JP2015067509A - 発光性カーボンナノワイヤ及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】直鎖高分子10を溶媒20中に分散した溶液30を、転写元基板100上に位置させる工程(S100)と、転写元基板100上の溶媒20を蒸発させて気液界面移動を生じさせて、直鎖高分子10を一次元集合させ、直鎖高分子10の長さ方向に相互に連続してなるナノワイヤを相互に平行整列させて形成する工程(S102)と、転写元基板100に対向させて転写先基板200を密着させて置いて、前記一次元集合させた直鎖高分子10を転写先基板200に転写する工程(S106)と、直鎖高分子10が転写された転写先基板200を所定温度に加熱して、発光性を有するカーボンナノワイヤへ変換する工程(S108)とを含む。
【選択図】図1
Description
また、特許文献2では、コレクタ電極を基板に配置し、その電極間に配向させる技術が提案されている。しかし、特許文献2は、基本的に繊維布を作製するための技術であり、孤立ナノワイヤを一本一本表面に配置することを目的とするものではない。
特許文献3で提案されているように、グラファイトのレーザーアブレーション法や炭素粉末の電気アーク放電によって、カーボンナノ粒子が形成される。しかし、特許文献3の技術では、カーボンナノ粒子を作製できるものの、レーザーアブレーション法や炭素粉末の電気アーク放電を必要として、特別な機械装置を必要とする課題がある。また、作製したカーボンナノ粒子をナノスケールの光・電子回路の部品として使用する場合、これらを基板表面に一次元状に並べるまたはナノワイヤ状にして配置する必要性がある。
また、特許文献5には、グラファイトナノファイバの作製方法が提案されている。しかし、この作製方法は基板表面の特定の位置・方向を自由に制御して仮付できるものではないため、ナノスケールの光・電子回路の部品として使用するには一段の改良を必要としている。またこのグラファイトナノファイバは、電子放出源として機能するのみであるため、発光性を持たせるには別途改良が必要である。
また、特許文献6の技術により、蛍光性のナノファイバを実現する場合には、直鎖高分子をあらかじめ蛍光性物質を結合させておく必要がある。
また、本発明の第2の目的は、広い可視光領域で励起可能で、且つ様々な発光色を示す発光性カーボンナノワイヤの製造方法を提供することである。
また、転写先基板100を加熱する温度は、200〜250℃とし、加熱時間は30〜60分であるとよい。加熱温度が200℃未満の場合は、直鎖高分子から発光性を有するカーボンナノワイヤへの変換が進行しない。加熱温度が250℃を超える場合は、直鎖高分子からカーボンナノワイヤへの変換が進行するが、発光性を有しなくなる。加熱時間が30分未満の場合は、直鎖高分子から発光性を有するカーボンナノワイヤへの変換が充分進行せず、発光特性が劣る。加熱時間が60分を超える場合は、直鎖高分子から発光性を有するカーボンナノワイヤへの変換が過度に進行して、発光特性が劣る。なお、この加熱温度と加熱時間は、大気圧雰囲気で行う場合の条件であり、例えば減圧条件や酸素分有率が低いガスを用いる場合は、適宜の加熱条件となる。
また、通常単独では発光特性を有しない、あるいは乏しい生体分子をファイバ状にし、加熱するだけで優れた発光特性を有する長尺なカーボンナノワイヤへ変換できるという効果がある。
さらに、製造されたカーボンナノワイヤは広範囲の可視域の光で励起でき、様々な発光色(青、緑、黄色、赤)を示すため、発光特性が優れているという効果がある。
図1と図3は、本発明の一実施の形態を示す発光性カーボンナノワイヤの製造方法の流れ図である。ここで、発光とは、蛍光、燐光、並びに外部より電場や力場を与えることで光を発する現象をいう。この実施の形態では、励起光を与えたのみであり、蛍光に対応している。
図において、まず直鎖高分子10を溶媒20中に分散した溶液30を、転写元基板100上に位置させる(S100)。次に、転写元基板100上の溶媒20を蒸発させて気液界面移動を生じさせて、直鎖高分子10を一次元集合させ、直鎖高分子10の長さ方向に相互に連続してなるナノワイヤを相互に平行整列させて形成する(S102)。
