微小導電性物質の分離方法、微小導電性物質及び微小導電性物質の分離装置
【課題】インダクタンスを含めたインピーダンスの大きさに応じてナノマテリアルを分離すること。
【解決手段】複数の微小導電性物質から成る集合体を添加した溶媒に、互いに同一又は奇数倍の関係の周波数を有する電界と磁界とを同期して加えて前記各微小導電性物質を各インピーダンス値に対応した各位置に分散させる。
【解決手段】複数の微小導電性物質から成る集合体を添加した溶媒に、互いに同一又は奇数倍の関係の周波数を有する電界と磁界とを同期して加えて前記各微小導電性物質を各インピーダンス値に対応した各位置に分散させる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えばナノマテリアル等の微小導電性物質をそのインピーダンスの大きさに応じて分散させる微小導電性物質の分離方法、微小導電性物質及び微小導電性物質の分離装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ナノマテリアルは、少なくとも一次元の大きさが１００ｎｍよりも小さな材料を総称する。ナノマテリアルは、例えばカーボンブラック、カーボンナノチューブ、カーボンナノコイル、フラーレン等に代表されるナノカーボンや、金属又は非金属からなるナノ粒子、ナノファイバー等を含む。
ナノマテリアルは、既に様々な分野で応用されており、その応用分野を広げる研究が盛んである。ナノマテリアルの物理的な大きさを利用した例としては、例えばカーボンナノチューブを先端に有するカンチレバーがある。このカンチレバーは、製品化されている。
【０００３】
ナノマテリアルを集めると、限られた空間内で大きな表面積が得られるので、例えば金属ナノ粒子を触媒として利用する製品がある。導電性を有するナノマテリアルについては、その物理的な大きさと電荷を移動できるという２つの特徴を有することから、より高度な利用方法が研究されている。例えば、電子デバイスやマイクロ・エレクトロ・メカニカル・システムズ（ＭＥＭＳ）用の電気回路素子として、１個又は少量のカーボンナノチューブをチャネルや配線として利用する研究や、カーボンナノコイルをコイルとして利用する研究がされている。
【０００４】
大量のカーボンブラックやカーボンナノチューブを高分子材料に添加することで、高分子材料が有する加工の容易さを維持したまま、導電性を有する材料が開発されている。ここで言う導電性は、半導体性、制電性を含む。最近では、携帯電話内部の部品やパーソナルコンピュータ等のように外部の電磁波から保護することが望ましい電子機器や、ディスプレイやオーディオ機器等のように外部への電磁波の漏洩を防止することが望ましい電子機器の用途としてカーボンナノチューブやカーボンナノコイルを高分子材料に添加した電磁波シールド材、電磁波吸収材の研究が盛んである。
【０００５】
このようにナノマテリアルを電気回路素子や電磁波シールド材等の製品に利用する場合、当該製品に使用するナノマテリアルの電気抵抗やインダクタンス等で決まるインピーダンスが製品の性能に大きく影響する。例えば、１個又は少量のナノマテリアルを利用する電気回路素子では、使用するナノマテリアルのインピーダンスのばらつきが直接的に電気回路素子の特性のばらつきに影響する。大量のナノマテリアルを利用する電磁波シールド材等においても、電気抵抗の大きいナノマテリアルが混在すると、平均の電気抵抗が大きくなるので、電磁波シールド材等での電磁波吸収量が低下することになる。電気回路素子や電磁波シールド材等に含まれる個々のナノマテリアルのインダクタンスのばらつきが特定の周波数帯に対する吸収効率を低下させる要因になる。
【０００６】
しかしながら、同じ名称のナノマテリアルであっても、一般的に個々にナノマテリアルのインピーダンスが著しく異なるので、ナノマテリアルの物理的な大きさのみを利用する場合に比ベて、インピーダンスを利用するナノマテリアルは、その実用化が大きく遅れている。
【０００７】
例えば、カーボンナノチューブ、カーボンナノコイル等に代表される繊維状のナノマテリアルは、その等価回路を電気抵抗素子とインダクタンス素子（コイル）との直列回路により表すことができる。インピーダンスＺ［Ω］は、電気抵抗Ｒ［Ω］とインダクタンスＬ［Ｈ］等を用いて次式（１）により表される。
Ｚ２＝Ｒ２＋ω２Ｌ２ …（１）
ω［ラジアン／ｓ］は角周波数であり、周波数ｆ［Ｈｚ］を用いてω＝２πｆにより表される。
【０００８】
一般的に、電気抵抗Ｒは、カイラリティの違いや欠陥の量によって変化する。インダクタンスＬは、繊維長やコイル形状を規定する各種寸法の違いによって変化すると考えられる。従って、ナノマテリアルは、上記式（１）に示す関係から電気抵抗Ｒ及びインダクタンスＬの各値からインピーダンスの違いとして現れる。
【０００９】
カーボンナノチューブは、例えば、一般的に金属型のものと半導体型のものとが含まれるので、それぞれ電気抵抗Ｒが異なり、インピーダンスＺに大きなばらつきが生じる。ナノマテリアルは、大きさが微小であるがゆえに、僅かな寸法の違いや原子レベルの欠陥が存在すると、大きなインピーダンスＺの違いとして現れる。このため、ある装置で同時に作製されたナノマテリアルであっても、個々のナノマテリアルが有するインピーダンスは大きくばらついている。
【００１０】
このような状況からナノマテリアルをそのインピーダンスによって詳細に分離する方法が要求されている。
【００１１】
このような課題に対して例えば特許文献１は、複数のカーボンナノチューブを集めた集合体中から金属型カーボンナノチューブを分離する方法を開示する。特許文献１は、その他の公知例が多数開示する。
