンドメイン、およびこれらの組み合わせが挙げられる。幾つかの実施形態では、多層グラフェンは、２から２０層、２から１０層、または２から５層を含む。幾つかの実施形態では、グラフェンが、グラフェン系材料中の主要な物質である。例えば、グラフェン系材料は、少なくとも３０％のグラフェン、または少なくとも４０％のグラフェン、または少なくとも５０％のグラフェン、または少なくとも６０％のグラフェン、または少なくとも７０％のグラフェン、または少なくとも８０％のグラフェン、または少なくとも９０％のグラフェン、または少なくとも９５％のグラフェンを含む。幾つかの実施形態では、グラフェン系材料は、３０％から９５％、または４０％から８０％、または５０％から７０％から選択される範囲のグラフェンを含む。
【００３７】
本明細書で用いられる場合、「ドメイン」とは、原子が結晶格子中に均一に整列されている材料の領域を意味する。ドメインは、その境界内では均一であるが、隣接する領域とは異なっている。例えば、単結晶材料は、整列された原子の単一ドメインを有する。一実施形態では、グラフェンドメインの少なくともいくつかは、１から１００ｎｍまたは１０から１００ｎｍのドメインサイズを有するナノ結晶である。一実施形態では、グラフェンドメインの少なくともいくつかは、１００ｎｍ超から１００ミクロンまで、または２００ｎｍから１０ミクロン、または５００ｎｍから１ミクロンのドメインサイズを有する。各ドメインのエッジ部での結晶学的欠陥によって形成される「結晶粒界」が、隣接する結晶格子間を区別する。幾つかの実施形態では、第一の結晶格子は、シートの面に対して垂直である軸周りに回転することで、隣接する第二の結晶格子に対して回転されていてよく、それによって、２つの格子は、「結晶格子配向」が異なる。
【００３８】
一実施形態では、グラフェン系材料のシートは、単層もしくは多層グラフェン、またはこれらの組み合わせのシートを含む。一実施形態では、グラフェン系材料のシートは、単層もしくは多層グラフェン、またはこれらの組み合わせのシートである。別の実施形態では、グラフェン系材料のシートは、複数の相互接続単層または多層グラフェンドメインを含むシートである。一実施形態では、相互接続ドメインは、一緒に共有結合されてシートを形成している。シート中のドメインの結晶格子配向が異なっている場合、シートは、多結晶である。
【００３９】
幾つかの実施形態では、グラフェン系材料のシートの厚さは、０．３４から１０ｎｍ、０．３４から５ｎｍ、または０．３４から３ｎｍ、または０．５から２ｎｍである。グラフェン系材料のシートは、固有欠陥を含んでいてよい。固有欠陥は、グラフェン系材料の作製から意図せず発生する欠陥であり、グラフェン系材料のシートまたはグラフェンのシートに選択的に導入される穿孔部とは対照的である。そのような固有欠陥としては、これらに限定されないが、格子異常、ポア、裂け目、クラック、またはシワが挙げられる。格子異常としては、これらに限定されないが、６員環以外の炭素環（例：５、７、または９員環）、空隙、格子内欠陥（格子中での非炭素原子の組み込みを含む）、および結晶粒界が挙げられ得る。
【００４０】
一実施形態では、グラフェン系材料のシートを含む層は、グラフェン系材料のシートの表面に位置する非グラフェン炭素系材料をさらに含む。一実施形態では、非グラフェン炭素系材料は、長距離秩序を有さず、アモルファスとして分類され得る。幾つかの実施形態では、非グラフェン炭素系材料は、炭素以外の元素および／または炭化水素をさらに含む。非グラフェン炭素系材料に組み込まれてよい非炭素物質としては、これらに限定されないが、水素、炭化水素、酸素、ケイ素、銅、および鉄が挙げられる。幾つかの実施形態では、炭素は、非グラフェン炭素系材料中の主要な物質である。例えば、非グラフェン炭素系材料は、少なくとも３０％の炭素、または少なくとも４０％の炭素、または少なくとも５０％の炭素、または少なくとも６０％の炭素、または少なくとも７０％の炭素、または少なくとも８０％の炭素、または少なくとも９０％の炭素、または少なくとも９５％の炭素を含む。幾つかの実施形態では、非グラフェン炭素系材料は、３０％から９５％、または４０％から８０％、または５０％から７０％から選択される範囲の炭素を含む。
【００４１】
一実施形態では、本発明の構造物および方法に適する二次元材料は、広がった平面分子構造および原子レベルの厚さを有するいかなる物質であってもよい。二次元材料の特定の例としては、グラフェン膜、グラフェン系材料、遷移金属ジカルコゲナイド、酸化金属、水酸化金属、酸化グラフェン、α‐窒化ホウ素、シリコーン、ゲルマネン、ＭＸエン、または同様の平面構造を有するその他の材料が挙げられる。遷移金属ジカルコゲナイドの具体例としては、モリブデンジスルフィドおよびニオブジセレニドが挙げられる。酸化金属の具体例としては、五酸化バナジウムが挙げられる。本開示の実施形態に従うグラフェンまたはグラフェン系膜としては、単層もしくは多層膜、またはこれらのいずれかの組み合わせが挙げられ得る。適切な二次元材料の選択は、グラフェン、グラフェン系材料、またはその他の二次元材料が最終的に配置されることになる化学的および物理的環境、二次元材料の穿孔の容易さなどを含むいくつかの因子によって決定され得る。
【００４２】
