專利名稱：基于螺旋性對(duì)單壁管狀富勒烯進(jìn)行體分離的定向流動(dòng)法和系統(tǒng)的制作方法
發(fā)明
背景技術(shù)：
領(lǐng)域本發(fā)明涉及一種對(duì)單壁管狀富勒烯基于其螺旋性進(jìn)行體分離(bulkseparation)的方法和系統(tǒng)。本發(fā)明更具體地涉及一種體分離的方法和系統(tǒng)，該方法和系統(tǒng)利用了管狀富勒烯在相似但平面的晶格結(jié)構(gòu)上以角取向進(jìn)行自取向的現(xiàn)象，該角取向根據(jù)管狀富勒烯的螺旋度而變化。本發(fā)明更進(jìn)一步涉及用來進(jìn)行體分離單壁管狀富勒烯方法的系統(tǒng)，其中管狀富勒烯在通過晶體或高取向基材上的流動(dòng)中以相對(duì)于基材晶格結(jié)構(gòu)的預(yù)定角度取向，并利用這一點(diǎn)在基材上吸附具有預(yù)定螺旋度的單壁管狀富勒烯。
背景技術(shù)：
管狀富勒烯，尤其是碳納米管是非常值得注意的，因?yàn)樗鼈冊(cè)谟糜跇?gòu)造納米級(jí)電子電路和機(jī)械器件中具有獨(dú)特的電學(xué)性質(zhì)和機(jī)械性質(zhì)。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，碳納米管的機(jī)械和電學(xué)性質(zhì)根據(jù)其螺旋度，即石墨晶格繞著納米管的管狀形體盤旋的角度而變化。碳納米管的電學(xué)性質(zhì)可在金屬性高導(dǎo)電結(jié)構(gòu)和半導(dǎo)體性結(jié)構(gòu)之間變化。商業(yè)化應(yīng)用這些獨(dú)特結(jié)構(gòu)的主要障礙之一是形成具有所需螺旋度結(jié)構(gòu)的問題。目前，碳納米管的合成是產(chǎn)生各種螺旋度的混合物，盡管已經(jīng)存在了合成所需直徑范圍內(nèi)納米管的技術(shù)。從這些產(chǎn)物中分離所需螺旋度的納米管需要使用納米探針(例如，原子力顯微鏡)進(jìn)行非常冗長(zhǎng)和效率低的機(jī)械分離法。因此，即使是作為實(shí)驗(yàn)室用途，從這些制備產(chǎn)物中分離出所需螺旋度的納米管也是一個(gè)非常辛苦且緩慢的過程。
目前可以選擇性地使半導(dǎo)體類納米管保持為束狀、或“索狀”排列的單壁碳納米管的一種方法已經(jīng)由IBM公司證實(shí)(P.G.Collins等人，″使用電擊穿的工程碳納米管和納米管電路(Engineering Carbon Nanotubes AndNanotube Circuits Using Electrical Breakdown)″Science.第292卷.第706-709頁，2001。在該方法中，將混亂螺旋度的納米管索沉積在硅晶圓上，然后覆蓋上致密陣列的源、漏和柵連接件，以形成場(chǎng)效應(yīng)器件。隨后，對(duì)納米管索施加一電壓，使金屬管爆裂和遭到損壞，但是半導(dǎo)體類材料未受到破壞。因此，可以得到依然存在的半導(dǎo)體納米管，并作為索仍舊附著在接觸點(diǎn)上，在此它們可用來產(chǎn)生有源器件。但是，該方法不能提供物理分離或?qū)⒓{米管分選為單獨(dú)的組件或容器的手段。該方法也不能提供堆積高傳導(dǎo)納米管的手段。更重要的是，該方法根本不能解決依據(jù)納米管的螺旋結(jié)構(gòu)對(duì)其進(jìn)行分選的問題。
最近的另一篇出版物，即Yanagi H等人″Self-orientation of ShortSingle-Walled Carbon Nanotubes Deposited on Graphite，″Applied PhysicsLetters，第78卷，No.10，2001年3月5日中揭示了一個(gè)實(shí)驗(yàn)，在此實(shí)驗(yàn)中將半導(dǎo)體碳納米管設(shè)置在高取向的熱解石墨基材上。發(fā)現(xiàn)納米管束自發(fā)地以其管軸以相對(duì)于基材六方軸的特定角度而聚集。
現(xiàn)有技術(shù)中另一個(gè)更近的發(fā)展是使用由螺旋性帶來的二級(jí)特征來分選碳納米管。報(bào)導(dǎo)的一種方法是使用DNA來輔助碳納米管的分散，然后基于這些納米管的電子性質(zhì)使用離子交換色譜對(duì)這些分散的納米管進(jìn)行分離，如Zheng M等人，″DNA輔助分散和分離碳納米管(DNA-Assisted Dispersionand Separation of Carbon Nanotubes)″Nature Materials Advance OnlinePublication，2003年4月6日，第1-5頁中討論的。另一種方法是使用交流電介電電泳將金屬碳納米管和半導(dǎo)體碳納米管相互分離，如Krupke R.等人，″從半導(dǎo)體單壁碳納米管中分離金屬性碳納米管(Separation of Metallicfrom Semiconducting Single-Walled Carbon Nanotubes)″，Science，第301卷，第344-347頁，2003中所討論的。