特許文献２は、ゲルを通電するゲル電気泳動法によってカーボンナノチューブを金属型と半導体型とに分離する実用的な方法を開示する。この特許文献２は、金属型、半導体型という大まかな電気抵抗の違いによる分離しかできない。
カーボンナノチューブをカイラリティのタイプによって分離する方法として特許文献３がある。この特許文献３は、カーボンナノチューブの集合体に電界を加える方法を開示する。この特許文献３は、インピーダンスの値に基づく分離は不可能である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】再公表２００６−０１３７８８号公報
【特許文献２】特開２００８−２８５３８７号公報
【特許文献３】特許第４２０８７２２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
以上のようにナノマテリアルをそのインピーダンスの値によって詳細に分離するための有効な方法がなかった。特に電磁波シールド材等においては、カーボンブラックやカーボンナノチューブを利用する場合よりも、カーボンナノコイルを利用することで、高い周波数の電磁波を効率よく吸収できると期待されている。カーボンナノコイルは、その形がコイル状であるため、特にインダクタンスによる分類が重要となるが、インダクタンスにより分離することを実現する技術が見当たらない。
【００１４】
そこで、本発明は上記実情に基づきなされたもので、その目的とするところは、インダクタンスを含めたインピーダンスの大きさに応じてナノマテリアルを分離する微小導電性物質の分離方法、微小導電性物質及び微小導電性物質の分離装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明の主要な局面に係る微小導電性物質の分離方法は、複数の微小導電性物質から成る集合体を添加した溶媒に、互いに同一又は奇数倍の関係の周波数を有する電界と磁界とを同期して加えて前記各微小導電性物質を各インピーダンス値に対応した各位置に分散させる。
【００１６】
本発明の主要な局面に係る微小導電性物質は、複数の微小導電性物質から成る集合体を添加した溶媒に、互いに同一又は奇数倍の関係の周波数を有する電界と磁界とを同期して加えて前記各微小導電性物質を各インピーダンス値に対応した各位置に分散させることにより取得される。
【００１７】
本発明の主要な局面に係る微小導電性物質の分離装置は、複数の微小導電性物質から成る集合体を添加した溶媒を収容する容器と、前記溶媒に電界を加える電界発生部と、前記溶媒に磁界を加える磁界発生部と、前記電界発生部により発生する前記電界と前記磁界発生部により発生する前記磁界とを互いに同一又は奇数倍の関係の周波数に制御し、当該制御された前記電界と前記磁界とを同期して前記溶媒に加えて前記各微小導電性物質を各インピーダンス値に対応した各位置に分散させる制御部とを具備する。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、インダクタンスを含めたインピーダンスの大きさに応じてナノマテリアルを分離する微小導電性物質の分離方法、微小導電性物質及び微小導電性物質の分離装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１Ａ】本発明に係る微小導電性物質の分離装置の一実施の形態を示す正面構成図。
【図１Ｂ】同装置を示す側面構成図。
【図２】同装置における高周波回路を示すブロック構成図。
【図３】同装置の等価回路を示す図。
【図４】同装置における水槽内の有機媒体に加わる高周波電界と高周波磁界とナノマテリアルに加わる電磁力とを示す摸式図。
【図５】同装置におけるナノマテリアルに働く電磁力の発生原理を説明するための図。
【図６】同装置におけるナノマテリアルのインピーダンス値に応じた移動速度による分散の状態を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明の一実施の形態について図面を参照して説明する。
図１Ａは微小導電性物質の分離装置の正面構成図を示し、図１Ｂは同装置の側面構成図を示す。ＸＹ平面は水平面方向に一致し、Ｚ軸は高さ方向である。水槽１は、長方体の形状に形成され、開口部２を上方に向けて設置されている。水槽１の開口部２には、蓋が設けられ、開口部２を閉じるようになっている。この水槽１は、例えば長手方向をＹ方向に一致させて設置されている。水槽１内には、例えば水、エタノール等の有機媒体３が収容されている。この有機媒体３中には、微小導電性物質として例えばコイル状に形成された微小なカーボン、具体的には複数のナノマテリアル４の粉末状の集合体５を有機媒体３に分散させたサンプル液６が滴下される。このサンプル液６は、水槽１内における同水槽１の長手方向の中央部に滴下される。サンプル液６を滴下する位置は、水槽１の長手方向の一端側又は他端側でもよい。
【００２１】
水槽１の両側面１ａ、１ｂの各外側には、図１Ａに示すようにそれぞれ一対の高周波電極１０ａ、１０ｂが設けられている。これら高周波電極１０ａ、１０ｂは、高周波電界を発生し、この高周波電界を水槽１内の有機媒体３に加えるためのものである。これら高周波電極１０ａ、１０ｂは、水槽１を挟んで水平方向（Ｘ方向）に対向配置されている。これら高周波電極１０ａ、１０ｂは、それぞれ長方形状の平板状に形成され、その大きさは、水槽１の各側面１ａ、１ｂよりも大きく形成されている。一方の高周波電極１０ａは、高周波回路１１に接続されている。他方の高周波電極１０ｂは、接地されている。
【００２２】
