СПОСОБ СОРТИРОВКИ НАНООБЪЕКТОВ
NANOOBJECTS SORTING METHOD

Область техники
Изобретение относится к области нанотехнологий и, более узко, к способам сортировки нанообъектов, таких как полупроводниковые углеродные и металлические углеродные нанотрубки.
Уровень техники и техническая проблема
Первичной для данной заявки является Российская патентная заявка 2009103926, полученная Федеральным Институтом индустриальной собственности (Роспатент) 3 февраля 2009 г. Датой приоритета заявки является 20 января 2010 г. (дата подачи патентной заявки США 12690873).
Нанообъекты различных веществ (объекты с, по крайней мере, одним из пространственных размеров в диапазоне от ~0.05 nm до ~500 nm) и, в частности, углеродные нанотрубки, обладая рядом уникальных свойств, являются материалами, важными с точки зрения промышленной технологии.
В существующей научно-технической литературе подробно описаны, в том числе, следующие применения углеродных нанотрубок: полевые транзисторы, биполярные транзисторы, солнечные батареи, лазеры, светодиоды, фотодиоды, источники электронов, преобразователи и излучатели электромагнитных полей, источники напряжения, конденсаторы, устройства для исследования поверхности, мониторы, гибкие и эластичные электронные и оптоэлектронные устройства, электрические и тепловые проводники, устройства для хранения водорода, компьютерная техника и т.д.
Для осуществления указанных и других применений углеродных нанотрубок требуется их получение в достаточно больших количествах с однородными физико-химическими свойствами. Так, например, для полупроводниковой аппаратуры во многих случаях важно, чтобы активные полупроводниковые компоненты не имели металлических примесей таких, как металлические нанотрубки, с тем чтобы предотвратить шунтирование электрического напряжения. С другой стороны, для создания низкоомных электропроводящих компонентов различной аппаратуры, включая электроды, часто предпочтительнее использовать чисто металлические нанообъекты.
Решение указанной проблемы напрямую зависит от создания эффективных способов сортировки нанотрубок. Несмотря на то что многочисленные исследования были посвящены решению этой проблемы, к настоящему времени она практически не решена. В числе способов, предложенных к настоящему времени для решения этой проблемы, можно назвать следующие: разрушение металлических нанотрубок электрическим током (патент США 6,423,583 23 июля 2002 г. и патентная заявка США №20060065887), разрушение металлических нанотрубок СВЧ-полем (патент США 7,150,865 19 декабря 2006 г.). Одним из недостатков этих способов является, в частности, высокая температура, до которой необходимо нагревать нанотрубки для их разрушения. Высокая температура приводит к образованию дефектов, нежелательному разрушению и повреждению значительной доли сортируемых нанотрубок, участвующих в этом процессе.
Краткое раскрытие сущности изобретения
Данное изобретение включает варианты следующего основного способа сортировки нанообъектов.
(1) Способ сортировки нанообъектов, в котором исходную смесь с каким-либо первичным содержанием менее электропроводящих и более электропроводящих нанообъектов приводят в контакт с какой-либо частью жидкой поверхности субстанции, обеспечивают передачу энергии указанной смеси, при которой нанообъекты в зависимости от степени их электропроводности испытывают различные степени разогрева и закрепления с контактной поверхностью вплоть до полного отсутствия закрепления, отделяют от поверхности незакрепленные и слабозакрепленные нанообъекты и выделяют из полученных множеств нанообъектов пространственно отделенные совокупности с повышенным содержанием менее электропроводящих нанообъектов и более электропроводящих нанообъектов (см. п.1 формулы, рис.1).
Преимущества изобретения
Данное изобретение позволяет в значительной степени избежать отмеченных выше (см. раздел описания изобретения: «Уровень техники и техническая проблема») недостатков известных способов сортировки, в том числе, связанных с необходимостью нагрева сортируемых нанообъектов до высокой температуры.
Основной способ сортировки (см. раздел описания изобретения: «Нелимитирующие примеры осуществления изобретения») обеспечивает возможность сортировки нанообъектов при температурах, близких к температуре активного испарения используемой субстанции, или к температуре порога активного прохождения химической реакции с участием нанотрубок и указанной субстанции. Вышеназванные температуры за счет выбора субстанции или химической реакции могут быть достаточно малыми по сравнению с температурой повреждения нанообъектов.
Таким образом, важным достоинством заявляемых способов сортировки является возможность использования более низких уровней температуры по сравнению с уровнями температуры нанообъектов в указанных известных способах сортировки. Это обстоятельство, наряду с возможностью упрощения и удешевления реализации сортировки, открывает возможность предотвращения нежелательного повреждения нанообъектов и, таким образом, достижения следующего технического результата: простое и доступное получение неповрежденных или менее поврежденных нанообъектов, рассортированных по электропроводности.