由此，主題專利申請(qǐng)的本發(fā)明利用了所需納米管自身螺旋表面的直接相互作用。這樣，本發(fā)明提供了一種方法，該方法可從依據(jù)現(xiàn)有方法合成的常規(guī)納米管類型混合物中大量物理分選或分離出具有特定螺旋度的納米管。文中所述的方法比現(xiàn)有技術(shù)的方法更優(yōu)越。本發(fā)明的方法提供了一種分離出具有特定螺旋度的納米管，而不只是從金屬納米管中分離出半導(dǎo)體納米管的手段。因此，該主題專利申請(qǐng)的本發(fā)明的方法在分選能力上與現(xiàn)有技術(shù)方法相比，更靈活和更有針對(duì)性，并且更容易實(shí)施。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了基于螺旋性對(duì)單壁管狀富勒烯進(jìn)行體分離的定向流動(dòng)方法。該方法包括步驟提供多個(gè)單壁管狀富勒烯；提供具有晶格結(jié)構(gòu)的基材；使所述多個(gè)單壁管狀富勒烯相對(duì)于基材晶格結(jié)構(gòu)的軸呈預(yù)定角度在基材上流動(dòng)，其中預(yù)定螺旋度的單壁管狀富勒烯被吸引和保持在基材上；以及將保持在基材上的所述單壁管狀富勒烯移取出來。
另一方面，本發(fā)明提供了一種基于螺旋性對(duì)單壁管狀富勒烯進(jìn)行體分離的系統(tǒng)，其包括裝有含單壁管狀富勒烯的流體的容器，所述單壁管狀富勒烯各具有一個(gè)縱軸。系統(tǒng)還包括一個(gè)配送裝置，該裝置具有至少一個(gè)出口和至少一個(gè)進(jìn)口，出口用來排出含單壁管狀富勒烯的流體，進(jìn)口與容器流體連通。而且，還提供了具有晶格結(jié)構(gòu)的基材，基材的晶格結(jié)構(gòu)具有選定的軸，該軸相對(duì)于從配送裝置的至少一個(gè)出口處流出的流動(dòng)方向呈預(yù)定角度，所述具有預(yù)定螺旋度的單壁管狀富勒烯從基材上流過，被吸引和保持在基材上。此外，系統(tǒng)還包括設(shè)置在基材附近的排放裝置，用來將任何含有未保持在基材上的單壁管狀富勒烯的流體排放出去。


圖1A是說明螺旋角度導(dǎo)出過程的圖；圖1B是說明其螺旋度的管狀富勒烯的透視圖；圖2是管狀富勒烯在基材晶格上自取向的示意圖；圖3是用在實(shí)施本發(fā)明中的端部官能化的單壁管狀富勒烯結(jié)構(gòu)的示意圖；
圖4是說明計(jì)算的納米管-石墨(graphene)相互作用能與角度的關(guān)系的圖；圖5是說明本發(fā)明方法的方塊圖；圖6是實(shí)施本發(fā)明所用系統(tǒng)的示意圖。
圖7是圖6中所示系統(tǒng)的局部放大圖；圖8是本發(fā)明中用于排齊的納米管流體流動(dòng)的另一種構(gòu)造的局部示意圖；圖9是本發(fā)明中用于排齊的納米管流體流動(dòng)的另一種構(gòu)造的局部示意圖；圖10是本發(fā)明中用于排齊的納米管流體流動(dòng)的另一種構(gòu)造的局部示意圖；圖11是沿著圖10中剖線11-11得到的截面圖；圖12是圖10中用來說明管道相對(duì)于基材移動(dòng)的構(gòu)造的示意圖。
具體實(shí)施例方式
為了繼續(xù)目前電子產(chǎn)品小型化的趨勢(shì)，需要在分子層次上構(gòu)建計(jì)算機(jī)電路。為此目的，已經(jīng)在使用單壁管狀富勒烯(具體是碳納米管)作為分子層次電路上的連接導(dǎo)體和有源器件方面進(jìn)行了大量的研究。這些分子結(jié)構(gòu)是非常引入注目的，因?yàn)樗鼈兙哂歇?dú)特的電學(xué)性質(zhì)，可以是金屬高導(dǎo)電性或半導(dǎo)體性的。管狀富勒烯表現(xiàn)出金屬性還是半導(dǎo)體性質(zhì)與管狀結(jié)構(gòu)的螺旋度有關(guān)。目前合成管狀富勒烯的方法產(chǎn)生的是各種螺旋度的混合物，通常是三分之二具有半導(dǎo)體性質(zhì)，而三分之一具有金屬性質(zhì)。
螺旋度是納米管晶格結(jié)構(gòu)中“扭曲”或“盤旋”的角度，用角度值表示(螺旋角)，在下文中將進(jìn)一步描述。該特性也稱為“手性角”或“手性”，對(duì)于管狀富勒烯結(jié)構(gòu)，這兩種術(shù)語在意思上是相同的。但是，在其它領(lǐng)域中，例如分子生物學(xué)領(lǐng)域中，術(shù)語“手性”特指且僅僅指鏡象分子結(jié)構(gòu)的左旋或右旋。為了避免任何混淆，本文中使用術(shù)語“螺旋角”和“螺旋度”。