水槽１の開口部２の上方と底面１ｃの下方とには、図１Ｂに示すようにそれぞれ一対の電磁石１２ａ、１２ｂが設けられている。これら電磁石１２ａ、１２ｂは、水槽１を挟んで上下方向（Ｚ方向）に対向配置されている。これら電磁石１２ａ、１２ｂは、高周波磁界を発生し、この高周波磁界を水槽１内の有機媒体３に加えるためのものである。これら電磁石１２ａ、１２ｂは、ヨークと、このヨークの外周に設けられたコイルとから成る。これら電磁石１２ａ、１２ｂの大きさは、それぞれ水槽１の開口部２及び底面の大きさよりも大きく形成されている。これら電磁石１２ａ、１２ｂの一端は、高周波回路１１に接続され、他端は共通接続されて接地されている。
【００２３】
高周波回路１１は、一対の高周波電極１０ａ、１０ｂと一対の電磁石１２ａ、１２ｂとに高周波電力を供給する。この高周波電力の周波数は、例えば１ｋＨｚ〜１００ＭＨｚの範囲で可変可能である。この高周波電力の周波数は、例えば１３．５６ＭＨｚに代表されるＲＦ周波数に設定される。図２は高周波回路１１のブロック構成図を示す。この高周波回路１１は、高周波電源１１−１と整合回路１１−２とから成る。高周波電源１１−１は、整合回路１１−２を介して一対の高周波電極１０ａ、１０ｂと一対の電磁石１２ａ、１２ｂとに接続されている。整合回路１１−２は、高周波電源１１−１と一対の高周波電極１０ａ、１０ｂ及び一対の電磁石１２ａ、１２ｂとの間のインピーダンスの整合を取る。高周波電源１１−１は、例えば１ｋＨｚ〜１００ＭＨｚの周波数範囲内で可変可能な高周波電力を発生する。
【００２４】
制御部１３が高周波回路１１に接続されている。この制御部１３は、高周波電源１１−１から発生する高周波電力の周波数を例えば１ｋＨｚ〜１００ＭＨｚの範囲で可変する。この制御部１３は、例えばナノマテリアル４の種類に応じて高周波電源１１−１から発生する高周波電力の周波数を可変する機能を有する。ナノマテリアル４の種類に応じた高周波電力の周波数は、例えば操作部を介してオペレータの操作指示を受けて可変設定される。この制御部１３は、一対の高周波電極１０ａ、１０ｂによる高周波電界の発生と一対の電磁石１２ａ、１２ｂによる高周波磁界の発生とを同期させる。この制御部１３は、一対の高周波電極１０ａ、１０ｂにより発生する高周波電界と一対の電磁石１２ａ、１２ｂにより発生する高周波磁界とを互いに同一の周波数に制御する、又は互いに奇数倍の関係の周波数に制御する。
図３は同装置の等価回路を示す。同装置は、高周波回路１１に各電磁石１２ａ、１２ｂの各インダクタンス１２ａ−Ｌ、１２ｂ−Ｌと、各高周波電極１０ａ、１０ｂから成るキャパシタンス１０Ｃとが並列接続されている。
【００２５】
次に、上記の如く構成された装置によるナノマテリアル４の分離作用について説明する。
複数のナノマテリアル４の粉末状の集合体５を有機媒体３に分散させたサンプル液６が作製される。このサンプル液６は、水槽１内に収容されている例えば水、エタノール等の有機媒体３内に滴下される。サンプル液６の滴下の位置は、例えば水槽１内における長手方向の中央部である。
【００２６】
高周波回路１１は、一対の高周波電極１０ａ、１０ｂと一対の電磁石１２ａ、１２ｂとに共に、例えば高周波数１ｋＨｚ〜１００ＭＨｚの範囲内の１つの高周波数を有する電力を供給する。これにより、一対の高周波電極１０ａ、１０ｂ間には、図４に示すように高周波電界Ｅが発生する。この高周波電界Ｅは、水槽１の長手方向に対して垂直な水平方向（Ｘ方向）に発生し、水槽１内の有機媒体３に加わる。この高周波電界Ｅの発生に同期して一対の電磁石１２ａ、１２ｂ間には、図４に示すように高周波磁界Ｂが発生する。この高周波磁界Ｂは、水槽１に対して上下方向（Ｚ方向）に発生し、水槽１内の有機媒体３に加わる。
【００２７】
水槽１内の有機媒体３に高周波電界Ｅが加わると、有機媒体３内に存在する各ナノマテリアル４にそれぞれ交流電流が流れる。この交流電流は、当該各ナノマテリアル４の各インピーダンス値に応じた各電流量である。このとき、水槽１内の有機媒体３には、高周波電界Ｅに同期して高周波磁界Ｂが加わるので、各ナノマテリアル４に流れる各電流量と高周波磁界Ｂとによって各ナノマテリアル４には、それぞれ図５に示すような電磁力Ｆが働く。各ナノマテリアル４は、それぞれ電磁力Ｆを受けて、当該電磁力Ｆに応じた移動速度で水槽１内を移動する。
【００２８】
高周波磁界Ｂの磁束密度Ｂａ［Ｔ］、ナノマテリアル４の長さｌ、高周波磁界Ｂとナノマテリアル４とのなす角度θ、ナノマテリアル４に流れる電流Ｉ［Ａ］とすると、電磁力Ｆは、
Ｆ＝Ｉ・Ｂａ・ｌsinθ［Ｎ／ｍ］ …（１）
により表される。この電磁力Ｆは、高周波磁界Ｂの発生方向とナノマテリアル４に流れる電流Ｉの方向との両方に直角な方向に働く。
【００２９】
高周波電界Ｅと高周波磁界Ｂとは交流であるので、半周期毎に高周波電界Ｅの発生方向と高周波磁界Ｂの発生方向とが変化するが、高周波電界Ｅと高周波磁界Ｂとは同期しているので、高周波電界Ｅの発生方向と高周波磁界Ｂの発生方向とも同期して変化する。従って、各ナノマテリアル４に働く電磁力Ｆの方向は、常に一定の方向である。電磁力Ｆは、ナノマテリアル４に流れる電流Ｉの大きさに比例するので、電磁力Ｆの大きさは、ナノマテリアル４のインピーダンス値に応じて変わる。各ナノマテリアル４の水槽１中での移動速度は、各ナノマテリアル４のインピーダンス値に依存する。
【００３０】
水槽１内の有機媒体３に高周波電界Ｅと高周波磁界Ｂとが加わった状態で所定時間経過すると、各ナノマテリアル４は、それぞれ移動速度に応じた各位置まで移動する。例えば図６（ａ）に示すように水槽１内における長手方向の中央部に存在した各ナノマテリアル４は、それぞれの移動速度に応じた距離だけ移動し、略同一のインピーダンス値を有する各ナノマテリアル４毎に分散して略同一位置に集まる。なお、図６（ｂ）は各インピーダンス値別の各ナノマテリアル４の集まりが分かりやすいように例えば５箇所の各位置４−１〜４−５に各ナノマテリアル４が集まったことを示す。
