CN101428197A - 小颗粒的热泳分离 - Google Patents

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Abstract

本发明描述一种根据颗粒的导电性来分离纳米颗粒，从而能够产生大量具有均匀导电性的颗粒的方法。所述方法基于变形的热泳处理，其中在颗粒混合物中产生温度梯度，并且导电性最强的颗粒被选择性地沉积在暖表面上。相较于常规热泳方法，驱使分离处理的温度梯度是使用光源产生的。

Description

小颗粒的热泳分离
相关申请
本申请与2006年10月27日提交的申请序列号11/589012相关，该申请全部以引用的方式并入本文。
技术领域
本发明涉及根据颗粒的导电性，使用变形的热泳技术分离小的固体导电纳米颗粒或半导电纳米颗粒。
背景技术
诸如电、磁、热之类的各种场对小颗粒的影响已经被进行了广泛地研究。这其中人们理解最少的是热梯度对液体中的颗粒的影响。这种影响通常称为热泳。众所周知，在颗粒的悬浮液中，如果在液体中产生热梯度，那么颗粒可以受控地移动。在这一处理中的变量非常复杂，并且，除了其他的以外，所述变量还包括热梯度、颗粒的若干特性、液体的性质即液体的粘性和离子强度、液体的动态流体属性，诸如液体流量、对流流量、在加热的情况下粘性的变化、液体容器的表面性质、重力场等。由于这一处理的复杂性，在给定的未测试***中，对颗粒行为的可预见性实际上是不存在的。对于这些变量中的某些的详细分析，参见Shiundo et al.，“Retention behavior of metal particledispersions in aqueous and non-aqueous carriers in thermal field-flowfractionization”，Journal of Chromatography A，983(2003)163-176。在这些处理中的热梯度产生于受热表面或容器壁与冷却表面或容器壁之间。
虽然本发明主要涉及纳米颗粒的分离时，但是尤其关注的是碳纳米管的分离。研究显示，碳纳米管，特别是单壁碳纳米管(SWNT)当通过常规方法生成时在性质上具有较大的变化。具体来说，与典型的金属导体相比，碳纳米管混合物的导电性从导电性非常高到半导电，具有很大的变化。对于某些应用，需要纳米管具有均匀的导电性，或者是均匀的导电或者是均匀的半导电。现在，在纳米管导电性中的不同还没有达到可以用有效的技术制造具有均匀导电性的纳米管这一点。
发明内容
我们已经发现根据颗粒的导电性分离小颗粒的方法，从而能够生成大量具有均匀导电性的颗粒。该方法基于变形的热泳处理，其中在颗粒混合物中产生温度梯度，并且导电性最强的颗粒被选择性地沉积于温表面上。相较于常规热泳方法，这种驱使分离处理的温度梯度是使用光源产生的。
附图说明
结合附图考虑本发明，将更容易地理解本发明，在附图中：
图1和图2是现有技术中的用于分离颗粒的方法的示意图；
图3和图4是通过本发明的方法将碳纳米管选择性地沉积于收集板上的示意图；
图5是收取收集到的纳米管的一种方法的示意图。
具体实施方式
为了与本发明的方法比较，参照图1，示出常规的热泳方法。在图1中，示出溶液11，其包括载液和颗粒。这些颗粒通常是聚合物、玻璃，例如二氧化硅，或者由已知热泳方法处理的较多种类的颗粒或颗粒混合物中的一种。该溶液被容纳在容器壁之间；由用13表示的冷却装置进行冷却的冷壁12，和由用元件15表示的冷却装置进行冷却的温壁13。当在邻近冷壁12的液体中形成温度梯度时，来自液体载体11的颗粒可以沉积于该冷壁的表面上。这在图2中示出，其中颗粒17附着于元件12的表面上。
一种变形的热泳处理被应用于本发明的分离方法。人们发现用于纳米颗粒的热泳的有效梯度是使用光产生的。该效应没有被完全理解，但是很可能涉及复杂的加热机制，包括：通过由颗粒直接吸收的光能对颗粒的主要加热，以及对液体的次要加热。
图3示出根据本发明的用于颗粒分离的设备。对本发明以及本发明的优选实施例的详细描述涉及其中被分离的颗粒是碳纳米管的方法。
参照图3，碳纳米管的悬浮液通常在22处示出。简便起见，纳米管示出为直管，但是更通常是弯曲的。碳纳米管的悬浮液包含在23处示出的导电纳米管、以及在24处示出的导电性较弱的纳米管，通常是半导体纳米管。导电纳米管的阴影比半导体纳米管的阴影浅。虽然该示例示出两种不同类别的纳米管：导电的和半导电的，但是本示例和本描述以这种方法示出这些是为了在描述中方便和简单。应该理解由常规生产方法制造的典型的碳纳米管的混合物将包含具有连续的导电性的纳米管。本发明的分离方法旨在将具有在相对较高范围内的导电性的纳米管的部分与具有在一个相对较低范围内的导电性的纳米管分开。
再次参照图3，在这个横截面视图中，纳米管的悬浮液由表面21和25容纳。该图不是按比例绘制的。元件21和25之间的距离可大可小，元件21和25可以是较大容器的部分，或者管道例如毛细管的部分。元件25表示沉积基底。其可以是用于液体悬浮液的容器的部分，或者可以是浸入液体悬浮液中的板。可以使用任何适合的用于悬浮液的容器。除了沉积基底25优选是透明的以外，对图3中示出的设备的结构和形状没有严格的限制。驱使分离处理的温度梯度由在26处示意性地表示的光源产生。光源入射在沉积基底25上，并且来自光源的光通过沉积基底投射到悬浮液24上。光源的波长和强度可以根据要被分离的颗粒、液体载体和设备的几何形状来选择。