為了更好地說明螺旋度的概念，現(xiàn)在來參考圖1A。在圖1A中，顯示了一個(gè)平面晶格10，其中任意原子12定義為螺旋矢量20的起點(diǎn)，該矢量從原子12延伸到晶格上的另一個(gè)原子14，原子14在平面晶格旋轉(zhuǎn)形成納米管時(shí)將與原子12重合。螺旋矢量20是n倍第一單位矢量a1和m倍第二單位矢量a2的和，如本領(lǐng)域中眾所周知的，單位矢量由晶格的六方幾何參數(shù)來限定。因此，在以下矢量等式中，n和m是整數(shù)(1)R＝na1+ma2因此，納米管的軸22定義為起始于螺旋矢量20并與其正交的直線。在圖1A的具體例子中，對(duì)于矢量20所定義的納米管的矢量描述是(6，4)納米管。此時(shí)n不等于m，晶格軸24，即通過晶格中相應(yīng)的原子18延伸的直線，不與納米管22的軸重合，而是偏離一個(gè)螺旋角x(n，m)。
在圖1B中，管狀富勒烯100表示當(dāng)晶格10卷起后所得的結(jié)構(gòu)，如前文所述。單壁碳納米管具有一個(gè)縱軸22和一個(gè)晶格軸24，晶格軸24與納米管的縱軸偏離一個(gè)螺旋角度，如前文所述。
為了進(jìn)一步說明體分離單壁管狀富勒烯法所依據(jù)的原理，現(xiàn)在來參考圖2。在圖2中，將管狀富勒烯100置于晶體或高取向基材30上。在此情況下，碳納米管顯示為設(shè)置在石墨基材上，這兩者的結(jié)構(gòu)都由六方晶格形成。當(dāng)兩種結(jié)構(gòu)具有相同的晶格結(jié)構(gòu)時(shí)，管狀富勒烯具有能量上有利的取向，其中管狀富勒烯和基材的六方晶格相互對(duì)齊(aligned)。也就是說，它們可相互作為另一方的標(biāo)記。因此，當(dāng)管狀富勒烯100由具有螺旋扭曲的晶格形成時(shí)，管狀富勒烯100的軸22相對(duì)于基材晶格38的縱軸36有角度偏移。管狀富勒烯的軸22相對(duì)于基材晶格軸36的角取向?yàn)榻铅?，其等于螺旋角x。角Θ也稱為“鎖角”，這是因?yàn)檫@是納米管在此角度建立具有極尖銳能量最小值的平衡取向，導(dǎo)致納米管在分子級(jí)上鎖定的角度。該能量曲線每60℃重復(fù)一次，反映出晶體或高取向基材的晶格對(duì)稱性。除了納米管和基材的晶格在此角度符合最短可能周期的這些“最低有序性”鎖角以外，另一小組“較高有序性”鎖角也可以存在，其中納米管和基材的晶格具有高有序性排列，該排列以一個(gè)較長(zhǎng)的周期重復(fù)。因此，當(dāng)管狀富勒烯被沉積在晶格結(jié)構(gòu)基本上相同的基材晶格上時(shí)，例如當(dāng)碳納米管被沉積在石墨基材上時(shí)，不同螺旋度的納米管會(huì)以不同但穩(wěn)定的角取向進(jìn)行自組。近來已經(jīng)計(jì)算出在較佳取向上的碳納米管和晶體或高取向碳基材之間的結(jié)合能，發(fā)現(xiàn)該值是先前預(yù)測(cè)值的5-10倍。該結(jié)果為本發(fā)明的體分離方法和設(shè)備提供了基礎(chǔ)。
粗富勒烯納米管通常制備成許多納米管的長(zhǎng)纏繞索形式，它們通過范德華作用力保持緊密接觸。如同本領(lǐng)域內(nèi)眾所周知的，可以通過在40℃、在濃硫酸和硝酸(分別為98％和70％)的3∶1混合物中進(jìn)行超聲處理，將納米管索分離和切割，形成單個(gè)較短的、端部開放的富勒烯。如此產(chǎn)生的“富勒烯管”是更易于操作并更適合用在分子電子產(chǎn)品中，以及適合進(jìn)行官能化以提高其溶解度，如下文中將要討論的。
可通過用長(zhǎng)鏈胺對(duì)管狀富勒烯進(jìn)行官能化來提高管狀富勒烯的溶解度。圖3中所示意的端部用酰胺基團(tuán)官能化的管狀富勒烯100′揭示在Hamon等人“單壁碳納米管的溶解(Dissolution of Single-Walled Carbon Nanotubes)”Advanced Materials，第11卷，No.10，1999中。這種端部官能化的管狀富勒烯的溶解度增加，但不會(huì)削弱管狀富勒烯在基材30上的沉積。美國(guó)專利#6187823中描述了類似的端部官能化作用。本領(lǐng)域中已知的、不干擾富勒烯自取向沉積特性的側(cè)鏈官能化也可以用來使富勒烯的溶解度得到所需的提高。