【００３１】
従って、上記所定時間経過後、高周波電源１１−１を遮断（ＯＦＦ）すると、各ナノマテリアル４の移動が停止するので、各ナノマテリアル４は、それぞれ各インピーダンス値別の各位置４−１〜４−５に集った状態になる。
この後、水槽１は、本分離装置から取り出される。水槽１内から各位置４−１〜４−５別に各ナノマテリアル４を含む有機媒体３が取り出される。これらナノマテリアル４を含む有機媒体３は、例えば乾燥によって有機溶媒３を除去する。この結果、例えば４種類のインピーダンス値別に分離した各ナノマテリアル４の各集合体を得ることができる。
【００３２】
このように上記一実施の形態によれば、複数のナノマテリアル４から成る集合体を添加した有機媒体３中に、互いに同一の高周波周波数を有する高周波電界Ｈと高周波磁界Ｂとを同期して加えて各ナノマテリアル４を各インピーダンス値に対応した各位置に分散させるので、各インピーダンス値別のナノマテリアル４の各集合体に分離できる。
【００３３】
電磁波シールド材等においては、カーボンナノコイルを利用することで、高い周波数の電磁波を効率よく吸収できると期待されているので、電磁波シールド材等に利用する当該カーボンナノコイルをインダクタンスの値別に分離することができる。又、電磁波シールド材では、電気抵抗が小さいナノマテリアル４だけを選択的に使用できれば、遮蔽効率を向上できる。さらに、特定のインダクタンスを有するナノマテリアル４を選択的に使用できれば、特定の帯域の電磁波を遮蔽するといった性能を期待できる。従って、電磁波シールド材に利用する部材の要求、すなわち特定のインダクタンスを有するナノマテリアル４を得ることができる。
【００３４】
なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。
上記一実施の形態では、一対の高周波電極１０ａ、１０ｂと一対の電磁石１２ａ、１２ｂとを同一の高周波電源１１−１に接続しているが、これに限らず、一対の高周波電極１０ａ、１０ｂと一対の電磁石１２ａ、１２ｂとをそれぞれ別々の各高周波電源に接続してもよい。この場合、別々の各高周波電源は、それぞれの高周波電力の位相差を制御し、各高周波電源間の位相が同一位相となるようにする。
【００３５】
上記一実施の形態では、複数のナノマテリアル４から成る集合体を添加した有機媒体３中に、高周波電界Ｈと高周波磁界Ｂとを一回加えて各ナノマテリアル４を分散させているが、これら分散された各ナノマテリアル４の集まり別にさらに、高周波電界Ｈと高周波磁界Ｂとを再度加えて各ナノマテリアル４を各インピーダンス値別に分離してもよく、同分離を複数回実施してもよい。ナノマテリアルのインピーダンス値別の分離を複数回実施することで、ナノマテリアルのインピーダンス値別の分離の精度を高くできる。
上記一実施の形態は、ナノマテリアル４の分離について説明したが、これに限らず、微小導電性物質として金属材料でも各インピーダンス値別に分離可能である。この場合、制御部１３は、例えばナノマテリアル４の種類に限らず、微小導電性物質として金属材料やカーボン等に応じて高周波電源１１−１から発生する高周波電力の周波数を可変する。
【符号の説明】
【００３６】
１：水槽、１ａ，１ｂ：水槽の両側面、１ｃ：水槽の底面、２：開口部、３：有機媒体、４：ナノマテリアル、４−１〜４−５：各位置、５：集合体、６：サンプル液、１０ａ，１０ｂ：一対の高周波電極、１０Ｃ：各高周波電極から成るキャパシタンス、１１：高周波回路、１１−１：高周波電源、１１−２：整合回路、１２ａ，１２ｂ：一対の電磁石、１２ａ−Ｌ，１２ｂ−Ｌ：電磁石のインダクタンス、１３：制御部。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えばナノマテリアル等の微小導電性物質をそのインピーダンスの大きさに応じて分散させる微小導電性物質の分離方法、微小導電性物質及び微小導電性物質の分離装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ナノマテリアルは、少なくとも一次元の大きさが１００ｎｍよりも小さな材料を総称する。ナノマテリアルは、例えばカーボンブラック、カーボンナノチューブ、カーボンナノコイル、フラーレン等に代表されるナノカーボンや、金属又は非金属からなるナノ粒子、ナノファイバー等を含む。
ナノマテリアルは、既に様々な分野で応用されており、その応用分野を広げる研究が盛んである。ナノマテリアルの物理的な大きさを利用した例としては、例えばカーボンナノチューブを先端に有するカンチレバーがある。このカンチレバーは、製品化されている。
【０００３】
ナノマテリアルを集めると、限られた空間内で大きな表面積が得られるので、例えば金属ナノ粒子を触媒として利用する製品がある。導電性を有するナノマテリアルについては、その物理的な大きさと電荷を移動できるという２つの特徴を有することから、より高度な利用方法が研究されている。例えば、電子デバイスやマイクロ・エレクトロ・メカニカル・システムズ（ＭＥＭＳ）用の電気回路素子として、１個又は少量のカーボンナノチューブをチャネルや配線として利用する研究や、カーボンナノコイルをコイルとして利用する研究がされている。
【０００４】