複数のポアをグラフェン、またはグラフェン系膜、またはその他の二次元材料に導入するために用いられる技術は、特に限定されるとは考えられず、様々な化学的および物理的穿孔技術が挙げられ得る。適切な穿孔技術としては、例えば、粒子衝突、化学的酸化、リソグラフィパターン化、電子ビーム照射、化学蒸着を介するドーピング、またはこれらのいずれかの組み合わせが挙げられ得る。幾つかの実施形態または他の実施形態では、グラフェン、またはグラフェン系膜、またはその他の二次元材料に対する穿孔プロセスは、その上にスペーサー要素を堆積する前に適用されてよい。幾つかの実施形態では、グラフェン、またはグラフェン系膜、またはその他の二次元材料に対する穿孔プロセスは、その上にスペーサー要素が堆積された後に適用されてよい。幾つかの実施形態では、グラフェン、グラフェン系材料、またはその他の二次元材料におけるポアの導入は、それがその成長基材と接着している間に行われてよい。さらに他の実施形態では、グラフェン、またはグラフェン系膜、またはその他の二次元材料は、グラフェン、またはグラフェン系膜、またはその他の二次元材料が、成長基材のエッチングなどによってその成長基材から取り外され後に穿孔されてよい。
【００４３】
幾つかの実施形態では、本明細書で述べる構造物は、ろ過操作を行うために用いることができる。ろ過操作としては、限外濾過、精密濾過、ナノろ過、分子ろ過、逆浸透、正浸透、浸透蒸発分離、またはこれらのいずれかの組み合わせが挙げられ得る。穿孔されたグラフェン、グラフェン系、またはその他の二次元材料によってろ過される物質は、所望されるろ液は穿孔された二次元材料内のポアを透過させ、一方、二次元材料の反対側には濃縮物質が保持されるいかなる物質を構成していてもよい（固体、液体、または気体）。ナノメートルまたはサブナノメートルサイズのポアを含む二次元材料を用いてろ過することができる物質としては、例えば、鉄、小分子、ウイルス、タンパク質などが挙げられる。幾つかの実施形態では、本明細書で述べる穿孔された二次元材料は、水の脱塩、気相分離、または水浄化の用途に用いることができる。
【００４４】
「直接」および「間接的に」の用語は、１つのコンポーネントの別のコンポーネントに対する作用または物理的位置を述べる。例えば、別のコンポーネントに対して「直接」作用または接触するコンポーネントは、仲介物の介入なしで作用または接触する。逆に、別のコンポーネントに対して「間接的に」作用または接触するコンポーネントは、仲介物（例：第三のコンポーネント）を通して作用または接触する。
【００４５】
図１は、全体で二次元ハニカム格子を形成する六角形環構造の繰り返しパターンを定める炭素原子のグラフェンシート１０を示す。直径１ｎｍ未満の格子間開口部１２が、シート中の各六角形環構造によって形成される。より詳細には、完全な結晶グラフェン格子中の格子間開口部は、その最長寸法が約０．２３ナノメートルであると算出される。従って、グラフェン材料は、穿孔誘発または固有のポアが存在しない限り、グラフェンシートの厚さ方向にわたるいかなる分子の輸送も不可能とする。理論的に完全な単層グラフェンシートの厚さは、およそ０．３ｎｍである。さらに、グラフェンは、鋼鉄の約２００倍の破壊強度、１Ｎ／ｍから５Ｎ／ｍの範囲のばね定数、および約０．５ＴＰａのヤング率を有する。薄さおよび強度は、ろ過用途に有益であり、ここで、より薄くなることで膜の厚さ方向の閉塞が防止され、強度によって、高圧力での操作が可能となる。グラフェンの表面特性を、付着汚れの影響を低減するために用いることもでき、グラフェンシートの、またはグラフェン中のポアの官能化は、所望される特性をさらに向上させるために用いることができる。
【００４６】
図２は、本発明に従ういくつかの代表的構造物１０の概略図である。幾つかの実施形態では、構造物１０は、穿孔された二次元材料のシート１２の間に、スペーサー要素１６の層１４を備える。例えば、図２Ａ、Ｃ、Ｄ、Ｅ、およびＦを参照されたい。幾つかの実施形態では、構造物１０は、穿孔された二次元材料のシート１２と支持基材１８との間に配置されたスペーサー要素１６の層１４を備える。例えば、図２Ｂ、Ｅ、およびＦを参照されたい。幾つかの実施形態では、構造物１０は、スペーサー要素１６の２つ以上の層１４（１）および１４（２）を備える。例えば、図２ＥおよびＦを参照されたい。幾つかの実施形態では、構造物１０は、互いに直接接触している２つ以上の穿孔された二次元材料１２を備える。例えば、図２ＤおよびＦを参照されたい。
【００４７】