現(xiàn)在提及圖4，該圖表示的是納米管-石墨相互作用能的計(jì)算結(jié)果相對(duì)于垂直于基材的軸的角度之間的關(guān)系。零角度是角Θ，即前文所述的鎖角。角α是相對(duì)于角Θ的偏斜角?？紤]三種代表性的納米管螺旋度[(10，0)納米管、(5，5)納米管和(8，2)納米管]，圖4顯示，所有的納米管在α＝0°時(shí)，納米管-基材相互作用的結(jié)合能最大，表現(xiàn)為總能量/原子的尖銳最小值50、50′、5″。最大結(jié)合能值每間隔60°重復(fù)一次，例如最小值52，52′，52″所表示的(α＝60°時(shí)對(duì)應(yīng)的最小值是也會(huì)在120°、180°、240°和300°出現(xiàn)的最小值的代表)。此重復(fù)的圖反映出基材的對(duì)稱性。除了此“最低有序性”鎖角外，(8，2)納米管顯示出強(qiáng)“較高有序性”鎖角，表現(xiàn)為最小值54″。
對(duì)于最小值50和52、50′和52′、50″和52″之間的角度范圍，結(jié)合能值56、56′、56″不是完全平坦的，而是表現(xiàn)出一些較小和較大的數(shù)量級(jí)上的增加。結(jié)合能增加的部分原因是因?yàn)槭砻姘l(fā)生一些已知的次要對(duì)應(yīng)(commensuration)，如局部最小值54、54″所示。其它尖銳的局部最小值發(fā)生在與軸方向不相對(duì)應(yīng)的角度處，但是因?yàn)楦焕障┕艿闹睆捷^小，可以在橫向上產(chǎn)生有效的對(duì)應(yīng)。這些橫向?qū)?yīng)具有能量最小值，該值的下降幅度比全對(duì)應(yīng)取向上的下降幅度要低得多。用來計(jì)算圖4中結(jié)果的計(jì)算方法是本領(lǐng)域中已知的，描述在出版物A.N.Kolmogorov，V.H.Crespi，Phvs.Rev.Lett.，85，4727(2000)中。
因此，可以看出，當(dāng)富勒烯以相對(duì)于基材晶格的“鎖角”取向且偏移角為60°時(shí)，基材晶格和管狀富勒烯晶格之間存在相當(dāng)大的結(jié)合能。此結(jié)合能在基本上所有其它角取向上要小得多。除了該鎖角外，在本文所述的方法中，管狀富勒烯相對(duì)于基材軸取向的優(yōu)選角度可以是在該角度能利用次要對(duì)應(yīng)或非對(duì)應(yīng)取向的能量最小值的角度。在某些情況下，希望利用較低幅度的與次要對(duì)應(yīng)或非對(duì)應(yīng)取向相關(guān)的能量最小值，因?yàn)榭梢允刮降募{米管容易取下，或作為一種方法的第一過濾步驟，該方法根據(jù)納米管的螺旋角度進(jìn)行多步相繼分離。
現(xiàn)在參考圖5，該圖是說明基于螺旋性體分離單壁管狀富勒烯的定向流動(dòng)方法的方塊圖。管狀富勒烯稱為“納米管”，具體可以是碳納米管。在方塊210中，將多個(gè)納米管與流體組合。該組合可通過形成納米管的懸浮液或通過使納米管溶解在溶劑中來實(shí)現(xiàn)。因?yàn)榧{米管懸浮在流體中時(shí)發(fā)生一些溶解，但不是所有的納米管都溶解在溶劑中，所以納米管與流體的組合可以用溶解的和懸浮的納米管來表示。通過加入表面活性劑可使單壁管狀富勒烯位于水懸浮液中。本領(lǐng)域中已知的、用來形成碳納米管的懸浮液的表面活性劑例如十二烷基硫酸鈉和辛基苯酚環(huán)氧乙烷的縮合物，由Union Carbide以商品名Triton X-100出售。溶解形成溶液的管狀富勒烯可以被官能化，以提高其溶解度。管狀富勒烯可以是如前文所述端部官能化的，或如V.Georgakilas等人在“碳納米管的有機(jī)官能化(OrganicFunctionalization of Carbon Nanotubes)“J.Am.Chem.Soc.，第124卷，No.5(2002)中所述是側(cè)鏈官能化的?；蛘撸軤罴{米管可以被包裹在膠束中，如M.O′Connell等人，″Band Gap Fluorescence from Individual Single-WalledCarbon NanotLlbes，″Science，第297卷，2002年7月26日，第593-596頁中所述。將如此制備的納米管可以溶解或懸浮在水中或有機(jī)溶劑中，有機(jī)溶劑例如醚、二氯甲烷、三氯甲烷、丙酮、甲醇或乙醇。納米管也可以懸浮在氣態(tài)組合物中，通過鼓氣在基材上通過，從而形成流體流動(dòng)。在納米管與流體組合的步驟結(jié)束后，該方法進(jìn)入到步驟220，在步驟220中將納米管在流體流動(dòng)中排齊(aligne)。流體流動(dòng)具有一定的流速、密度和粘度，以產(chǎn)生小于30的低雷諾(Reynold)數(shù)值。如下面幾段中將要描述的，有許多不同的方法可以用來實(shí)現(xiàn)納米管與流體流動(dòng)的對(duì)齊，也就是說，使納米管縱軸的取向與流體流動(dòng)的方向平行。這些方法可單獨(dú)使用，或同時(shí)或相繼組合在一起使用。
