(57)【要約】  精密なサイズの孔を有する格子を形成する方法は、それぞれ分子の側部に結合する種を有するカッター分子を格子に配置することを含むものである。その方法は、種が格子中に精密なサイズの孔を形成させるために、格子の分子結合を切断することを続ける。孔の端は、官能化されていてもよい。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
それぞれの側部に結合された種を有するカッター分子を格子に配置することを含んでなり、前記種が格子に精密なサイズの孔を形成するために格子の分子結合を切断するものである、精密なサイズの孔を有する格子を形成する方法。
【請求項２】
グラフェン格子を含んでなる格子を提供することをさらに含んでなり、前記種が前記グラフェン格子の炭素−炭素結合を切断するものである、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記カッター分子がピレン、ナフタレン、アントラセンおよびペリレンからなる群より選択されるものである、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記精密なサイズの孔が、約０．５ｎｍ〜約２．２ｎｍのサイズの範囲にある、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
多層のグラフェンを提供し、格子を形成させることをさらに含んでなる、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記カッター分子を実質的な平面分子として提供することをさらに含んでなる、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記実質的な平面分子をピレン、ナフタレン、アントラセンおよびペリレンからなる群から選択することをさらに含んでなる、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記実質的な平面分子において、水素に代えてオスミウム耐性側基または酸化サブグループなどの置換基を選択することをさらに含んでなる、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
格子の材料をグラフェン、硫化モリブデン、窒化ホウ素、六方晶窒化ホウ素、ニセレン化ニオブ、シリセンおよびゲルマネンからなる群から選択することをさらに含んでなる、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
前記カッター分子を実質的に平坦な分子として提供することをさらに含んでなる、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
カッター分子を金属クラスターとして提供することをさらに含んでなる、請求項１に記載の方法。
【請求項１２】
前記金属クラスターをアルミニウムおよびプラチナからなる群から選択することをさらに含んでなる、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
格子に配置された前記カッター分子に光を適用することによって切断が開始される、前記カッター分子を選択することをさらに含んでなる、請求項１に記載の方法。
【請求項１４】
前記精密なサイズの孔が一定のサイズである、請求項１に記載の方法。
【請求項１５】
前記精密なサイズの孔の複数を官能化させることをさらに含んでなる、請求項１に記載の方法。
【請求項１６】
酸素原子を用い、前記精密なサイズの孔を官能化させることをさらに含んでなる、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
精密なサイズの孔が、約０．５ｎｍ〜約１００ｎｍのサイズの範囲にある、請求項１に記載の方法。
【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、２０１３年５月１４日に出願された仮出願第６１／７８２，１２４号の優先権を主張し、ここに本明細書の一部を構成するものとして援用する。
【０００２】
本発明は、概して、原子的に薄い材料における穿孔の形成に関するものである。より具体的には、本発明は、ナノメートルの範囲の精密なサイズの開口部を提供するために、グラフェンのような原子的に薄い材料を化学的に開裂する方法に関するものである。
【背景技術】