図３は、単一の原子の薄さの二次元シート１６を備える先行技術のろ過膜１４を示す。シート１６は、複数のポア１８、２０を備え、これらは、当業者に公知のいかなる手段によって形成されてもよい。一実施形態では、シート１６は、複数の選択性サイズのポア１８を備える。これらは、穿孔誘発ポアと称される場合もある。穿孔誘発ポアの数および間隔は、必要に応じて制御されてよい。ポア１８は、意図的に形成され、特定のコンポーネントの透過は可能とし、ポアサイズよりも大きいコンポーネントの透過は不可能とするように、所定のサイズとなるように選択される。そのようなポアは、「選択性ポア」と称される場合がある。シートのポアもしくは表面の官能化、または考え得る電荷の適用を用いて、ポアを通しての選択性にさらに影響を与えてよい。複数の欠陥ポア２０も、シート１６に形成されるか、またはシート１６に固有に存在し得る。欠陥ポア２０は、「非選択性ポア」と称される場合もある。非選択性ポア２０は、一般的に、選択性ポア１８よりも非常に大きいサイズであり、シート１６全体にランダムに分布される。非選択性ポア２０は、所望される分離またはろ過操作を行わないいかなるポアであってもよい。使用時、流動媒体３０が、ろ過目的でシート１６に適用されてよい。既知サイズである所望されるコンポーネント３２および所望されるコンポーネント３２よりも大きい不要コンポーネント３４を含む気体または液体であってよい媒体３０。示されるように、不要コンポーネント３４は、非選択性ポア２０を透過することができ、それによって、膜１４の阻止効果が低下する。
【００４８】
図４を参照すると、複数の二次元シート１６が互いの上に積層されて膜４０を形成していることが分かる。一実施形態では、シート１６は、互いに接触して積層されていてよい。別の実施形態では、シート１６は、スペーサー要素の層または二次元材料の部分層など、シートが間接的に接触するようにシート間に配置された中間層を有していてよい。さらに別の実施形態では、構造物は、互いに直接接触しているシートおよび互いに間接的に接触しているシートの組み合わせを含んでよい。これらの実施形態のすべてにおいて、媒体３０が膜４０に適用された場合、ポア１８よりも小さいサイズのコンポーネント３２は、膜４０を透過する。ポア１８よりも大きいサイズの不要コンポーネント３４は、シート１６のうちの１つの非選択性ポア２０を透過し得る。しかし、不要コンポーネント３４が第二および／または第三のシート１６を透過する能力は、統計的確率の問題として、大きく低下する。従って、多孔性支持基材を含んでよい膜４０は、コンポーネント３２は透過させるが、すべてではないにしても、著しい数の不要コンポーネント３４をブロックする。幾つかの実施形態では、ポア１８および２０は、ランダムに整列されるか、または意図的に整列不良とされ、それによって、不要コンポーネント３４が膜４０を通って流れる可能性が大きく低減される。
【００４９】
高解像度イメージング、ならびに拡散および対流流体試験（diffusive and convective fluid testing）を用いて、１、２、および３シートグラフェン積層体の特性を評価した。図５に示されるように、水媒体中を運ばれる５０ｎｍ金粒子は、積層体中のグラフェンシートの数に基づいて、異なる度合いで阻止されている。グラフェンシートは、化学蒸着によって作製し、イオン衝突によって穿孔した。各シートの選択性ポアは、およそ１ｎｍの有効径であると考えられた。単層グラフェンシートの数を増加させた場合、対応する流速の低下と共に、５０ｎｍ金ナノ粒子の阻止率の増加が示された。
【００５０】
図６に示されるように、水媒体中を運ばれる５ｎｍ金ナノ粒子は、積層体中の少数層グラフェンシートの数に基づいて、異なる度合いで阻止された。シートは、化学蒸着によって作製し、イオン衝突によって穿孔した。各シートの選択性ポアは、およそ１ｎｍの有効径であると考えられた。少数層グラフェンシートの数を増加させた場合、対応する流速の低下と共に、５ｎｍ金ナノ粒子の阻止率の増加が示された。
【００５１】
図７に示されるように、単層グラフェンの２シート積層体において、最大６７％の塩化ナトリウム阻止率が達成された。これらのシートは、化学蒸着によって作製し、イオン衝突によって穿孔した。各シートの選択性ポアは、およそ１ｎｍの有効径であると考えられた。グラフＡにおいて、操作圧力は、回収された透過物の最初の５０ｍＬに対しては５０ｐｓｉであり、続いて、試験の残りの部分に対しては１５０ｐｓｉであった。対応して流速が上昇していることが分かる。グラフＢでは、操作圧力は、１５０ｐｓｉ、３００ｐｓｉ、４５０ｐｓｉ、または６００ｐｓｉであった。図８は、塩化ナトリウム阻止の例証に用いた２シート単層グラフェン積層体からの単一シートの高解像度画像（透過モードのＳＥＭ）を示す。選択性および非選択性穿孔誘発ポアの組み合わせ、ならびに固有欠陥を見ることができる。
【００５２】
図９は、積層された二次元材料５２、５４を備える構造物５０の一実施形態を示し、ここで、二次元材料の隣接するシート５２および５４は、多孔性支持基材５６によって支持されている。示されるように、シート５２および５４は、直接接触しているか、または非常に近接した間隔で配置されており、それによって、シート間の媒体の流れが不可能とされる。さらに、シート５２は、選択性ポア５８および非選択性ポア６０を有し、一方シート５４は、選択性ポア６２および非選択性ポア６４を有する。多孔性支持基材５６は、ポア５８、６０、６２、および／または６４と整列されていても、部分的に整列されていても、または整列されていなくてもよい開口部６８を有する。この実施形態は、非選択性ポアの密度が高く、選択性ポアの密度が低く、そのために、全体構造に対する選択性の喪失を軽減することが望ましい場合に用いられてよい。図９において、経路２、３、４、５、７、および８は、隣接するシートまたは多孔性支持基材のいずれかによってブロックされており、一方、経路１、６、および９は、ポア５８および６２、ならびに基材の開口部またはポア６８を透過する選択されたコンポーネントの通路に対して開放されている。