步驟230中，提供一種基材，該基材的晶格對(duì)應(yīng)于納米管的晶格，并對(duì)該基材進(jìn)行取向，使晶格軸相對(duì)于在基材上流體流動(dòng)的方向呈預(yù)定角度。為了吸附碳納米管，使用具有六方晶格結(jié)構(gòu)的材料，例如高取向的熱解石墨基材。應(yīng)理解，也可以使用具有六方晶格結(jié)構(gòu)的其它材料，例如，但不限于，氮化硼。雖然對(duì)應(yīng)的形式要比石墨復(fù)雜得多，但是鎖角依然是可測(cè)定的。根據(jù)要從含納米管的流體中分離出來的納米管的具體螺旋度來選擇晶格軸的預(yù)定角度。排齊的納米管在取向的基材晶格上的流動(dòng)，可以使具有特定螺旋度的納米管得到較佳的吸附。含有未吸附在基材上的納米管的流體在步驟240中進(jìn)行收集。此收集的流出液可以如圖中的虛線所示進(jìn)行再循環(huán)，重復(fù)上述步驟，用來進(jìn)一步提取具有選擇螺旋度的納米管。收集的流出液也可以再循環(huán)，收集其它螺旋度的納米管。流出液在步驟240中被收集后，在步驟250中將吸附的納米管從基材上移出。
吸附在基材上的納米管可通過許多不同的方法移出。例如，若納米管是從其懸浮液中被吸附，則隨后可以使用溶劑在一過程中移出納米管，該過程可包括對(duì)所吸附的納米管進(jìn)行官能化以提高其溶解度的步驟。除了端部官能化和側(cè)鏈官能化外，也可以使用通過聚合物包裹來增加溶解度的技術(shù)。當(dāng)與流體組合的納米管溶解在溶劑中并流過基材時(shí)，從溶液中吸附的納米管可通過以下過程從基材上移出，即將吸附的納米管溶解在一種溶劑中，該溶劑與初始用來沉積納米管的流體相比，納米管更易于溶解在該溶劑中，從而引起分離。再一次，可通過側(cè)鏈官能化、端部官能化或聚合物包裹來提高吸附的納米管的溶解度。分散移取的方法可包括或與通過加熱、電場(chǎng)、機(jī)械振動(dòng)等方式施加能量相結(jié)合來促進(jìn)之。吸附的納米管也可利用液體或氣體在與基材平面平行的方向上流動(dòng)來從基材上機(jī)械“抹去”、“洗刷除去”，，或通過使用離心法在基材承受角加速時(shí)迫使吸附的納米管從基材上脫落?；蛘?，基材和納米管都可用單鏈烷烴進(jìn)行涂布，來增強(qiáng)方法的選擇性。然后可通過溶解該涂層，將納米管從基材上移取下來。
圖6中顯示了用于實(shí)施體分離方法的系統(tǒng)200的示意圖。系統(tǒng)200包括一個(gè)流體流動(dòng)系統(tǒng)120，系統(tǒng)120有一個(gè)庫(reservoir)，其內(nèi)裝有納米管和用來將納米管輸送到基材表面的溶劑或懸浮流體。流體流動(dòng)系統(tǒng)120包括任何所需的泵或所需的流量控制設(shè)備124，用來確保含納米管的流體在基材上以所需的流量進(jìn)行流動(dòng)。配送裝置(dispensing assembly)130具有至少一個(gè)靠近基材30的出口。至少一個(gè)進(jìn)口與系統(tǒng)120中含納米管流體的容器122流體連通。配送裝置130的結(jié)構(gòu)能使納米管排齊，使得納米管的縱軸按流體流動(dòng)通過裝置130的方向進(jìn)行取向。
一種使納米管排齊的方法是使用限制(confinement)基排列。為了實(shí)施該方法，配送裝置130包括具有至少一個(gè)流通通道134的管道132，流通通道134的尺寸能使大部分納米管受到限制基排列作用。限制基排列法通過使用其直徑或?qū)挾缺攘鬟^它的納米管的直徑要大10倍到一千倍的通道134來實(shí)現(xiàn)。為了使配送裝置130的效率達(dá)到最大，管道132具有多個(gè)平行的通道134，含納米管的流體從這些通道中流過。因此，如圖7中的放大圖所示，流過通道134的納米管100的縱軸與流動(dòng)方向?qū)R，方向用箭頭105表示。納米管100在基材100上面和/或其上方流過管道132。那些螺旋度符合晶格結(jié)構(gòu)取向的納米管將會(huì)被吸附在基材上，而其它納米管則流過基材，進(jìn)入流出液收集系統(tǒng)150。在各通道134的出口處，含納米管流體的流速在約為10-1000毫米/秒的范圍內(nèi)。
當(dāng)越來約接近表面時(shí)，流體流量下降，此時(shí)發(fā)生剪切基排列。這種與位置相關(guān)的流速變化，使納米管沿流動(dòng)方向且與基材表面有一角度的方式排齊，如本領(lǐng)域中眾所周知的。該效果與通道寬度無關(guān)。