【０００３】
ナノテクノロジーの構成部品として用いる個々の原子を扱う技術は、発展し続けている。これらの発展のいくつかは、材料分野、特に、単分子部品または選択的な分子部品の組み合わせを用いる原子的に薄い材料、でなされている。そのような材料の一例にグラフェンが挙げられる。グラフェンは２次元芳香族ポリマーであり、電子メモリ、電子記憶装置、増強部品、膜などの多くの用途を有する。その他の原子的に薄い材料も有益な特徴を有すると考えられている。
【０００４】
グラフェン膜は、炭素原子の単原子層が積み重なった層であって、互いに結合してシートとなる。１層または１シートとして言及されることがある単グラフェン膜の膜厚は、およそ０．２〜０．３ナノメートル（ｎｍ）であり、ここではときに「薄い」といわれる。グラフェン層の炭素原子は、６つの炭素原子により構成される六角形の環構造（ベンゼン環）の繰り返しパターンであり、炭素原子によるハニカム格子を形成する。格子の開口部は、シート内のそれぞれ６炭素原子環構造によって形成され、格子の開口部は、横幅１ナノメートル未満である。実際、当業者は、格子の開口部が最大寸法で約横幅０．２３ナノメートルと考えられていることを認めるであろう。したがって、格子の開口部の寸法と形態、およびグラフェンの電子的性質は、孔がないならばグラフェンの厚みを超えて、いかなる分子の移動も不可能にする。
【０００５】
近年の発展において、塩水の脱塩などの用途におけるろ過膜として用いられるグラフェン膜に注目が集められてきた。そのような用途の一例は、ここで参照をもって援用するＵＳ特許第８，３６１，３２１号に開示されている。グラフェンおよびその他の原子的に薄い材料はさまざまな用途に展開されているので、ろ過用途およびその他の用途に用いられる比較的大きな面積のグラフェンシートを製造する必要がある。
【０００６】
格子欠陥の可能性を考慮しない場合に、グラフェン中の炭素原子または原子的に薄い層中のその他の原子は、非常に近接して配置されるので、材料のシートまたは層は実質的に多くの物質に対して不浸透性である。しかしながら、適切な寸法の孔が層に形成されている場合、それらの孔よりも小さい分子は、容易に層を通過することが可能である。孔よりも寸法が大きい分子は、層を通過することができないであろう。グラフェンのケースでは、適切なサイズの孔をもつそのような層は、「分子フィルター」であり、これは、サイズの差に基づいて分子を分離することに用いられることが可能である。適切なサイズの孔を有する場合に、穿孔グラフェン層はナノフィルターや限外ろ過膜（ｕｌｔｒａ−ｆｉｌｔｅｒ）になる。その極度の薄さのため、そのような分子膜を分子が通過するエネルギーコストは、分離の溶解拡散理論に基づくその他の競合するろ過膜の場合よりも低い。
【０００７】
グラフェンのような原子的に薄い層において、ナノサイズからマイクロサイズの孔を形成するための様々な方法が知られている。グラフェン開口部または選択的な酸化（これは選択された時間、酸化剤に暴露されることを意味する）によって孔を形成することが知られている。グラフェン開口部は、荷電粒子の照射と、その後に上述の選択的な酸化によって形成されることが可能である。刊行物Ｎａｎｏ  Ｌｅｔｔ．２００８，Ｖｏｌ．８，ｎｏ．７，ｐｇ  １９６５−１９７０に記載のように、最も簡単な穿孔方法は、グラフェンフィルムを高温にてアルゴン中の希酸素で処理することである。そこに記載されるように、１気圧（ａｔｍ）アルゴン中３５０ミリトル（ｍＴｏｒｒ）の酸素を５００℃にて２時間用いることで、２０〜８０ｎｍ範囲の貫通開口部または孔がグラフェン中にエッチングされた。この論文は、孔の数はグラフェンシート中の欠陥と関連し、孔のサイズは滞留時間と関連することを理論的に示唆している。これは、グラフェン構造に所望される穿孔を形成させるための確立した方法と考えられている。この構造は、グラフェンナノプレートレットおよびグラフェンナノリボンであってよい。このように、所望される範囲の開口部は、より短い酸化時間によって形成されることが可能である。Ｋｉｍらによる“Ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ  ａｎｄ  Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎ  ｏｆ  Ｌａｒｇｅ  Ａｒｅａ，Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ  Ｎａｎｏｐｅｒｆｏｒａｔｅｄ  Ｇｒａｐｈｅｎｅ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ”，  Ｎａｎｏ  Ｌｅｔｔｅｒｓ  ２０１０  Ｖｏｌ．