本发明的方法使用穿过在其上沉积颗粒的表面投射的光进行演示。因此，在本发明的优选实施例中，基底具有发生颗粒沉积的前侧，和用光进行照明的背侧。但是，其它的布置也可以产生基本上等同的结果，也就是，在沉积基底上导电颗粒的选择性的沉积。如果壁之间的空间小，那么这些颗粒可以将两侧的壁都看作冷壁，并且沉积到任一壁或者两个壁上。理想的是，光可以通过两侧投射。在毛细管作为沉积基底的情况下，光可以投射到一侧或多于一侧，并且可以使颗粒沉积到管的所有内侧表面上。
在本发明的分离方法中有用的碳纳米管可以通过激光烧蚀方法制备，其中来自Nd：YAG激光的高能量激光脉冲被用来烧蚀置于充有500托的氩气的石英管中的金属催化碳靶。该石英管在电炉中加热。在催化剂的帮助下，可以生长具有大约1nm直径的SWNT。多种用来制备SWNT的可选技术是可用的。制备SWNT的方法不在本发明之内。碳纳米管的物理大小通常按照纳米管的直径来分类。这些物理大小的范围从几分之一纳米到102nm，但是通常是1-5nm。这些以纳米计的长度差别很大，例如，从纳米管直径的102到103倍。这些大小的范围为可以由本发明的方法处理的颗粒的性质提供基准。
典型的碳纳米管的导电性的范围从非常高的导电性(即，可以与铜相比(～1.6微欧姆-厘米))到半导电(可以与本征硅(30kohm-cm)相比)。碳纳米管的热传导性非常高。这两种性质都具有非常高的轴不对称性，这两种传导性沿纳米管的轴具有比垂直于该轴高很多。
碳纳米管分散在液体载体溶液中。用于分散的载体液体可以是多种液体例如水、醇、醚、酮等中的任意一种。挥发性液体在易于干燥方面是优选的。无水载体液体是优选的。在该分离方法中，当通过透明沉积基底照射透明沉积基底的表面时，导电颗粒被选择性地从液体悬浮液沉积到该表面上。当光通过沉积基底的背侧投射时，该悬浮液可以通过使液体载体喷洒或流过该沉积基底表面施加到透明沉积基底的表面。由于沉积基底表面和液体悬浮液互相接触，如图3所示，光通过沉积基底的背侧投射。
使光通过颗粒在其上沉积的表面演示本发明的方法。因此，在本发明的优选实施例中，基底具有发生颗粒沉积的前侧和用光进行照射的背侧。但是，其它的步骤也可以产生基本上等同的结果，也就是，在沉积基底上导电颗粒的选择性的沉积。
下面是本方法的例子。
每一立方厘米乙醇大约0.001克的碳纳米管被超音速地分散，从而形成液体悬浮液。例如图3中的透明沉积基底25的表面被浸入该悬浮液中，并以波长980nm的光照射。光的波长可以是对于被沉积的颗粒具有显著吸收带的任何波长。980nm光可以使用二极管激光器方便地产生。导电碳纳米管被选择性地牵引到沉积基底15的表面，这些颗粒被收集并附着在该表面上。
该沉积基底被从液体悬浮液中除去并在空气中干燥。通过检查如图4所示的该沉积基底，导电性碳纳米管23选择性地沉积在基底25的表面上。
使用分散溶液多次浸渍或多次涂覆可以形成更厚的碳纳米管层。在某些情况下，在进行颗粒收取(particle harvesting)的步骤之前，希望形成厚的颗粒层。
可以使用不同的方法收取这些颗粒。图5表示一种适合的方法，其中附着在基底25上的颗粒使用刮刀31从该基底刮下，并收集到所示的容器中。其它方法，例如使用高压喷射或者溶剂可以用来从沉积基底去除这些颗粒。
收取颗粒的步骤，即从沉积表面去除颗粒，应该被认为是本方法中的可任选的步骤，因为可能会出现方法的目的是永久地涂敷沉积表面的情况。
总的来说，本发明的方法涉及以下步骤：制备包括导电颗粒和导电性较弱的颗粒的液体悬浮液，使固体沉积表面与该液体悬浮液接触，使光穿过固体沉积表面以便选择性地将导电颗粒沉积到沉积表面，将液体悬浮液与沉积表面分离，干燥沉积表面，以及可选地将导电颗粒从沉积表面去除。应该理解，使固体沉积表面与该液体悬浮液接触的步骤包括前述的多种方法。例如，将颗粒沉积在容纳液体悬浮液的容器的一个或多个表面上；使液体悬浮液流经管或导管，并在管壁上沉积颗粒，将基底浸入液体悬浮液等。
使光穿过固体表面的表面的步骤意味着：使光向液体悬浮液射入，或者穿过液体悬浮液。如上所述，前者是优选的。光的波长可以是对于被沉积的颗粒具有显著的吸收带的任何波长。光源可以选自于各种装置，包括灯、LED、激光器。
在上述方法的例子中，导电颗粒沉积在沉积基底上，并且这些导电颗粒是被选择用来从沉积表面收取或者涂敷沉积表面的颗粒。但是，也可能出现其中非导电颗粒是想要的种类的应用。在这种情况下，收取步骤将成为：在导电颗粒已经被选择性地通过所述方法从溶液中去除后，从溶液中收取非导电颗粒。
在上述描述中，沉积在沉积基底上的颗粒是导电颗粒。可以设想到这样的方法，即，其中，使非导电颗粒选择性地沉积在沉积基底上，将导电颗粒留在溶液中。这种改变应该被认为在所述方法的范畴之内，即，使用光进行选择的对纳米颗粒的选择性的分离。
本领域的技术人员将会想到本发明的多种其它的变形例。与本说明书的具体教导相背离的所有情形基本上依赖通过其本领域得到进步的这些原理和它们的等价物的，都被适当地认为在所描述和要求的本发明的范畴之内。