建立拉伸流動(dòng)是另一種排齊方法。通過使流體通過收縮區(qū)來建立拉伸流動(dòng)。當(dāng)流體流過收縮區(qū)時(shí)，流速增加。如果納米管是懸浮在流過收縮區(qū)的流體中，則納米管的一端即位于下游的最遠(yuǎn)端，將會(huì)被較高流速的流體朝流動(dòng)方向拉伸。而納米管的位于流速較低的流體中的另一端，則移動(dòng)落后朝上游取向(fall behind to be directed upsteam)。作用在納米管兩端的反向力起著基本上使納米管的縱軸按流動(dòng)的方向排齊的作用。拉伸流動(dòng)排齊法的一個(gè)例子具體表現(xiàn)在圖10和圖11中的配送裝置130″中，該裝置可用來替代配送裝置130?；蛘叽祟惱炝鲃?dòng)排齊法可通過對(duì)每個(gè)通道134加入一個(gè)收縮截面而在配送裝置的管道132中實(shí)現(xiàn)。管道132由至少一個(gè)流通通道134′形成，流通通道134′具有一個(gè)從管道1322的一端延伸到收縮截面1344的孔洞。納米管在收縮截面1344中按流動(dòng)方向排齊，該截面導(dǎo)向一個(gè)更窄的通道截面1346。當(dāng)納米通過窄截面1346時(shí)，納米管保持一定程度的排齊。
不考慮使用的是何種配送裝置，如圖6所示將基材30設(shè)置在轉(zhuǎn)盤140上，使基材可以旋轉(zhuǎn)，如方向箭頭107所示，從而基材可以取向，其晶格軸相對(duì)于流動(dòng)方向105以預(yù)定角度對(duì)齊。或者，可以將流體流動(dòng)系統(tǒng)120和配送裝置130安裝在一個(gè)底座上，該底座可以相對(duì)于基材旋轉(zhuǎn)，如方向箭頭107中所示，使流體流動(dòng)方向105以相對(duì)于基材晶格軸的所需角度取向。通過系統(tǒng)150收集的流出液可再循環(huán)到庫122中，或者再循環(huán)到另一個(gè)系統(tǒng)200中，另一系統(tǒng)200中具有一種基材，該基材的晶格軸以與前述基材相同的預(yù)定角度進(jìn)行取向，或以另一個(gè)選來分離不同螺旋度的納米管的角度進(jìn)行取向。
在來自庫122中的含納米管的流體停止流動(dòng)后，可將基材30從轉(zhuǎn)盤140上取下，進(jìn)行處理，取得具有所需手性的吸附的納米管。或者，移取處理可在轉(zhuǎn)盤140上進(jìn)行，然后在先前收集的流出液被排出(purged)后用流出液收集系統(tǒng)150來收集吸附在基材上的納米管。
圖10-12中所示的配送裝置130″代表另一種可選用的配送裝置結(jié)構(gòu)。管道132的各流通通道134′由窄通道部分1346的一部分1348形成，該部分對(duì)著管道132的底面1324敞開。通過這樣的排列，基材30的上表面32與管道132一起限定了一個(gè)封閉形狀的通道。通過窄通道部分1346的一部分1348且螺旋度對(duì)應(yīng)于基材晶格取向的納米管不會(huì)附著在用來限定通道輪廓的暴露的基材上。管道最初是設(shè)置在基材30的遠(yuǎn)邊302處或近遠(yuǎn)邊302處，然后從此處以與流體流動(dòng)一致的方向移動(dòng)，如方向箭頭15所示。通過這樣的安排，基材的新鮮部分不斷地暴露在流體流動(dòng)中，直到達(dá)到基材的近端部分。該方法使附著的納米管在基材30上排列成一根線或多根線，具體取決于流通通道134′的數(shù)目。應(yīng)理解，流通通道134′可用來將納米管分配在基材30上，而不考慮采用的排齊方法。
參考圖8，圖中顯示了對(duì)于系統(tǒng)200中的一部分的另一種構(gòu)造，其中配送裝置130′包括管道132′，從流體流動(dòng)系統(tǒng)120′的庫122′中流出的液晶納米管漿料或溶液流過該管道。不使用剪切流動(dòng)作為使納米管的縱軸與流體流動(dòng)方向?qū)R的方法，配送裝置130′利用液晶排列的現(xiàn)象在納米管上施加一個(gè)扭矩，而使納米管在相同方向上排齊。將納米管溶解或懸浮在熱致液晶組合物，如稱為SCB的4′-戊基-4-氰基聯(lián)苯或稱為E7的烷基氰基聯(lián)苯和烷氧基氰基聯(lián)苯的混合物中。本領(lǐng)域中已經(jīng)知道，通過與向列基質(zhì)定向連接得到納米管排齊，可以通過在管道132′中形成密紋或通過使用由發(fā)射系統(tǒng)160提供的磁場(chǎng)或電場(chǎng)或它們的組合來實(shí)現(xiàn)液晶排列。由發(fā)射系統(tǒng)60產(chǎn)生的一種或多種場(chǎng)可以用來排齊液晶分子，進(jìn)而排齊納米管。
對(duì)于系統(tǒng)200中的一部分的另一種構(gòu)造顯示在圖9中。系統(tǒng)120的庫122中的含納米管的流體可以被取代基官能化，該納米管與未官能化的納米管相比具有更高的定向電極化率或磁化率。納米管的極化率(susceptibility)必需要比介質(zhì)流體大，因此未官能化的納米管的極化率可能是足夠的。因此，當(dāng)納米管的漿料或溶液流過管道132″時(shí)，它們暴露在由發(fā)射系統(tǒng)160所產(chǎn)生的一種或多種場(chǎng)中，并由此取向。納米管相對(duì)的兩端可以被如羧酸基團(tuán)之類的高酸性官能團(tuán)和如氨基之類的高堿性基團(tuán)所取代，以產(chǎn)生電偶極子，從而對(duì)發(fā)射系統(tǒng)160所生成的一種或多種場(chǎng)提供定向電極化。