Нелимитирующие примеры осуществления изобретения
2
2
(1) Примером осуществления изобретения (см. п.1 формулы с условием (1) и рис.1) является приведение в контакт жидкой поверхности толуола и смеси металлических углеродных нанотрубок и полупроводниковых углеродных нанотрубок, например, путем их погружения в толуол, и создание таких условий их энергетического обмена с окружающей средой, при которых металлические нанотрубки нагреваются до более высокой температуры, чем полупроводниковые. Это может быть достигнуто, например, путем воздействия на смесь тех и других нанотрубок электромагнитного поля СВЧ или дальнего инфракрасного диапазона. Дело в том, что, как известно (см., например, патент США 7,150,865 19 декабря 2006 г. и патентная заявка США №20070085460), во многих случаях в металлических нанотрубках поглощается большая доля падающей на них электромагнитной энергии, чем в полупроводниковых. В результате передачи энергии субстанции от разогретых нанотрубок, ее части, непосредственно прилегающие к металлическим нанотрубкам, разогреваются до более высокой температуры по сравнению с частями, прилегающими к полупроводниковым. Температура активного испарения толуола примерно 110 Cº. Выбором следующих параметров: температуры толуола до облучения (например, из диапазона от нормальной комнатной температуры до темпер, гуры активного испарения толуола), времени облучения (например, из диапазона от 1 секунды до 100 минут) и уровня мощности излучения (например, из диапазона от 0.1 Вт/см до 100 Вт/см), удается добиться следующего результата. Части субстанции, непосредственно прилегающие к металлическим нанотрубкам, нагреваются, по крайней мере, до температуры ее активного испарения и испаряются, тогда как полупроводниковые нанотрубки, по-прежнему, в основном соприкасаются с жидкой субстанцией. (Необходимым условием получения такого результата является выполнение первого из условий, упомянутых в первом пункте формулы). Таким образом, по крайней мере, часть поверхности металлических нанотрубок оказывается отделенной от жидкости слоем газа. Как известно, толуол смачивает углеродные нанотрубки. Поэтому полупроводниковые нанотрубки, находящиеся в более полном контакте с этой жидкостью, являются более закрепленными по сравнению с металлическими, которые в результате испарения толуола становятся слабозакреплеными или незакрепленными. Отделение слабозакрепленых и незакрепленных нанотрубок производится, например, путем их всасывания с поверхности жидкости в газовую область пониженного давления (аналогично пылесосу) и фильтрации возникающего при всасывании потока газа (оптимизация этого процесса проводится выбором перепада давления газа, например, из диапазона от 0.0001 до 1 атмосферы, с учетом предотвращения всасывания жидкого толуола, содержащего полупроводниковые нанотрубки). Таким образом, собираемые на фильтре металлические нанотрубки оказываются отделенными от оставшихся в жидкости полупроводниковых.
2
2
(2) Примером осуществления изобретения (см. рис.1, п.1 формулы с условиями (2) и (3)) является приведение в контакт жидкой поверхности концентрированной азотной кислоты и смеси металлических углеродных нанотрубок и полупроводниковых углеродных нанотрубок и создание таких условий их энергетического обмена с окружающей средой, при которых металлические нанотрубки нагреваются до более высокой температуры, чем полупроводниковые. Как было указано в предыдущем примере, это может быть достигнуто, например, путем воздействия на смесь тех и других нанотрубок СВЧ или дальнего инфракрасного излучения. В результате передачи энергии субстанции от разогретых нанотрубок, ее части, непосредственно прилегающие к металлическим нанотрубкам, разогреваются до более высокой температуры по сравнению с частями, прилегающими к полупроводниковым. Известно, что углеродные нанотрубки вступают в реакцию окисления с концентрированной азотной кислотой с образованием ковалентной связи между нанотрубками и кислородосодержащей частью кислотной субстанции (эта часть во многих случаях содержится в карбоксильной группе -COOH). Прохождение данной реакции и, соответственно, закрепление углеродных нанотрубок с частью кислотной субстанции резко активизируется при повышении температуры. Температура активного прохождения этой реакции обычно лежит в диапазоне 60-120 Cº в зависимости от типа нанотрубок и концентрации кислоты. Выбором следующих параметров: температуры кислоты до облучения (например, из диапазона от нормальной комнатной температуры до температуры активного прохождения этой реакции), времени облучения (например, из диапазона от 1 минуты до 100 минут) и уровня мощности излучения (например, из диапазона от 0.1 Вт/см до 100 Вт/см) удается добиться следующего результата. Части субстанции, непосредственно прилегающие к металлическим нанотрубкам, нагреваются, по крайней мере, до температуры активного прохождения указанной реакции, и происходит закрепление этих нанотрубок с частью кислотной субстанции, тогда как полупроводниковые нанотрубки, по-прежнему, в основном не закреплены. (Необходимым условием получения такого результата является выполнение второго и третьего из условий, упомянутых в первом пункте формулы). Таким образом, поучают комплексы металлических нанотрубок, скрепленных с частями кислотной субстанции, средние размеры которых превышают средние размеры практически свободных полупроводниковых нанотрубок. Благодаря этому различию в размерах, полученные множества нанотрубок удается сортировать на полупроводниковые и металлические путем, например, пропускания их водного раствора под давлением через нанопористые стеклянные или силикагелевые фильтры, с диаметром пор, выбираемым из диапазона от 2 нм до 100 нм. (Выбор фильтра зависит о размеров сортируемых нанотрубок и подбирается исходя из обеспечения пропускания свободных полупроводниковых нанотрубок и плохого пропускания комплексов больших размеров на основе металлических нанотрубок).