Claims (16)

1.一种用于将导电颗粒从导电性较弱的颗粒中分离的方法，该方法包括下述步骤：制备包括导电颗粒和导电性较弱的颗粒的液体悬浮液；使固体沉积表面与该液体悬浮液接触；以及使光穿入该液体悬浮液以便照射所述颗粒，从而选择性地将所述导电颗粒沉积在所述沉积表面上。
2.权利要求1所述的方法，其中所述导电颗粒是通过将其从所述沉积表面去除来收取的。
3.权利要求1所述的方法，其中所述沉积表面对于所述光而言是透明的，并且所述光穿过所述沉积表面照射所述颗粒。
4.权利要求3所述的方法，其中所述颗粒吸收穿过所述沉积表面的所述光。
5.权利要求1所述的方法，其中所述涂敷材料包括碳纳米颗粒。
6.权利要求5所述的方法，其中所述涂敷材料包括碳纳米管。
7.权利要求1所述的方法，其中所述液体悬浮液是碳纳米管在液体中的分散体。
8.权利要求7所述的方法，其中所述液体选自于基本上包括醇、醚、酮的所述组中。
9.权利要求8所述的方法，其中所述液体是烷基醇。
10.权利要求9所述的方法，其中所述液体是乙醇。
11.权利要求7所述的方法，其中所述光是激光。
12.权利要求11所述的方法，其中所述激光具有大约980nm的波长。
13.权利要求1所述的方法，其中所述沉积表面包括玻璃。
14.权利要求1所述的方法，其中所述非导电颗粒从所述溶液中收取。
15.一种用于将导电颗粒从导电性较弱的颗粒中分离的方法，该方法包括下述步骤：制备包括导电颗粒和导电性较弱的颗粒的液体悬浮液；使固体沉积表面与该液体悬浮液接触；使光穿入该液体悬浮液以便照射所述颗粒，从而选择性地将非导电颗粒沉积在所述沉积表面上；将所述液体悬浮液和所述沉积表面分离；以及干燥所述沉积表面。
16.权利要求15所述的方法，其中所述非导电颗粒是通过将其从所述沉积表面去除来收取的。
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