１０，Ｎｏ．４，Ｍａｒｃｈ  １，２０１０  ｐｐ  １１２５−１１３１に記載されたその他のより複雑な方法は、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）を用いるパターニングに適したマスクを作り出す自己組織化ポリマーを利用している。Ｐ（Ｓ−ブロックＭＭＡ）ブロックコポリマーは、再現像時のＲＩＥのためのバイアスを形成するＰＭＭＡカラムのアレイを形成する。孔のパターンは非常に密である。孔の数およびサイズは、ＰＭＭＡブロックの分子量およびＰ（Ｓ−ＭＭＡ）中のＰＭＭＡの重量分立により制御される。いずれの方法も穿孔グラフェンシートを製造する可能性がある。
【０００８】
グラフェン中に孔を形成する化学的な方法（例えば、酸化またはドーピング）は、グラフェン格子中の欠陥を核とし、これらの欠陥の結合を切断して、孔を成長させて操作することが一般的である。欠陥の核生成および孔の成長は、グラフェン全面にわたって同時に起こるので、広い範囲の孔サイズが形成される。酸化工程を同時に孔の寸法を小さく（ナノスケール）、かつ孔の分布を狭く保つように制御することは困難である。
【０００９】
上述の方法によって、グラフェンにナノメートルサイズの孔を形成するが、形成された孔のうち圧倒的多数は、脱塩のような用途で必要とされる範囲のサイズ（直径１０ｎｍ未満）にならない。上述の方法は所望の孔のサイズを形成させるのに十分であるが、これらの方法のいくつかは常に同じサイズの孔を提供しない。例えば、孔を形成させる操作は、いくつかの直径１．２ｎｍの孔および直径２．５ｎｍの孔を発生させることがある。典型的には、グラフェンに欠陥の初期核生成による孔を形成させ、その後で孔を成長させる酸化などの方法は、孔のサイズの分布を生じさせる。というのは、核生成および成長の工程は同時に進むからである。工程の初期で（核生成から）成長を始めた孔は、工程の後期に成長を始める孔よりも大きくなるであろう。工程が終わるときには、孔のサイズの分布が生じているであろう。ろ過にもとづく用途では、孔の直径がこのように広い範囲に分布するサイズふるいわけは、許容されない。膜が、所望の分子と所望でない分子の間を識別することができないであろうからである。それゆえ、当業者には、グラフェン、および精密なサイズの孔または開口部を有するその他の原子的に薄い膜をナノメートルレベルで穿孔し、精密なサイズにもとづくろ過を行いたいという要求があるのである。また、そのような穿孔グラフェンを大量生産可能な方法で形成させたいという要求もある。
【発明の概要】
【００１０】
前述を踏まえ、本発明の第１態様は、原子的に薄い材料の化学反応による穿孔を行う方法を提供することである。
【００１１】
本発明の別の態様は、それぞれの分子の側部に結合する種を有するカッター分子を格子に配置することを含んでなり、その種が格子に精密なサイズの孔を形成させるために格子の分子結合を切断するものである、精密なサイズの孔を有する格子を形成させる方法を提供することである。
【００１２】
本発明のこれらのおよび別の特徴および利点は、以下の記述、請求項、および添付された図面によってより理解できるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】図１は、本発明のコンセプトによるグラフェン格子または膜の概略図である。
【００１４】
【図２】図２は、本発明のコンセプトによる典型的なカッター分子の略図である。
【００１５】
【図３】図３は、本発明のコンセプトによるカッター分子をグラフェン格子に重ね合わせている概略図である。
【００１６】
【図４】図４は、本発明のコンセプトによるグラフェン格子中のカッター分子によって形成された孔の概略図である。
【００１７】
【図５】図５は、本発明のコンセプトによるナフタレンなどの別の可能性のあるカッター分子の一例である。
【００１８】
【図６】図６は、本発明のコンセプトによるナフタレンの変形などの別の可能性のあるカッター分子の一例である。
【００１９】
【図７】図７は、本発明のコンセプトによるアントラセンなどの別の可能性のあるカッター分子の一例である。
【００２０】
【図８】図８は、本発明のコンセプトによるペリレンなどの別の可能性のあるカッター分子の一例である。
【００２１】