【００５３】
図１０は、積層された二次元材料５２、５４を備える構造物８０の一実施形態を示し、ここで、二次元材料のシート５２、５４は、シート間に配置されたスペーサー要素８２によって分離されている。例えば、スペーサー要素８２は、ナノ粒子、ナノ構造体、ＣＮＴ、または類似の構造体であってよい。スペーサー要素８２のサイズおよび分布を用いて、二次元材料のシート間の間隔または平均距離を制御することができる。
【００５４】
一実施形態では、二次元材料のシート５２、５４間の間隔は、非常に小さいため、不要コンポーネントは、その空間を透過する、または通って流れることができない。その結果、すべての縦および横方向の経路は、選択性ポア５８および６２よりも小さく、二次元材料間の分離距離よりも小さいサイズのコンポーネントに対して開放されている。しかし、経路４および７によって明らかなように、コンポーネントは、開口部６８以外、支持基材５６の表面に隣接するポアを透過することはできない。しかし、経路９のように、隣接するシート中の非選択性ポア６０、６４が互いに、および開口部６８と整列されている場合、不要コンポーネントが構造物を透過することは可能である。この実施形態は、シート間の媒体の横方向の流れを提供し、同時に、媒体中の特定のコンポーネントに対する選択性を増加または維持するために用いられてよい。そのような構成は、例えば、図１１に例として示されるように、単一シート中の選択性ポアの密度が、非選択性ポアの密度と比較して小さい場合、有益であり得る。図１１において、シート５２は、シート５４の前に存在し、シート５４の表面形状は、影を付けて示される。
【００５５】
図１０はまた、二次元材料のシート５２、５４を積層して、シート間の非選択性流を可能とすることができる一実施形態も示している。そのような実施形態は、隣接する二次元シート５２と５４との間の距離を、ほとんどの不要コンポーネントの有効径よりも大きくすることによって実行されてよい。隣接する二次元シート間の距離は、スペーサー要素８２のサイズおよび分布を適切に選択することによって制御されてよい。すべての縦および横方向の経路は、二次元材料間の分離距離よりも小さいサイズのすべてのコンポーネントに対して開放されている。しかし、経路４および７によって明らかなように、コンポーネントは、開口部６８以外、支持基材５６の表面に隣接するポアを透過することはできない。この実施形態では、経路３および９のように、隣接するシート中の非選択性ポア６０、６４が互いに整列不良である場合であっても、開口部６８が非選択性ポアと整列されている限りにおいて、不要コンポーネントが構造物を透過することは可能である。この実施形態は、シート中の選択性ポアの密度が高く、それによって、第一のシートを透過する非選択性コンポーネントが、第二のシート中の非選択性ポアに遭遇する前に、第二のシート中の選択性ポアと遭遇する可能性が高くなる場合に用いられてよい。このタイプの構成を、例えば図１２に示す。図１２において、シート５２は、シート５４の前に存在し、シート５４の表面形状は、影を付けて示される。
【００５６】
図９および１０に示される実施形態の利点は、非選択性ポアが存在してもよく、およびそれが、構造物の選択性を大きく劣化させることなく、構造物の全体としての透過性に寄与することである。互いの上に積層された少なくとも２つのシートが、単一シート中の非選択性ポア（例：裂け目）の影響を低減または排除する。二次元材料の積層されたシートを含むフィルター構造を作り出すことにより、品質のより低いシートを用いて、「完全な」単一シートに匹敵する性能を得ることができる。非選択性欠陥は、材料の隣接するシートによって覆われるか、または「塞がれ」、それによって、材料を「修復」する必要性が低減または排除される。幾つかの実施形態では、所望される性能特性は、（１もしくは複数の）二次元材料を、個別のシートまたは積層されたシートとして前処理して目標とする穿孔サイズを達成することによって得ることができる。
【００５７】
複数の二次元シートを直接積層することを介して単一の二次元シート中の非選択性ポアの影響を低減または排除することに加えて、本明細書で開示される構造物は、透過度および構造物内の横方向の流れを向上させるために、ならびにスペーサー要素の層を、そうでなければ粗過ぎて二次元材料を受けることができない基材表面上に提供することによって有用な支持基材の選択を広げるために、二次元シートの間接的な積層も提供することができる。
【００５８】
開示される構造物にスペーサー要素を組込むために、様々な方法が用いられてよい。ナノ粒子、ナノチューブ、およびフレークなどの構造体が、水溶液などの溶液から、キャスティング、スプレー、またはスピンコーティングによって堆積されてよい。ナノ粒子またはフラーレンの堆積に、確率的衝突（stochastic bombardment）が用いられてよい。スペーサーはまた、薄膜を適用し、続いて成熟させて（ripening）粒子を形成することによって作製されてもよい。部分層の形態のスペーサーは、リソグラフィによって作製し、所望される寸法にパターン化してよい。そのような部分層は、別の基材上にパターン化されて、次にスペーサー要素として作用するために活性層（例：二次元シート）に移されてよい。さらなる実施形態では、三次元構造体の剥離を用いて、スペーサー要素の所望される厚さに到達するまで材料の剥離および分離が行われてよい。