大量のカーボンブラックやカーボンナノチューブを高分子材料に添加することで、高分子材料が有する加工の容易さを維持したまま、導電性を有する材料が開発されている。ここで言う導電性は、半導体性、制電性を含む。最近では、携帯電話内部の部品やパーソナルコンピュータ等のように外部の電磁波から保護することが望ましい電子機器や、ディスプレイやオーディオ機器等のように外部への電磁波の漏洩を防止することが望ましい電子機器の用途としてカーボンナノチューブやカーボンナノコイルを高分子材料に添加した電磁波シールド材、電磁波吸収材の研究が盛んである。
【０００５】
このようにナノマテリアルを電気回路素子や電磁波シールド材等の製品に利用する場合、当該製品に使用するナノマテリアルの電気抵抗やインダクタンス等で決まるインピーダンスが製品の性能に大きく影響する。例えば、１個又は少量のナノマテリアルを利用する電気回路素子では、使用するナノマテリアルのインピーダンスのばらつきが直接的に電気回路素子の特性のばらつきに影響する。大量のナノマテリアルを利用する電磁波シールド材等においても、電気抵抗の大きいナノマテリアルが混在すると、平均の電気抵抗が大きくなるので、電磁波シールド材等での電磁波吸収量が低下することになる。電気回路素子や電磁波シールド材等に含まれる個々のナノマテリアルのインダクタンスのばらつきが特定の周波数帯に対する吸収効率を低下させる要因になる。
【０００６】
しかしながら、同じ名称のナノマテリアルであっても、一般的に個々にナノマテリアルのインピーダンスが著しく異なるので、ナノマテリアルの物理的な大きさのみを利用する場合に比ベて、インピーダンスを利用するナノマテリアルは、その実用化が大きく遅れている。
【０００７】
例えば、カーボンナノチューブ、カーボンナノコイル等に代表される繊維状のナノマテリアルは、その等価回路を電気抵抗素子とインダクタンス素子（コイル）との直列回路により表すことができる。インピーダンスＺ［Ω］は、電気抵抗Ｒ［Ω］とインダクタンスＬ［Ｈ］等を用いて次式（１）により表される。
Ｚ２＝Ｒ２＋ω２Ｌ２ …（１）
ω［ラジアン／ｓ］は角周波数であり、周波数ｆ［Ｈｚ］を用いてω＝２πｆにより表される。
【０００８】
一般的に、電気抵抗Ｒは、カイラリティの違いや欠陥の量によって変化する。インダクタンスＬは、繊維長やコイル形状を規定する各種寸法の違いによって変化すると考えられる。従って、ナノマテリアルは、上記式（１）に示す関係から電気抵抗Ｒ及びインダクタンスＬの各値からインピーダンスの違いとして現れる。
【０００９】
カーボンナノチューブは、例えば、一般的に金属型のものと半導体型のものとが含まれるので、それぞれ電気抵抗Ｒが異なり、インピーダンスＺに大きなばらつきが生じる。ナノマテリアルは、大きさが微小であるがゆえに、僅かな寸法の違いや原子レベルの欠陥が存在すると、大きなインピーダンスＺの違いとして現れる。このため、ある装置で同時に作製されたナノマテリアルであっても、個々のナノマテリアルが有するインピーダンスは大きくばらついている。
【００１０】
このような状況からナノマテリアルをそのインピーダンスによって詳細に分離する方法が要求されている。
【００１１】
このような課題に対して例えば特許文献１は、複数のカーボンナノチューブを集めた集合体中から金属型カーボンナノチューブを分離する方法を開示する。特許文献１は、その他の公知例が多数開示する。
特許文献２は、ゲルを通電するゲル電気泳動法によってカーボンナノチューブを金属型と半導体型とに分離する実用的な方法を開示する。この特許文献２は、金属型、半導体型という大まかな電気抵抗の違いによる分離しかできない。
カーボンナノチューブをカイラリティのタイプによって分離する方法として特許文献３がある。この特許文献３は、カーボンナノチューブの集合体に電界を加える方法を開示する。この特許文献３は、インピーダンスの値に基づく分離は不可能である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】再公表２００６−０１３７８８号公報
【特許文献２】特開２００８−２８５３８７号公報
【特許文献３】特許第４２０８７２２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
以上のようにナノマテリアルをそのインピーダンスの値によって詳細に分離するための有効な方法がなかった。特に電磁波シールド材等においては、カーボンブラックやカーボンナノチューブを利用する場合よりも、カーボンナノコイルを利用することで、高い周波数の電磁波を効率よく吸収できると期待されている。カーボンナノコイルは、その形がコイル状であるため、特にインダクタンスによる分類が重要となるが、インダクタンスにより分離することを実現する技術が見当たらない。
【００１４】
そこで、本発明は上記実情に基づきなされたもので、その目的とするところは、インダクタンスを含めたインピーダンスの大きさに応じてナノマテリアルを分離する微小導電性物質の分離方法、微小導電性物質及び微小導電性物質の分離装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明の主要な局面に係る微小導電性物質の分離方法は、複数の微小導電性物質から成る集合体を添加した溶媒に、互いに同一又は奇数倍の関係の周波数を有する電界と磁界とを同期して加えて前記各微小導電性物質を各インピーダンス値に対応した各位置に分散させる。
【００１６】
本発明の主要な局面に係る微小導電性物質は、複数の微小導電性物質から成る集合体を添加した溶媒に、互いに同一又は奇数倍の関係の周波数を有する電界と磁界とを同期して加えて前記各微小導電性物質を各インピーダンス値に対応した各位置に分散させることにより取得される。
【００１７】