【図９Ａ】図９〜１３は、孔を有するグラフェン格子の概略図であって、さまざまな数の炭素原子が格子から失われ、炭素−酸素結合は孔の端を終端処理するために加えられるか、加えられていない。図９Ａ、１０Ａ、１１Ａ、１２Ａおよび１３Ａは、グラフェン格子におけるさまざまなサイズを有する孔の例である。これらの数は、孔のサイズと形状と失われた炭素原子の格子数との関係を説明することを意図している。図９Ｂ、１０Ｂ、１１Ｂ、１２Ｂおよび１３Ｂは、対応する「Ａ」図に似ているが、孔の端に炭素原子に酸素原子が結合していることは異なる。これらの図は、孔がどのように端に炭素−酸素結合とともに変化するかを示している。これらの概略図は、可能性のある形態を示す。すべての寸法の単位は、オングストロームである。
【図９Ｂ】
【図１０Ａ】
【図１０Ｂ】
【図１１Ａ】
【図１１Ｂ】
【図１２Ａ】
【図１２Ｂ】
【図１３Ａ】
【図１３Ｂ】
【発明を実施するための形態】
【００２２】
概して、本発明は、側部（ｓｉｄｅ）に反応置換基を有する担体分子を用い、原子的に薄い格子、層、または膜の分子結合を「切断（ｃｕｔ）」し、それによって格子の一部を除去し、孔を残す。原子的に薄い材料がグラフェンである形態においては、担体分子は、格子または膜の炭素−炭素結合を切断する。孔の幾何学的形状（形状、サイズ）は、担体分子の形状およびサイズによって決まる。担体分子の反応置換基によって分子結合の開裂が可能になり、それによって格子構造の一部を保持する隣接する結合を切断する。その一部が残るとき、残った孔は、担体分子のサイズ／形状によって決まるサイズ／形状を有する。この化学反応が純粋なカッター分子によってなされるとき、そのように形成される全ての孔は厳密に同じサイズになると考えられている。その結果、「単分散」の孔のサイズの分布が、一態様であるグラフェンのように原子的に薄い材料において、形成される。このことによって、本発明と、孔の成長に依存し、それにより広い孔サイズの分布を作り出す酸化方法のようなその他の孔形成工程とが区別される。
【００２３】
分子フィルター技術やその他の用途に用いられる原子的に薄い材料のための技術的な成功への鍵は、原子的に薄い材料に所望の範囲の孔、開口部、または穿孔を形成することができるかということである。実際、０．３〜１０ｎｍサイズの範囲を有する単一のナノメートルの（分子サイズの）開口部が所望され、いくつかの用途においては、開口部のサイズは０．５ｎｍ〜１００ｎｍまたはそれ以上の範囲であることが可能である。例示の目的のためだけに、さまざまなサイズの孔を有するグラフェン層にわたって、水およびイオン輸送がモデル化され、その結果孔のサイズおよび孔を形成するためにグラフェン格子から除去されるべき炭素原子の数が確立された。以下の表からわかるように、グラフェン構造と所望の孔のサイズの分析が示されている。
【００２４】
【表１】
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【００２５】
そのモデルでは、そのようなグラフェンの孔を形成する工程は確立されていなかった。しかしながら、そのモデルから、４〜３７炭素原子のどこかを除去することが直径約５〜１３オングストロームの孔になるであろうことがわかっていた。それとは別に、分子動力学計算によって、このサイズの範囲の孔は、水分子には膜を通過させるが、効果的にイオンが通過するのを防ぐことが示されている。上の表のこれらの最初から５つのモデルは、図９〜１３に示される。この内容は後述される。
【００２６】
また、例示の目的のためだけに、グラフェンにおいて適切なサイズの孔を形成させ、その結果できた膜は、不要な種を液体（またはガス）から取り除くこと、または希薄だが所望の種を溶液（またはガス）中の濃度を上げることによって補足することに使用されうる。穿孔グラフェンファイバーを通過する逆浸透による海水の淡水化は、グラフェンの孔が海水塩イオンの水和半径と同じまたは小さい場合に可能となる。水をスムーズに通過させることができるのに、孔が十分な大きさであり、多くの塩イオンをブロックするのに、孔が十分小さいものであるという要求は、許容できる孔の範囲にとって強力な制限となる。孔の直径は、グラフェンフィルターを使った効果的な海水の淡水化のために約０．５〜１．４ｎｍ（５〜１４オングストローム）の間であるべきである。他の形態においては、０．５ｎｍ〜２．２ｎｍの範囲にある孔を提供することが可能である。
【００２７】