【００５９】
現在までのところ、基材の選択は、典型的には、非常に明確な円筒形状ポアを有するトラックエッチングポリカーボネート（ＴＥＰＣ）などの非常に平滑な材料に限定されてきた。この手法では、グラフェンまたはその他の二次元材料の適切な支持が得られる結果となり得るが、グラフェン層中の孔部と構造基材中の孔部との整列不良を示す図１３に示されるように、二次元材料および構造基材の両方にある孔部の利用効率が低下する結果にもなり得る。図面に用いられるように、ロックヒードマーチンコーポレーション（Lockheed Martin Corporation）の製品であるＰＥＲＦＯＲＥＮＥ（商標）の用語は、穿孔されたグラフェンまたはグラフェン系材料を意味するために用いられるが、その他の二次元材料が類似の方法で用いられてもよいことは認識されたい。上述のシナリオでは、非常に低い有効ろ過パーセントが得られ得る。例えば、二次元材料の３％の多孔度および構造基材の５％の多孔度では、最大有効ろ過パーセントは、ポアが完全に整列されている場合であっても、僅かに約０．１５％の有効多孔度であり得る。すなわち、有効ろ過パーセントは、乗法的である。ブロックされている領域が存在することから、実際には、有効ろ過パーセントは、理論的に可能であるよりも非常に低い。
【００６０】
本明細書で開示される構造物は、構造基材と、グラフェン、グラフェン系、またはその他の二次元材料との間に横方向の透過性層を有することで、構造物の安定性に大きな影響を与えることなく、または二次元材料を損傷することなく、構造物の有効多孔度が高められている。例えば、カーボンナノ構造体（ＣＮＳ）またはカーボンナノチューブ系材料などのスペーサー要素の層が、穿孔されたグラフェン層とその構造基材との間に配置されて、これまでブロックされていたポアに対する増加された横方向の流れの形態で多孔度が高められる。図１４は、構造基材上のスペーサー要素の層（例：カーボンナノ構造体）上に配置されたグラフェンを含有する構造物の説明のための概略図を示し、この場合、スペーサー要素の層の使用により、二次元層および構造基材の両方のポアの利用を高めることが可能となる。図１４に示されるように、これまでブロックされていたＴＥＰＣおよびグラフェンのポアは、ここでは、スペーサー要素の層中のカーボンナノ構造体が多孔性であることにより、互いに横方向のアクセスが可能である。さらに、場合によっては、グラフェンまたはその他の二次元材料がスペーサー要素に適用された場合、構造基材を完全に省略することもできる。例えば、スペーサー要素がカーボンナノ構造体である場合、支持基材が省略されてよい。少なくとも、スペーサー要素（例：カーボンナノチューブ）の機械的特性が、構造基材を補強可能である。
【００６１】
より一般的には、図１５は、穿孔されたグラフェンおよびその他の穿孔された二次元材料中のポアを開放し、それによって選択性ポアの合計面積の非選択性ポアの合計面積に対する比率を高めるために、カーボンナノチューブまたはその他の材料がどのように使われ得るかを示す。具体的には、穿孔されたグラフェンまたはその他の二次元材料を構造基材から「持ち上げる」ことにより、所望される透過物が通るための充分な空間が存在すれば、基材表面に沿った横方向の流れを可能とすることができる。横方向の流れを発生させるスペーサー要素として、本明細書においてカーボンナノ構造体について記載してきたが、別の選択肢としての材料が用いられてもよいことは認識されたい。横方向の流れを発生させるその他の実例としての材料としては、例えば、カーボンナノチューブおよびエレクトロスピニングファイバーが挙げられる。
【００６２】
加えて、カーボンナノ構造体（ＣＮＳ）を用いることによって、多孔度のより低い構造基材の使用を可能とすることができ、それは、グラフェン、グラフェン系、またはその他の二次元材料および構造基材の両方の孔部の非効率な利用から来る有効多孔度の「乗法的な」低下が本質的に存在しないからである。逆に、グラフェンまたはその他の二次元材料中に不要な欠陥が存在する場合、構造基材のより低い透過度に起因して、それらによる影響を最小限に抑えることができる。さらに、さらなる構造支持体なしで、または高透過性支持体と共にスペーサー要素を用いることによって、選択性ポアの合計面積の非選択性ポアの合計面積に対する比率を高めることができ、それによって、不要コンポーネントのより高い阻止率が得られる。加えて、スペーサー要素は、支持されていない範囲が狭くなることにより、グラフェンもしくはその他の二次元材料中の裂け目またはその他の損傷による影響を軽減することもできる。
【００６３】