(3) Пример осуществления изобретения, отличающийся тем, что передача энергии включает, в том числе, передачу энергии в форме или СВЧ излучения, или дальнего инфракрасного излучения, или узкополосного (ширина полосы по энергии меньше, чем разница между энергиями электронных уровней, участвующих в переносе заряда в нанообъектах) электромагнитного излучения.
(4) Пример осуществления изобретения, отличающийся тем, что упомянутый явно или через ссылки на другие пункты формулы контакт нанобъектов с какой-либо частью поверхности достигается посредством погружения нанообъектов внутрь субстанции.
(5) Пример осуществления изобретения, отличающийся тем, что упомянутую явно или через ссылки на другие пункты формулы передачу энергии осуществляют посредством воздействия излучения от керамического источника, или синхротрона, или лазера, или лазера на свободных электронах.
(6) Пример осуществления изобретения, отличающийся тем, что в способе сортироки нанообъектов используют токовый нагреватель, обеспечивающий требуемый температурный режим.
(7) Пример осуществления изобретения, отличающийся тем, что упомянутая явно или через ссылки на другие пункты формулы субстанция содержит, в том числе, какие-либо из следующих веществ: воду, толуол, ацетон, хлороформ, спирты, воски и парафины.
(8) Пример осуществления изобретения, отличающийся тем, что упомянутую явно или через ссылки на другие пункты формулы смесь подвергают процессу очистки от металлических примесей, полному или частичному разделению слипшихся углеродных нанотрубок.
(9) Пример осуществления изобретения, отличающийся тем, что упомянутыми явно или через ссылки на другие пункты формулы углеродными нанотрубками являются, в том числе: нанотрубки любых хиральностей, упорядоченные вдоль каких-либо осей, нанотрубки типа «зигзаг», типа «кресло», полупроводниковые, металлические, одностенные, двустенные или многостенные.
(10) Пример осуществления изобретения, отличающийся тем, что упомянутую явно или через ссылки на другие пункты формулы передачу энергии осуществляют, в том числе, в форме воздействия стоячих СВЧ электромагнитных волн в частотной полосе около 2.45 ГГц и около 915 МГц.
(11) Пример осуществления изобретения, отличающийся тем, что упомянутую явно или через ссылки на другие пункты формулы передачу энергии осуществляют, в том числе, с помощью любых из следующих устройств: излучающая антенна, колебательный контур, конденсатор, катушка индуктивности, магнетрон, клистрон, лампа обратной волны, лампа бегущей волны, лампа накаливании, диод Ганна, СВЧ печь, туннельный диод, лавинный диод, гиротрон, мазер.
(12) Пример осуществления изобретения, отличающийся тем, что при отделении нанообъектов от поверхности и выделении пространственно отделенных совокупностей, упомянутых явно или через ссылки на другие пункты формулы, используют, в том числе, какие-либо из следующих воздействий: инерционное воздействие, воздействие потоком газа или жидкости, ультразвуковое воздействие, встряхивание, отделение части субстанции, содержащей нанообъекты, фильтрация нанообъектов.