上述の工程において、孔の核生成は、担体分子の周辺での化学反応によって置き換えられ、孔のサイズは、孔の成長よりも分子の物理的な寸法により決まる。続いて起こる孔の成長工程（例えば、穏やかな酸化）は、この方法によって形成されたさらに拡大する孔を適用し、それによってより大きく所望される孔のサイズに単分散を保つことは可能ではあるが、想定されるように、次の工程には孔の成長に関する動力学はない。担体分子のサイズ分布が単分散である限り、孔のサイズは同様に単分散であろう。カッター分子と側部の化学的性質とを適切に選択することによって、グラフェンに所望のサイズのみの孔を形成させることができ、それによって所望のろ過効果を達成できる。
【００２８】
これから図１〜４を参照し、精密なサイズの孔を有する格子の形成方法を開示する。開示された形態は、グラフェンが作られる特定の方法である。しかしながら、当業者はここで開示される方法があらゆる原子的に薄い材料の連続したサイズの開口部の形成に応用できることを理解するであろう。例の説明のためだけに、その他の原子的に薄い材料は、グラフェン、二硫化モリブデン、窒化ホウ素、六方晶窒化ホウ素、ニセレン化ニオブ、シリセンおよびゲルマネン（ｇｅｒｍａｎｅｎｅ）の層である。
【００２９】
図１の格子は、通常、数字２０によって指定される。格子２０は、グラフェンシートまたは層であり、ときに膜として言及されていてもよく、相互に結合した六角形環である。開示された形態において、グラフェンシートは、より厚く、それに対応してより強力であるように形成されることができる。多層グラフェンシートは、シートが成長、または形成されるため、多層で提供されうる。または、多層グラフェンシートは、上部またはその他に一層を重ねる、または配置することにより達成されうる。ここで開示される全ての形態において、原子的に薄い材料の単層または原子的に薄い材料の多層が使用されてもよく、あらゆる数のシートの格子を形成させるのに使用されてもよい。試験により、グラフェンの多層は、自己粘着性の結果、それらの完全性および機能を保持することが明らかになる。これによりシートの強度およびいくつかのケースでは特性が改善する。多くの形態において、グラフェンシートは、膜厚０．５〜２ナノメートルであってよい。グラフェン格子２０の炭素原子は、６つの炭素原子により構成される六角形の環構造（ベンゼン環）の繰り返しパターンであり、炭素原子によるハニカム格子を形成する。格子の開口部２１は、シート内のそれぞれ６炭素原子環構造によって形成され、格子の開口部は、横幅１ナノメートル未満である。格子の開口部は、シート内のそれぞれ６炭素原子環構造によって形成され、格子の開口部は、横幅１ナノメートル未満である。上述の通り、当業者は格子の開口部が最大寸法で約横幅０．２３ナノメートルと考えられていることを認めるであろう。上述の通り、格子の開口部２１の寸法と形態、およびグラフェンの電子的性質は、孔がないならばグラフェンの厚みを超えて、いかなる分子の移動も不可能にする。この開口部２１の寸法は、非常に小さいので、水またはイオンを通過させない。
【００３０】
後に詳細に論じられるように、格子２０における精密なサイズの孔は、カッター分子により形成される。ここで用いられるように、カッター分子は側部に反応基を提供するあらゆる分子であり、原子的に薄い材料の分子結合を開裂させ、または開裂を活性化させることができる。例の方法のためだけに、ここで開示されるカッター分子は、グラフェン格子の炭素−炭素結合を開裂させるか、開裂を活性化させるのに用いられる。理想的には、この分子は、グラフェン格子と結合することができ、全ての反応基が同時にグラフェンの炭素−炭素結合に近接させる。ここで言及する例は次の図のように平面分子と置換されているものである。そのような形態において、分子は同様のグラフェン格子として実質的に平面の多重環構造を有する。それらの平面カッター分子とグラフェン格子の間の引力相互作用は、全ての反応置換基をグラフェン炭素−炭素結合に近接させ、それによって構造中のグラフェン結合を開裂させる確率を上げ、孔となるのである。カッター分子は、所望のナノメートルサイズの孔と一致する限定された寸法のグラフェン中の炭素−炭素結合を開裂させる、または開裂を活性化させるあらゆる分子または分子もしくは原子の基であってよい。一例としては、アルミニウムまたはその他の金属原子の金属クラスターが挙げられる。小さな数の金属原子の安定な金属クラスターは、金属原子の蒸気および表面への蒸着により形成されうる。いくつかの金属は、炭素と反応し、金属炭化物を形成するであろう。この反応がグラフェン上で金属クラスターを用いて行われる場合、結果として生じる炭化物は炭素格子から形成されるであろう。このような方法では、初期の金属クラスターのサイズと類似の寸法の炭素領域が、グラフェン格子から、またはここで定義されるその他の格子材料から、除去されうる。