本明細書で用いられる場合、「カーボンナノ構造体」の用語は、嵌合、分岐、架橋されることにより、および／または互いに共通の壁部を共有することにより、ポリマー構造体として存在し得る複数のカーボンナノチューブを意味する。カーボンナノ構造体は、そのポリマー構造体の基本モノマー単位としてカーボンナノチューブを有するものと見なされ得る。図１６は、（Ａ）分岐された、（Ｂ）架橋された、および／または（Ｃ）壁部を共有するカーボンナノチューブの説明のための図を示す。カーボンナノ構造体は、その全内容が参照により本明細書に援用される米国特許出願第１４／０３５，８５６号（米国特許出願公開第２０１４／００９３７２８号）に記載のように、ファイバー材料上にカーボンナノチューブを成長させ、続いて形成されたカーボンナノ構造体を、フレーク材料の形態でそこから取り外すことによって作製されてよい。図１７は、カーボンナノ構造体を成長基材から単離した後の、カーボンナノ構造フレーク材料の説明のための図を示す。幾つかの実施形態では、カーボンナノ構造体は、直径約１０〜２０ｎｍおよびピッチ約３０ｎｍのカーボンナノチューブを含有してよく、それにより、有効平均ポア径は、約１０ｎｍから約１００ｎｍの範囲にわたる約３０ｎｍから約５０ｎｍとなる。カーボンナノ構造体は、カーボンナノチューブの合成後に化学的に架橋されたカーボンナノチューブとは構造が異なっていると考えられる。別の実施形態では、その上でカーボンナノ構造体の成長が行われるファイバー材料との融合が維持されているカーボンナノ構造体も、本明細書で述べる構造物中のスペーサー層として用いられてよい。
【００６４】
修飾カーボンナノ構造体は、本明細書で述べる実施形態に従うグラフェン、グラフェン系、またはその他の二次元材料を支持するその能力において、未修飾カーボンナノ構造体と異なっていると考えられる。幾つかの実施形態では、カーボンナノ構造体の薄層が、構造基材の表面上に堆積され（例：カーボンナノ構造体の分散液から）、その層が乾燥される。カーボンナノ構造体またはそれから形成された層は、構造基材上にコンフォーマルな層が得られるように自己平滑化（self-smoothing）するために化学的に修飾されてよく、それによって、カーボンナノ構造層は、グラフェンまたは別の二次元材料をその上に適用するのに充分な表面平滑性を有する。未修飾カーボンナノ構造体のマットは、対照的に、その上にグラフェンまたはその他の二次元材料を有効に支持するための充分な表面平滑性を持つコンフォーマルなコーティングを構造基材上に形成しないと考えられる。平滑なＣＮＳ層を作り出すための化学的処理は、空気などの酸化性環境中での熱処理、酸処理、強アルカリ性溶液もしくは溶融アルカリ性化合物による活性化、またはプラズマ処理を含み得る。加えて、ＣＮＳの分散を促進して平滑な層を形成するために、界面活性剤（アニオン性、カチオン性、非イオン性、および極性ポリマーを含む、水溶液中のＰＶＰおよびＰＶＡなど）も用いられてよい。幾つかの実施形態では、カーボンナノ構造体の層は、約１０００ｎｍ以下、特に、約５００ｎｍ以下の厚さを有してよい。
【００６５】
カーボンナノ構造体は、グラフェンシートと組成が非常に類似している織り合わせられたカーボンナノチューブから構成されることから、ＣＮＳスペーサー要素の層は、極めて高い強度が可能である一方で、それでも、構造基材の表面上で、グラフェンとほぼ同じように挙動する。さらに、カーボンナノ構造体の組成がグラフェンと類似していることにより、カーボンナノ構造体とグラフェン自体との間での強い分子相互作用（例：パイ−パイ結合、ファンデルワールス力など）またはその他の非結合炭素−炭素相互作用を促進することが可能である。従って、ナノファイバー構造膜、ならびにナイロン、ＰＶＤＦ、およびＰＥＳなどのより粗いポリマーなどのこれまで用いることのできなかった構造基材の表面への堆積により、構造基材の表面で、ギャップがＣＮＳ材料によって架橋されて（例：ファイバーまたはその他の粗い表面間）、表面に沿ったグラフェンの被覆のための平滑な界面を提供すると同時に、依然として高いレベルの透過度を維持することができる。ＣＮＳは、さらに、そうでなければ適さない基材とのグラフェンの接着も促進することができる。
【００６６】
加えて、グラフェンまたはその他の二次元材料がカーボンナノ構造体上に配置されると、構造基材は、有効な構造支持を実現する目的では、もはや必要でなくなり得る。構造基材を維持する必要性は、構造体が配置される用途の操作圧力に依存し得る。従って、幾つかの実施形態では、カーボンナノ構造体は、その銅成長基材上のグラフェンに適用されてよく、次に、成長基材は除去されて（例：銅のエッチングによる）、カーボンナノ構造体上に支持されたグラフェンが残されてよい。この構成により、グラフェンまたはその他の二次元材料の取り扱い特性を非常に大きく改善し、取扱いによる欠陥の発生を低減することができる。
【００６７】
幾つかの実施形態では、カーボンナノ構造体のグラフェンまたはその他の二次元材料への堆積は、ＣＮＳの構造基材上またはグラフェン上へのスプレー堆積プロセスによって行われてよい。スプレーコーティングプロセスが、カーボンナノ構造体の構造基材上への堆積のために同様に用いられてよい。
【００６８】