本発明の主要な局面に係る微小導電性物質の分離装置は、複数の微小導電性物質から成る集合体を添加した溶媒を収容する容器と、前記溶媒に電界を加える電界発生部と、前記溶媒に磁界を加える磁界発生部と、前記電界発生部により発生する前記電界と前記磁界発生部により発生する前記磁界とを互いに同一又は奇数倍の関係の周波数に制御し、当該制御された前記電界と前記磁界とを同期して前記溶媒に加えて前記各微小導電性物質を各インピーダンス値に対応した各位置に分散させる制御部とを具備する。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、インダクタンスを含めたインピーダンスの大きさに応じてナノマテリアルを分離する微小導電性物質の分離方法、微小導電性物質及び微小導電性物質の分離装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１Ａ】本発明に係る微小導電性物質の分離装置の一実施の形態を示す正面構成図。
【図１Ｂ】同装置を示す側面構成図。
【図２】同装置における高周波回路を示すブロック構成図。
【図３】同装置の等価回路を示す図。
【図４】同装置における水槽内の有機媒体に加わる高周波電界と高周波磁界とナノマテリアルに加わる電磁力とを示す摸式図。
【図５】同装置におけるナノマテリアルに働く電磁力の発生原理を説明するための図。
【図６】同装置におけるナノマテリアルのインピーダンス値に応じた移動速度による分散の状態を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明の一実施の形態について図面を参照して説明する。
図１Ａは微小導電性物質の分離装置の正面構成図を示し、図１Ｂは同装置の側面構成図を示す。ＸＹ平面は水平面方向に一致し、Ｚ軸は高さ方向である。水槽１は、長方体の形状に形成され、開口部２を上方に向けて設置されている。水槽１の開口部２には、蓋が設けられ、開口部２を閉じるようになっている。この水槽１は、例えば長手方向をＹ方向に一致させて設置されている。水槽１内には、例えば水、エタノール等の有機媒体３が収容されている。この有機媒体３中には、微小導電性物質として例えばコイル状に形成された微小なカーボン、具体的には複数のナノマテリアル４の粉末状の集合体５を有機媒体３に分散させたサンプル液６が滴下される。このサンプル液６は、水槽１内における同水槽１の長手方向の中央部に滴下される。サンプル液６を滴下する位置は、水槽１の長手方向の一端側又は他端側でもよい。
【００２１】
水槽１の両側面１ａ、１ｂの各外側には、図１Ａに示すようにそれぞれ一対の高周波電極１０ａ、１０ｂが設けられている。これら高周波電極１０ａ、１０ｂは、高周波電界を発生し、この高周波電界を水槽１内の有機媒体３に加えるためのものである。これら高周波電極１０ａ、１０ｂは、水槽１を挟んで水平方向（Ｘ方向）に対向配置されている。これら高周波電極１０ａ、１０ｂは、それぞれ長方形状の平板状に形成され、その大きさは、水槽１の各側面１ａ、１ｂよりも大きく形成されている。一方の高周波電極１０ａは、高周波回路１１に接続されている。他方の高周波電極１０ｂは、接地されている。
【００２２】
水槽１の開口部２の上方と底面１ｃの下方とには、図１Ｂに示すようにそれぞれ一対の電磁石１２ａ、１２ｂが設けられている。これら電磁石１２ａ、１２ｂは、水槽１を挟んで上下方向（Ｚ方向）に対向配置されている。これら電磁石１２ａ、１２ｂは、高周波磁界を発生し、この高周波磁界を水槽１内の有機媒体３に加えるためのものである。これら電磁石１２ａ、１２ｂは、ヨークと、このヨークの外周に設けられたコイルとから成る。これら電磁石１２ａ、１２ｂの大きさは、それぞれ水槽１の開口部２及び底面の大きさよりも大きく形成されている。これら電磁石１２ａ、１２ｂの一端は、高周波回路１１に接続され、他端は共通接続されて接地されている。
【００２３】
高周波回路１１は、一対の高周波電極１０ａ、１０ｂと一対の電磁石１２ａ、１２ｂとに高周波電力を供給する。この高周波電力の周波数は、例えば１ｋＨｚ〜１００ＭＨｚの範囲で可変可能である。この高周波電力の周波数は、例えば１３．５６ＭＨｚに代表されるＲＦ周波数に設定される。図２は高周波回路１１のブロック構成図を示す。この高周波回路１１は、高周波電源１１−１と整合回路１１−２とから成る。高周波電源１１−１は、整合回路１１−２を介して一対の高周波電極１０ａ、１０ｂと一対の電磁石１２ａ、１２ｂとに接続されている。整合回路１１−２は、高周波電源１１−１と一対の高周波電極１０ａ、１０ｂ及び一対の電磁石１２ａ、１２ｂとの間のインピーダンスの整合を取る。高周波電源１１−１は、例えば１ｋＨｚ〜１００ＭＨｚの周波数範囲内で可変可能な高周波電力を発生する。
【００２４】
制御部１３が高周波回路１１に接続されている。この制御部１３は、高周波電源１１−１から発生する高周波電力の周波数を例えば１ｋＨｚ〜１００ＭＨｚの範囲で可変する。この制御部１３は、例えばナノマテリアル４の種類に応じて高周波電源１１−１から発生する高周波電力の周波数を可変する機能を有する。ナノマテリアル４の種類に応じた高周波電力の周波数は、例えば操作部を介してオペレータの操作指示を受けて可変設定される。この制御部１３は、一対の高周波電極１０ａ、１０ｂによる高周波電界の発生と一対の電磁石１２ａ、１２ｂによる高周波磁界の発生とを同期させる。この制御部１３は、一対の高周波電極１０ａ、１０ｂにより発生する高周波電界と一対の電磁石１２ａ、１２ｂにより発生する高周波磁界とを互いに同一の周波数に制御する、又は互いに奇数倍の関係の周波数に制御する。
図３は同装置の等価回路を示す。同装置は、高周波回路１１に各電磁石１２ａ、１２ｂの各インダクタンス１２ａ−Ｌ、１２ｂ−Ｌと、各高周波電極１０ａ、１０ｂから成るキャパシタンス１０Ｃとが並列接続されている。