【００３１】
図２でよくわかるように、カッター分子（このケースでは、デカ置換ピレンＣ１６Ｈ１０）は、通常、数字２２によって指定される。この形態において、カッター分子２２は６員芳香族環を含むあらゆる担体分子になりうる。つまり、分子は、グラフェン格子２０上に比較的平坦に配置されることが可能である。したがって、図３でわかるように、カッター分子２２はグラフェン格子２０を覆うのである。この分子は、図３中に「Ｘ」として指定される種を利用し、格子（ここでは修正された格子２４として特定する）に付着し、そしてカッター分子の側部（Ｘ置換基）がグラフェン格子２０中の炭素−炭素結合を切断する。言い換えれば、カッター分子は、Ｘ置換基を炭素−炭素結合が開裂するために理想的な近い位置にもたらすのである。前述より、当業者はピレンの水素原子が炭素−炭素結合を切断することができる化学特性を有するいくつかの他の原子または多原子種に置き換えることを理解するであろう。この工程でまさしくどの炭素結合が切断されるかは、結合切断化学反応および「Ｘ」置換基のサイズに依存してもよい。図２において、Ｘ置換基はピレン炭素骨格のすぐ外側の炭素−炭素結合の真上に示されるが、置換基のサイズはピレン炭素骨格から離れた結合が化学的に攻撃されると記述されてもよいと認識されるであろう。結果として生じる孔は、また、どのような最終結合が炭素孔の端を終結さているかや、どのようにグラフェン格子が切断化学反応およびあらゆるそれに続く反応を終わらせるための化学反応の後の最終的な形状に緩和させるかに依存する可能性があることを、当業者は認識するであろう。
【００３２】
分子が芳香族（ベンゼン）環または縮合ポリ環状環（ｃｏｎｄｅｎｓｅｄ  ｐｏｌｙ  ｃｙｃｌｉｃ  ｒｉｎｇｓ）からなる場合に、さらなる利点が得られる。このケースでは、カッター分子とグラフェンのパイ−パイ電子相互作用がカッター分子の面をグラフェン格子と並行に配置することを補助し、反応置換基をグラフェン炭素結合に近接において、カッター分子上に動かすのである。Ｘ置換基は、グラフェン炭素−炭素結合を開裂させるまたは開裂を補助する反応基とみなされる。それらは、オスミウム化学（炭素結合の開裂を補助することが一般に知られている）、さまざまな酸化基、または担体分子に付着することが可能な結合−開裂触媒を含むことが可能であろう。それらは、外部エネルギー（光、または熱）が加えられるか、その他の化学物質が加えられるときに、結合開裂を活性化、または触媒作用を及ぼす基であってもよい。光が用いられる場合、分子および／または結合した置換基は、開裂工程を始めるために光量子と反応する。
【００３３】
別の形態において、カッター分子は、金属原子がグラフェン炭素−炭素結合と結合するところの金属クラスターなどのクラスターであることが可能である。それによって、炭素−炭素結合をより弱くするか、または他の結合開裂の化学物質に対しより反応性を高くする。このケースでは、グラフェンと相互作用する金属クラスターのサイズと形は、上述したように、孔の端の結合末端および格子緩和に沿って形成される孔のサイズを決定するであろう。このアプローチに適しているであろう金属クラスターとしては、プラチナまたはアルミニウムクラスターが挙げられる。これらの金属の両方は、例えばグラフェンに存在する芳香族炭素結合と相互作用することが知られており、安定なプラチナおよびアルミニウムの金属クラスターを形成する方法が知られている。
【００３４】
図４に示されるように、カッター分子の置換基は、グラフェン格子の一部を切断または開裂させる。カッター分子２２によって少なくとも部分的に決定される寸法および形状を有する孔３０を残すためである。置換ピレンとの反応によって、１６以上の炭素原子が除去されてもよい。形成される正確なサイズは、Ｘ基を切断するサイズおよび炭素結合化学を満たすグラフェンにもとづいて形成される置換（Ｘ’２６）のサイズに依存するであろう。単純化のためにこれらの要因を無視すると、図４の状態で反応した孔は約６〜８オングストロームのサイズである。これは、グラフェンまたは他の高流量膜による海水の淡水化に必要とされるサイズの範囲内である。グラフェンと相互作用するその他の置換ピレンの配列も予想されるであろう。当業者は、純切断または担体分子が用いられると、その結果である孔のサイズの分布は単分散であることを理解するであろう。もちろん、その他の種類のカッター分子はより大きい、またはより小さい穴に用いられることが可能であろうし、または金属クラスターのような他の種が炭素格子の反応を活性化するために用いられることが可能であろう。