カーボンナノ構造体は、その中のカーボンナノチューブのサイズのために、グラフェンおよびその他の二次元材料を支持するのに特に適していると考えられる。カーボンナノチューブは非常に小さいため、カーボンナノチューブ間のギャップも小さい。この特徴により、カーボンナノ構造体は、極めて高い透過度／多孔度を維持すると同時に、その上に堆積されたグラフェンまたはその他の二次元材料を適切に支持することが可能となる。さらに、用いられる適用プロセスの結果として、カーボンナノ構造体の、それが堆積されている表面へのセルフレベリングが得られる。化学修飾ＣＮＳは、構造基材の表面へ流し込まれてよく、真空引きによって溶媒が除去されてよい。強い結合を確保し、修飾後に得られた望ましい表面を保持する目的で、特定のバインダーが下地材料に関して選択されてよい。ＴＥＰＣの場合、その表面は極めて平滑であり、カーボンナノ構造体のコンフォーマルなコーティングにより、同様に、その上にグラフェンまたはその他の二次元材料を適用することができる平滑表面が得られ、それによって、これまではブロックされていたＴＥＰＣポアへのアクセス性が向上される。
【００６９】
さらに、本明細書で述べる実施形態を実践することにより、ＴＥＰＣよりも高い表面非均一性を有する基材を含む非常により広範囲にわたる構造基材を用いることができる。さらに、ＴＥＰＣは、高圧力下で延伸し、崩壊する可能性があり、それは続いて、その上に配置されたグラフェンまたはその他の二次元材料が破壊される結果となり得る。ここでは、カーボンナノ構造体をグラフェンまたはその他の二次元材料との界面として用いる場合、より強く、これまでは構造基材としては粗過ぎた材料も考慮することが可能である。
【００７０】
ＴＥＰＣに加えて、本明細書で述べる実施形態において構造基材の形成に用いられてよいその他のポリマー材料としては、例えば、ポリイミド、ポリエーテルスルホン、ポリジフッ化ビニリデンなどが挙げられる。上述のポリマー材料は、一般的に、穿孔されたグラフェンまたはその他の二次元材料をその上に適用するのに適している平滑な表面を有するが、それらは、上記で考察した理由によって制限され得る。より粗い表面を有するものを含むその他の適切なポリマー材料は、本開示の利益を有する当業者にとって明らかとなるであろう。セラミック構造基材も、ある実施形態において用いられてよい。
【００７１】
グラフェン層を支持するためにカーボンナノ構造体を利用する研究から、有望な結果が得られた。図１８は、厚さ２０μｍおよびポアサイズ１００ｎｍを有するＴＥＰＣ基材の（Ａ）光沢側、および（Ｂ）無光沢側の５μｍ解像度での実例としてのＳＥＭ画像を示す。本明細書で述べる実施形態では、「光沢」側は、カーボンナノ構造体がその上に堆積された側である。図１９は、ＴＥＰＣ上に堆積された未修飾カーボンナノ構造体の（Ａ）２０μｍ解像度および（Ｂ）５μｍ解像度での実例としてのＳＥＭ画像を示す。図１９に示されるように、表面は非常に粗く、グラフェンまたは別の二次元材料をその上で支持するのに適していない。図２０は、一実施形態に従って２：１溶液からＴＥＰＣ上に堆積されたカーボンナノ構造体の（Ａ）２０μｍ解像度および（Ｂ）５μｍ解像度での実例としてのＳＥＭ画像を示す。図２０に示されるように、修飾カーボンナノ構造体を用いた場合、非常により平滑な表面プロファイルを実現することができる。図２１は、同様に、一実施形態に従って５：１溶液からＴＥＰＣ上に堆積されたカーボンナノ構造体の（Ａ）２０μｍ解像度および（Ｂ）５μｍ解像度での実例としてのＳＥＭ画像を示す。
【００７２】
図２２は、支持基材表面の起伏表面形状が、穿孔されたグラフェンまたは別の二次元材料のポアを開放して、透過物のためのフローチャネルを提供するためにどのように使われ得るかを示す概略図である。本明細書で用いられる場合、「起伏表面形状」は、溝部、チャネル部、凹み部、窪み部、谷部などのランダムまたは規則的な配列を含んでよい。図２３は、図１３に示される構造物などのブロックされたポアを有する構造物に対して、図２２の起伏表面形状を用いてポアを開放する効果を示す概略図である。
【００７３】
様々な実施形態では、本明細書で述べる構造物は、液体および気体の両方に対する様々なろ過および分離用途に用いることができる。実例としての操作としては、例えば、逆浸透、ナノろ過、限外濾過、精密濾過、正浸透、および浸透蒸発が挙げられ得る。構造物は、その高い熱安定性および耐化学薬品性により、油および気体のろ過操作に特に適し得る。
【００７４】
本発明について、開示される実施形態を参照して記載してきたが、当業者であれば、これらが本発明の単なる実例であることは容易に理解される。様々な改変が、本発明の趣旨から逸脱することなく行われてよいことは理解されたい。本発明は、改変されて、これまでに述べられていないが、本発明の趣旨および範囲に相応しているいかなる数の変型、変更、置き換え、または同等の配列が組込まれてもよい。加えて、本発明の様々な実施形態について記載してきたが、本発明の態様は、記載した実施形態の一部のみを含んでもよいことは理解されたい。従って、本発明は、上記の記述によって限定されるものとして見なされてはならない。
【００７５】
特に断りのない限り、記載されるもしくは例示されるコンポーネントのすべての配合または組み合わせが、本発明の実践に用いられてよい。化合物の具体的名称は、当業者が同じ化合物を異なって称し得ることが知られていることから、代表例であることを意図している。本明細書において、化合物が、例えば式または化学名により、化合物の特定の異性体またはエナンチオマーが指定されない形で記載される場合、その記述は、個々に、またはいずれかの組み合わせで記載される化合物の各異性体およびエナンチオマーを含むことを意図している。当業者であれば、具体的に例示される以外の方法、デバイス要素、出発物質、および合成方法が、過度な実験を用いることなく、本発明の実践に用いられてよいことは理解される。そのようないずれの方法、デバイス要素、出発物質、および合成方法の本技術分野で公知である機能的均等物も、そのすべてが本発明に含まれることを意図している。