盡管已經(jīng)結(jié)合了具體的形式和實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了描述，但是應(yīng)理解，可以進(jìn)行不同于上述的各種修改，而不背離本發(fā)明的精神或范圍。例如，可以用等同的方法步驟來取代已具體顯示和描述的方法，流動(dòng)中用來使納米管取向的不同的溶劑、表面活性劑或裝置可取代文中所述的，可以使用不依賴于其它方法的某些方法，并且在某些情況下，方法步驟的具體次序可以顛倒或插入，只要所有這些都不背離所附權(quán)利要求中所限定的本發(fā)明的精神或范圍。
權(quán)利要求
1.一種基于單壁管狀富勒烯的螺旋性對(duì)其進(jìn)行體分離的方法，其包括以下步驟提供多個(gè)單壁管狀富勒烯；提供具有晶格結(jié)構(gòu)的基材；使所述多個(gè)單壁管狀富勒烯相對(duì)于所述基材的所述晶格結(jié)構(gòu)的軸呈預(yù)定角度在基材上流動(dòng)，其中具有預(yù)定螺旋度的單壁管狀富勒烯被吸引并保持在所述基材上；以及將保持在所述基材上的所述單壁管狀富勒烯移取出來。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，在所述流動(dòng)步驟之前進(jìn)行將所述多個(gè)單壁管狀富勒烯的至少一部分溶解在一種流體中的步驟。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，在所述流動(dòng)步驟之前進(jìn)行將所述多個(gè)單壁管狀富勒烯的至少一部分懸浮在一種流體中的步驟。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述流動(dòng)步驟包括使所述多個(gè)單壁管狀富勒烯的縱軸與其流動(dòng)方向?qū)R的步驟。
5.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述流動(dòng)步驟包括使所述多個(gè)單壁管狀富勒烯的縱軸與其流動(dòng)方向?qū)R的步驟。
6.如權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，所述流動(dòng)步驟包括使所述多個(gè)單壁管狀富勒烯的縱軸與其流動(dòng)方向?qū)R的步驟。
7.如權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，所述對(duì)齊步驟包括通過至少一個(gè)出口通道形成限制基排列的步驟。
8.如權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，所述至少一個(gè)出口通道的直徑大于所述單壁管狀富勒烯直徑，但不超過1000倍。
9.如權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，所述對(duì)齊步驟包括通過至少一個(gè)出口通道形成拉伸流動(dòng)的步驟。
10.如權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，所述形成拉伸流動(dòng)的步驟包括在所述出口通道中形成收縮區(qū)的步驟。
11.如權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于，所述形成收縮區(qū)的步驟包括形成所述出口通道，使其具有并列在所述基材上的開放底部，以限定出閉合形狀的通道的步驟。
12.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述提供多個(gè)單壁管狀富勒烯的步驟包括用分子基團(tuán)對(duì)所述單壁管狀富勒烯進(jìn)行官能化的步驟，所述分子基團(tuán)具有高電極化率或磁化率中的一種性質(zhì)。
13.如權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于，所述流動(dòng)步驟包括使用至少一種定向通過所述流體流動(dòng)的電場(chǎng)或磁場(chǎng)來使所述多個(gè)單壁管狀富勒烯與所述流體流動(dòng)的方向?qū)R的步驟。
14.如權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，所述對(duì)齊步驟包括通過至少一個(gè)出口通道形成拉伸流動(dòng)的步驟。