【００３５】
図５〜８にその他のカッター分子の種類を示す。特に図５はナフタレンＣ１０Ｈ８として特定されるカッター分子２２ａを示す。前述の形態のように、Ｈは、炭素−炭素結合を切断する化学特性を有するいくつかの他の原子または多原子種によって置換される。図６は、Ｘ８−ナフタレンＣ１０Ｘ８（Ｘはオスミウム耐性側基または三価サブグループまたはグラフェン格子の炭素−炭素結合を切断するための開裂化学を行うことができるその他の物である）として特定されるカッター分子２２ｂを示す。図７はアントラセンＣ１４Ｈ１０として特定されるカッター分子２２ｃを、図８はペリレンＣ２０Ｈ１２として特定されるカッター分子２２ｄを示す。図２、５、７および８のそれぞれにおいて、Ｈ原子は、炭素−炭素結合を切断し、最終的にカッター分子を形成することができる化学特性を有する適切な多の原子または多原子種によって置換されてもよい。
【００３６】
上記の表に関連して、炭素原子および酸素原子の追加を示す最初の５つの可能性のある例はそれぞれ図９〜１３に示される。表を発展させることにもちいられるモデルに厳密にもとづくと、図９Ａは、概念的にグラフェン格子から１３炭素原子の除去（それらは薄く影がついている）を示す。図９Ｂもまたそのモデルにもとづき、概念的に９酸素原子を添加（それらは濃く影がついている）を示し、炭素原子の除去により形成された孔の端のまわりに配置されている。表からわかるように、酸素原子により形成されたそのような孔は、有効径５．２８オングストロームを有するであろう。図１０〜１３は、概念的に、上記表によって示唆されるように炭素原子を除去し、酸素原子を添加する次の４例を示す。
【００３７】
酸素官能化または不動態化（酸化として言及されてもよい）の一つの方法は、酸性環境で、炭素−炭素結合を開裂させることである。その他の方法は、有機化学の当業者に知られている、さまざまな芳香族置換化学による切断後の置換を含むであろう。
【００３８】
開示されたアプローチは、広い面積の原子的に薄い材料またはフィルムに拡張可能である。官能化された担体分子は、ルートの数を経由して材料またはフィルムに適用されうる。例えば官能化されたカッター分子の適切な濃度を含む溶液がスプレーコート、またはディップコート等で原子的に薄い材料またはフィルム（適切な基板またはキャリア上に）適用されうるであろう。または、カッター分子は、原子的に薄い材料またはフィルムにガス層を通して供給されることも可能であろう。どちらのアプローチも拡張可能である。
【００３９】
この技術により穿孔される対象のフィルムは、グラフェンでなくてもよい。かわりに、フィルムはあらゆる２次元の材料であってよい。これに限定されないが、例としては、二硫化モリブデン、窒化ホウ素、六方晶窒化ホウ素、ニセレン化ニオブ、シリセンおよびジャーマニンまたは「切断」化学によって効果的にフィルムの厚み全体を切断することができる二次元材料のさらなる厚いフィルムまたは多層が挙げられる。
【００４０】
従って、上述された構造及びその使用方法によって、本発明の目的が満足されることが理解される。特許法に従って、最良の実施の形態及び好ましい実施の形態のみが示され、詳細に説明されているが、本発明はそれらにまたはそれらによって限定されない、ということが理解されるべきである。従って、本発明の真の範囲及び幅の理解のために、以下の特許請求の範囲が参照されるべきである。
【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９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
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【図１３Ａ】
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【図１３Ｂ】
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【国際調査報告】
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