【００２５】
次に、上記の如く構成された装置によるナノマテリアル４の分離作用について説明する。
複数のナノマテリアル４の粉末状の集合体５を有機媒体３に分散させたサンプル液６が作製される。このサンプル液６は、水槽１内に収容されている例えば水、エタノール等の有機媒体３内に滴下される。サンプル液６の滴下の位置は、例えば水槽１内における長手方向の中央部である。
【００２６】
高周波回路１１は、一対の高周波電極１０ａ、１０ｂと一対の電磁石１２ａ、１２ｂとに共に、例えば高周波数１ｋＨｚ〜１００ＭＨｚの範囲内の１つの高周波数を有する電力を供給する。これにより、一対の高周波電極１０ａ、１０ｂ間には、図４に示すように高周波電界Ｅが発生する。この高周波電界Ｅは、水槽１の長手方向に対して垂直な水平方向（Ｘ方向）に発生し、水槽１内の有機媒体３に加わる。この高周波電界Ｅの発生に同期して一対の電磁石１２ａ、１２ｂ間には、図４に示すように高周波磁界Ｂが発生する。この高周波磁界Ｂは、水槽１に対して上下方向（Ｚ方向）に発生し、水槽１内の有機媒体３に加わる。
【００２７】
水槽１内の有機媒体３に高周波電界Ｅが加わると、有機媒体３内に存在する各ナノマテリアル４にそれぞれ交流電流が流れる。この交流電流は、当該各ナノマテリアル４の各インピーダンス値に応じた各電流量である。このとき、水槽１内の有機媒体３には、高周波電界Ｅに同期して高周波磁界Ｂが加わるので、各ナノマテリアル４に流れる各電流量と高周波磁界Ｂとによって各ナノマテリアル４には、それぞれ図５に示すような電磁力Ｆが働く。各ナノマテリアル４は、それぞれ電磁力Ｆを受けて、当該電磁力Ｆに応じた移動速度で水槽１内を移動する。
【００２８】
高周波磁界Ｂの磁束密度Ｂａ［Ｔ］、ナノマテリアル４の長さｌ、高周波磁界Ｂとナノマテリアル４とのなす角度θ、ナノマテリアル４に流れる電流Ｉ［Ａ］とすると、電磁力Ｆは、
Ｆ＝Ｉ・Ｂａ・ｌsinθ［Ｎ／ｍ］ …（１）
により表される。この電磁力Ｆは、高周波磁界Ｂの発生方向とナノマテリアル４に流れる電流Ｉの方向との両方に直角な方向に働く。
【００２９】
高周波電界Ｅと高周波磁界Ｂとは交流であるので、半周期毎に高周波電界Ｅの発生方向と高周波磁界Ｂの発生方向とが変化するが、高周波電界Ｅと高周波磁界Ｂとは同期しているので、高周波電界Ｅの発生方向と高周波磁界Ｂの発生方向とも同期して変化する。従って、各ナノマテリアル４に働く電磁力Ｆの方向は、常に一定の方向である。電磁力Ｆは、ナノマテリアル４に流れる電流Ｉの大きさに比例するので、電磁力Ｆの大きさは、ナノマテリアル４のインピーダンス値に応じて変わる。各ナノマテリアル４の水槽１中での移動速度は、各ナノマテリアル４のインピーダンス値に依存する。
【００３０】
水槽１内の有機媒体３に高周波電界Ｅと高周波磁界Ｂとが加わった状態で所定時間経過すると、各ナノマテリアル４は、それぞれ移動速度に応じた各位置まで移動する。例えば図６（ａ）に示すように水槽１内における長手方向の中央部に存在した各ナノマテリアル４は、それぞれの移動速度に応じた距離だけ移動し、略同一のインピーダンス値を有する各ナノマテリアル４毎に分散して略同一位置に集まる。なお、図６（ｂ）は各インピーダンス値別の各ナノマテリアル４の集まりが分かりやすいように例えば５箇所の各位置４−１〜４−５に各ナノマテリアル４が集まったことを示す。
【００３１】
従って、上記所定時間経過後、高周波電源１１−１を遮断（ＯＦＦ）すると、各ナノマテリアル４の移動が停止するので、各ナノマテリアル４は、それぞれ各インピーダンス値別の各位置４−１〜４−５に集った状態になる。
この後、水槽１は、本分離装置から取り出される。水槽１内から各位置４−１〜４−５別に各ナノマテリアル４を含む有機媒体３が取り出される。これらナノマテリアル４を含む有機媒体３は、例えば乾燥によって有機溶媒３を除去する。この結果、例えば４種類のインピーダンス値別に分離した各ナノマテリアル４の各集合体を得ることができる。
【００３２】
このように上記一実施の形態によれば、複数のナノマテリアル４から成る集合体を添加した有機媒体３中に、互いに同一の高周波周波数を有する高周波電界Ｈと高周波磁界Ｂとを同期して加えて各ナノマテリアル４を各インピーダンス値に対応した各位置に分散させるので、各インピーダンス値別のナノマテリアル４の各集合体に分離できる。
【００３３】
電磁波シールド材等においては、カーボンナノコイルを利用することで、高い周波数の電磁波を効率よく吸収できると期待されているので、電磁波シールド材等に利用する当該カーボンナノコイルをインダクタンスの値別に分離することができる。又、電磁波シールド材では、電気抵抗が小さいナノマテリアル４だけを選択的に使用できれば、遮蔽効率を向上できる。さらに、特定のインダクタンスを有するナノマテリアル４を選択的に使用できれば、特定の帯域の電磁波を遮蔽するといった性能を期待できる。従って、電磁波シールド材に利用する部材の要求、すなわち特定のインダクタンスを有するナノマテリアル４を得ることができる。
【００３４】
なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。
上記一実施の形態では、一対の高周波電極１０ａ、１０ｂと一対の電磁石１２ａ、１２ｂとを同一の高周波電源１１−１に接続しているが、これに限らず、一対の高周波電極１０ａ、１０ｂと一対の電磁石１２ａ、１２ｂとをそれぞれ別々の各高周波電源に接続してもよい。この場合、別々の各高周波電源は、それぞれの高周波電力の位相差を制御し、各高周波電源間の位相が同一位相となるようにする。
【００３５】