【００７６】
温度範囲、時間範囲、または組成範囲を例とする範囲が明細書で与えられる場合は常に、すべての中間範囲およびサブ範囲、さらには与えられた範囲に含まれるすべての個々の値が、本開示に含まれることを意図している。マーカッシュ群またはその他の群分けが本明細書で用いられる場合、その群のすべての個々のメンバー、ならびにその群の考え得るすべての組み合わせおよびサブ組み合わせが、本開示に個々に含まれることを意図している。
【００７７】
本明細書で用いられる場合、「備える」は、「含む」、「含有する」、または「特徴とする」と同義であり、包括的または非限定的であり、追加の列挙されていない要素または方法工程を排除しない。本明細書で用いられる場合、「から成る」は、請求項構成要素に指定されていないいかなる要素、工程、または成分も除外する。本明細書で用いられる場合、「本質的に成る」は、請求項の基本的で新規な特徴に実質的に影響を与えない物質または工程は排除しない。「備える」の用語の本明細書におけるいずれの列挙も、特に、組成物のコンポーネントの記載またはデバイスの要素の記載において、列挙されたコンポーネントまたは要素から本質的に成る、およびそれらから成る組成物ならびに方法を包含することは理解される。本明細書において実例として記載される本発明は、本明細書において具体的に開示されないいずれの（１もしくは複数の）要素、（１もしくは複数の）制限が存在しない状態でも、適切に実践され得る。
【００７８】
使用されてきた用語および表現は、限定ではなく、記述の用語として用いられており、そのような用語および表現の使用において、示され、記載される特徴のいずれの均等物およびその一部分をも除外することを意図するものではなく、請求される本開示の範囲内で様々な改変が可能であることは認識される。従って、本開示を、好ましい実施形態および所望に応じて存在してよい特徴によって具体的に開示してきたが、本明細書で開示される概念の改変および変型が当業者によって用いられてよいこと、ならびにそのような改変および変型が、添付の請求項によって定められる本発明の範囲内であると見なされることは理解されるべきである。
【００７９】
一般的に、本明細書で用いられる用語および語句は、それらの本技術分野で認識される意味を有し、それは、当業者に公知である標準的なテキスト、ジャーナル文献、およびコンテクストを参照することによって見出すことができる。前述の定義は、本発明のコンテクストにおけるそれらの特定の使用を明確にするために提供される。
【００８０】
本出願全体におけるすべての参考文献、例えば、発行もしくは登録された特許または均等物を含む特許文書；特許出願公開；ならびに非特許文献文書またはその他の資料は、個々に参照により援用されるかのごとく、各参考文献が少なくとも部分的に本出願における開示事項と矛盾することのない程度に（例えば、部分的に矛盾する参考文献は、その参考文献の部分的に矛盾する部分を除いて、参照により援用される）、その全内容が参照により本明細書に援用される。
【００８１】
本明細書で言及されるすべての特許および刊行物は、本発明が属する技術分野の当業者の技術レベルを示す。本明細書で引用される参考文献は、現行技術を、いくつかの場合では出願日の時点での現行技術を示すために、その全内容が参照により本明細書に援用され、この情報は、必要に応じて、先行技術の範囲である特定の実施形態を除外（例えば、請求権を放棄）するために、本明細書において用いられてよいことを意図している。例えば、化合物が請求される場合、本明細書で開示される参考文献（特に、参照される特許文書）に開示される特定の化合物を含む先行技術で公知の化合物は、請求項に含まれることを意図していないことは理解されるべきである。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図２Ｄ】
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【図２Ｅ】
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【図２Ｆ】
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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１６Ａ】
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【図１６Ｂ】
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【図１６Ｃ】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【国際調査報告】
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