Технический результат и промышленная применимость
Техническим результатом реализации изобретения является получение в промышленных количествах нанообъектов, рассортированных по степени электропроводности с минимальными повреждениями, и массовый выпуск на их основе широкого класса высококачественных изделий. К этому классу изделий относятся, в частности, следующие изделия на основе углеродных нанотрубок, подробно описанные в современной научно-технической литературе: полевые транзисторы, биполярные транзисторы, солнечные батареи, лазеры, светодиоды и фотодиоды, источники электронов, преобразователи и излучатели электромагнитных полей, источники напряжения, конденсаторы, устройства для исследования поверхности, мониторы, гибкие и эластичные электронные и оптоэлектронные устройства, электрические и тепловые проводники, устройства для хранения водорода, компьютерная техника и т.д. В ряде случаев реализации данного изобретения эти изделия содержат полупроводниковые компоненты на основе полупроводниковых углеродных нанотрубок, рассортированных с помощью, по крайней мере одного из способов по пп.1-7 формулы изобретения. В ряде других случаев реализации данного изобретения изделия из указанного списка содержат металлические компоненты на основе металлических углеродных нанотрубок, рассортированных с помощью, по крайней мере одного из способов по пп.1-7 формулы изобретения. Во многих из перечисленных случаев возможность использования больших количеств неповрежденных нанотрубок, рассортированных с использованием данного изобретения, дает прямой эффект в улучшении таких важных характеристик изделий, как надежность, быстродействие, эффективность, мощность и др.
Замечания
(1) Под словосочетаниями «пространственно отделенный продук» и «пространственно отделенные совокупности (нанообъектов)» подразумеваются совокупности нанообъектов, отделенные в процессе сортировки от другой части исходной смеси на расстояния, позволяющие дальнейшее отдельное использование этого продукта.
(2) Под термином «разогрев» применительно к объектам и материалам подразумевается увеличение их внутренней энергии, связанное с увеличением энергии движения атомных или молекулярных частиц, иными словами, увеличение температуры в условиях термодинамического равновесия либо увеличение локальной «квазитемпературы» в неравновесном случае.
(3) Под термином «контакт» подразумевается существование общего интерфейса между любыми частями субстанции и нанообъектами.
(4) Под словосочетанием «отделение нанообъектов от поверхности» подразумевается процесс или действие, обеспечивающие отделение нанообъектов от той части поверхности субстанции, с которой они до отделения находились в контакте.
(5) Под термином «испарение» подразумевается фазовое превращение в субстанции газообразное состояние.
(6) Под словосочетанием «СВЧ диапазон» подразумевается диапазон электромагнитного излучения с частотами от 1 ГГц до 300 ГГц.
(7) Под словосочетанием «дальний инфракрасный диапазон» подразумевается диапазон электромагнитного излучения с частотами от 300 ГГц до 100 ТГц.
(8) Под словосочетанием «сортировка нанообъектов» подразумевается их сортировка в широком смысле этого слова, включая, в том числе, отделение нанотрубок с требуемыми свойствами от иных нанотрубок и от примесей.
(9) Термины «первый», «второй», «третий» и т.д. по отношению к вариантам осуществления изобретения используются лишь для указания порядка упоминания.
(10) Использование терминов в единственном числе также подразумевает их использование и во множественном числе, за исключением случаев, когда противоположное явно не следует из контекста.
(11) Использование терминов во множественном числе также подразумевает их использование и в единственном числе, за исключением случаев, когда противоположное явно не следует из контекста.
(12) Грамматические конструкции: «какие-либо (из)…», «каких-либо (из)…», «любые (из)…», «любых (из)…», «любым (из)…» употребляются в заявке для обозначения любых комбинаций следующих за этими конструкциями понятий, в том числе, какого-либо одного их этих понятий.
(13) Под термином «металлы» подразумеваются химические материалы, обладающие характерными металлическими свойствами, такими как высокая электропроводность, положительный температурный коэффициент сопротивления и др.
(14) Под словосочетаниями «металлические нанотрубки», «металлические примеси», «металлические вещества», «металлические частицы» подразумеваются указанные объекты, обладающие характерными металлическими свойствами, такими как высокая электропроводность, положительный температурный коэффициент сопротивления и др.
(15) Термины и словосочетания, определения которых содержатся в общедоступных словарях (за исключением тех, значения которых прямо указаны в описании и формуле изобретения), должны интерпретироваться с учетом их обычных значений в контексте соответствующей области техники.
Несмотря на то что данное изобретение проиллюстрировано в тексте и на рисунке достаточно подробно для различных вариантов осуществления, специалист в данной области техники легко обнаружит дополнительные преимущества, возможные усовершенствования и оптимальные величины используемых параметров, не выходя за рамки формулы изобретения. Конкретные примеры осуществления не должны ограничивать объем правовой защиты изобретения.
Описание рисунка
Приложенный рисунок, на который в настоящем описании делается ссылка как на его часть, используется лишь для схематических иллюстративных целей. Рисунок не должен ограничивать объем правовой защиты изобретения. В сочетании с формулой изобретения и описанием вариантов его осуществления рисунок служит для пояснения основных принципов изобретения.
Рис. 1 иллюстрирует схему, используемую в примере основного способа осуществления изобретения (см. раздел описания изобретения: «Краткое раскрытие сущности изобретения»).