上記一実施の形態では、複数のナノマテリアル４から成る集合体を添加した有機媒体３中に、高周波電界Ｈと高周波磁界Ｂとを一回加えて各ナノマテリアル４を分散させているが、これら分散された各ナノマテリアル４の集まり別にさらに、高周波電界Ｈと高周波磁界Ｂとを再度加えて各ナノマテリアル４を各インピーダンス値別に分離してもよく、同分離を複数回実施してもよい。ナノマテリアルのインピーダンス値別の分離を複数回実施することで、ナノマテリアルのインピーダンス値別の分離の精度を高くできる。
上記一実施の形態は、ナノマテリアル４の分離について説明したが、これに限らず、微小導電性物質として金属材料でも各インピーダンス値別に分離可能である。この場合、制御部１３は、例えばナノマテリアル４の種類に限らず、微小導電性物質として金属材料やカーボン等に応じて高周波電源１１−１から発生する高周波電力の周波数を可変する。
【符号の説明】
【００３６】
１：水槽、１ａ，１ｂ：水槽の両側面、１ｃ：水槽の底面、２：開口部、３：有機媒体、４：ナノマテリアル、４−１〜４−５：各位置、５：集合体、６：サンプル液、１０ａ，１０ｂ：一対の高周波電極、１０Ｃ：各高周波電極から成るキャパシタンス、１１：高周波回路、１１−１：高周波電源、１１−２：整合回路、１２ａ，１２ｂ：一対の電磁石、１２ａ−Ｌ，１２ｂ−Ｌ：電磁石のインダクタンス、１３：制御部。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の微小導電性物質から成る集合体を添加した溶媒に、互いに同一又は奇数倍の関係の周波数を有する電界と磁界とを同期して加えて前記各微小導電性物質を各インピーダンス値に対応した各位置に分散させることを特徴とする微小導電性物質の分離方法。
【請求項２】
前記電界と前記磁界と前記各微小導電性物質に流れる当該各微小導電性物質のインダクタンスに応じた電流とにより発生する電磁力により前記各微小導電性物質が移動して分散することを特徴とする請求項１記載の微小導電性物質の分離方法。
【請求項３】
前記各微小導電性物質は、ナノマテリアルを含むことを特徴とする請求項１又は２記載の微小導電性物質の分離方法。
【請求項４】
複数の微小導電性物質から成る集合体を添加した溶媒に、互いに同一又は奇数倍の関係の周波数を有する電界と磁界とを同期して加えて前記各微小導電性物質を各インピーダンス値に対応した各位置に分散させることにより取得されることを特徴とする微小導電性物質。
【請求項５】
複数の微小導電性物質から成る集合体を添加した溶媒を収容する容器と、
前記溶媒に電界を加える電界発生部と、
前記溶媒に磁界を加える磁界発生部と、
前記電界発生部により発生する前記電界と前記磁界発生部により発生する前記磁界とを互いに同一又は奇数倍の関係の周波数に制御し、当該制御された前記電界と前記磁界とを同期して前記溶媒に加えて前記各微小導電性物質を各インピーダンス値に対応した各位置に分散させる制御部と、
を具備することを特徴とする微小導電性物質の分離装置。
【請求項１】
複数の微小導電性物質から成る集合体を添加した溶媒に、互いに同一又は奇数倍の関係の周波数を有する電界と磁界とを同期して加えて前記各微小導電性物質を各インピーダンス値に対応した各位置に分散させることを特徴とする微小導電性物質の分離方法。
【請求項２】
前記電界と前記磁界と前記各微小導電性物質に流れる当該各微小導電性物質のインダクタンスに応じた電流とにより発生する電磁力により前記各微小導電性物質が移動して分散することを特徴とする請求項１記載の微小導電性物質の分離方法。
【請求項３】
前記各微小導電性物質は、ナノマテリアルを含むことを特徴とする請求項１又は２記載の微小導電性物質の分離方法。
【請求項４】
複数の微小導電性物質から成る集合体を添加した溶媒に、互いに同一又は奇数倍の関係の周波数を有する電界と磁界とを同期して加えて前記各微小導電性物質を各インピーダンス値に対応した各位置に分散させることにより取得されることを特徴とする微小導電性物質。
【請求項５】
複数の微小導電性物質から成る集合体を添加した溶媒を収容する容器と、
前記溶媒に電界を加える電界発生部と、
前記溶媒に磁界を加える磁界発生部と、
前記電界発生部により発生する前記電界と前記磁界発生部により発生する前記磁界とを互いに同一又は奇数倍の関係の周波数に制御し、当該制御された前記電界と前記磁界とを同期して前記溶媒に加えて前記各微小導電性物質を各インピーダンス値に対応した各位置に分散させる制御部と、
を具備することを特徴とする微小導電性物質の分離装置。
【図１Ａ】
【図１Ｂ】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図１Ｂ】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１１−１９０１２１（Ｐ２０１１−１９０１２１Ａ）
【公開日】平成２３年９月２９日（２０１１．９．２９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−５４９１０（Ｐ２０１０−５４９１０）
【出願日】平成２２年３月１１日（２０１０．３．１１）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年９月２９日（２０１１．９．２９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年３月１１日（２０１０．３．１１）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
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