15.如權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于，所述形成拉伸流動(dòng)的步驟包括在所述出口通道中形成收縮區(qū)的步驟。
16.如權(quán)利要求15所述的方法，其特征在于，所述形成收縮區(qū)的步驟包括形成所述出口通道，使其具有并列在所述基材上的開放底部，以限定出閉合形狀的通道的步驟。
17.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，在所述流動(dòng)步驟之前進(jìn)行將所述多個(gè)單壁管狀富勒烯懸浮在液晶材料中的步驟。
18.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，在所述流動(dòng)步驟之前進(jìn)行使出口通道具有并列在所述基材上的開放底部，形成閉合形狀的通道的步驟。
19.一種基于螺旋性對(duì)單壁管狀富勒烯進(jìn)行體分離的系統(tǒng)，其包括含單壁管狀富勒烯的流體的容器，所述單壁管狀富勒烯各自具有縱軸；配送裝置，所述裝置具有至少一個(gè)出口和至少一個(gè)進(jìn)口，所述出口用來排出含單壁管狀富勒烯的流體，所述進(jìn)口與所述容器流體連通；具有晶格結(jié)構(gòu)的基材，所述基材的晶格結(jié)構(gòu)具有選定的軸，該軸設(shè)置成相對(duì)于從所述配送裝置的至少一個(gè)出口處流出的物流成預(yù)定角度，其中在所述基材上流過的具有預(yù)定螺旋度的單壁管狀富勒烯被吸引并保持在基材上；以及設(shè)置在所述基材附近的排放裝置，用來將未保持在所述基材上的任何含單壁管狀富勒烯的流體排放出去。
20.如權(quán)利要求19所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述配送裝置包括用于將所述單壁管狀富勒烯的縱軸按所述流動(dòng)方向排齊的裝置。
21.如權(quán)利要求20所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述排齊裝置包括至少一個(gè)出口通道，所述出口通道與所述配送裝置的至少一個(gè)出口流體連通，所述至少一個(gè)出口通道適于形成通過其中的限制基排列。
22.如權(quán)利要求21所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述至少一個(gè)出口通道的直徑大于所述單壁管狀富勒烯直徑，但不超過1000倍。
23.如權(quán)利要求20所述的系統(tǒng)，還包括液晶材料的容器，所述排齊裝置包括將所述單壁管狀富勒烯與所述液晶材料混合以使所述單壁管狀富勒烯懸浮在其中的裝置，所述懸浮液在所述基材上流過。
24.如權(quán)利要求19所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述配送裝置的至少一個(gè)出口由具有并列在所述基材上的開放底部的出口通道所限定。
25.如權(quán)利要求20所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述排齊裝置包括接近于至少一個(gè)出口通道的發(fā)射系統(tǒng)，所述至少一個(gè)出口通道與所述配送裝置的至少一個(gè)出口流體連通，所述發(fā)射系統(tǒng)使所述含單壁管狀富勒烯的流體受到磁場(chǎng)或電場(chǎng)中的一種場(chǎng)的作用，以使所述單壁管狀富勒烯的所述縱軸與所述流動(dòng)對(duì)齊。
26.如權(quán)利要求19所述的系統(tǒng)，還包括用來旋轉(zhuǎn)支撐所述基材的轉(zhuǎn)盤。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種基于螺旋性對(duì)單壁管狀富勒烯(100)進(jìn)行體分離的方法，其中，單壁管狀富勒烯(100)的溶液或懸浮液在晶體或高取向的基材(30)上流動(dòng)。在基材(30)上流動(dòng)的單壁管狀富勒烯(100)具有對(duì)應(yīng)的縱軸，該縱軸與流動(dòng)方向(105)對(duì)齊。流動(dòng)方向(105)相對(duì)于基材(30)的晶格軸呈預(yù)定角度，以使具有管狀形狀和選定的螺旋度的多個(gè)單壁富勒烯(100)發(fā)生有利于能量的吸附。然后，將具有所選擇手性的吸附的單壁管狀富勒烯(100)從基材(30)上移取出來。
文檔編號(hào)B01DGK1860079SQ200480028030
公開日2006年11月8日 申請(qǐng)日期2004年8月17日 優(yōu)先權(quán)日2003年9月25日
發(fā)明者J·C·埃倫伯根, M·H·施萊爾-史密斯, V·H·克雷斯皮, A·N·科洛默格羅夫 申請(qǐng)人:邁脫有限公司, 賓州研究基金會(huì)