直鎖高分子10としては、例えばDNAが用いられるが、これに限定されるものではなく、ポリペプチド、リボ核酸(RNA)、アミロース、アクチンフィラメント、糖鎖などがあげられる。また生理活性を持つ分子(ポリペプチドなど)、導電性を持つ分子(例えば、ポリアニリン、ポリピロール、ポリチオフェン、カーボンナノチューブなど)、光学活性を持つ分子(ポリ−L−リジンなど)などの特定の機能をもつ分子を用いてもよい。
このような修飾の可能性を表1に例示する。
転写元基板100上に拡がった混合液中に含まれるDNAは、混合液中のエタノールの蒸発に伴い、気液界面移動が生じ基板表面上に伸張された状態で仮付される。またこの時いく本かのDNAは一つに束ねられ、数百μmの長さとなる。溶液中のDNA濃度は0.1から100ng/μLであるが、下限値未満では長いナノワイヤができない。上限値を越えるとワイヤの並行整列が起こらない。溶液中のDNA濃度は4.5ng/μL程度が適当である。
上記のような各種の直鎖高分子及びその表面修飾分子においても、濃度を調整することでDNAと同様な現象が予想できる。
このような関係を表2に例示する。
また、図3に示すように、直鎖高分子10とは別の直鎖高分子を、上記溶液位置させ工程(S100)と上記平行整列工程(S102)とで、転写元基板100の表面に仮付することで異なる直鎖高分子を段階的に仮付してもよい(S105)。これにより、別の直鎖高分子を上記方法で仮付して、異なる直鎖高分子を段階的に仮付することが可能である。
また酸素を遮断した状態ではより高温(例えば800℃)で熱処理が行え、結晶性度がより良いカーボンナノワイヤへ変換される。
また、上記カバーガラスの対向方向を一次元集合した方向に対して角度を変えて、同様の操作を再度行うことで、交差した状態で整列配置した一次元集合DNAナノファイバのパターンを得ることができることを蛍光顕微鏡より確認した(図5参照)。
図6は、本発明の一実施の形態を示す発光性カーボンナノワイヤの製造方法の流れ図である。まず、転写元基板100を複数枚準備する(S200)。次に、図1、図3で説明した上記溶液位置させ工程(S100)と上記平行整列工程(S102)とを各転写元基板に対して行って、直鎖高分子10の仮付済み転写元基板を複数用意する。
20 溶媒
30 溶液
100 転写元基板
200 転写先基板
Claims (4)
- 直鎖高分子を用いた発光性カーボンナノワイヤの製造方法であって、
前記直鎖高分子を溶媒中に分散した溶液を、転写元基板上に位置させる工程と、
前記転写元基板上の前記溶媒を蒸発させて気液界面移動を生じさせて、前記直鎖高分子を一次元集合させ、前記直鎖高分子の長さ方向に相互に連続してなるナノワイヤを相互に平行整列させて形成する工程と、
前記転写元基板に対向させて転写先基板を密着させて置いて、前記一次元集合させた前記直鎖高分子を前記転写先基板に転写する工程と、
前記直鎖高分子が転写された前記転写先基板を所定温度に加熱して、発光性を有するカーボンナノワイヤへ変換する工程と、
を含むことを特徴とする発光性カーボンナノワイヤの製造方法。 - 請求項1に記載の発光性カーボンナノワイヤの製造方法であって、
さらに、上記溶液位置させ工程と上記平行整列工程とを前記転写元基板の表面で繰り返して、前記直鎖高分子の密度を段階的に増やす工程と、
前記直鎖高分子とは別の直鎖高分子を、上記溶液位置させ工程と上記平行整列工程とで、前記転写元基板の表面に仮付することで異なる直鎖高分子を段階的に仮付する工程と、
の少なくとも一方を含むことを特徴とする発光性カーボンナノワイヤの製造方法。 - 請求項1に記載の直鎖高分子を用いた発光性高分子ナノワイヤの製造方法であって、
前記転写元基板を複数枚準備する工程と、
各転写元基板に対して上記溶液位置させ工程と上記平行整列工程とを行って、直鎖高分子の仮付済み転写元基板を複数用意する工程と、
前記仮付済み転写元基板から一枚を選択して、選択した前記仮付済み転写元基板に対向させて転写先基板を密着させて置いて、前記一次元集合させた前記直鎖高分子を前記転写先基板に転写する工程と、
前記選択された仮付済み転写元基板を除いて、前記仮付済み転写元基板から一枚を選択して、選択した前記仮付済み転写元基板に対向させて転写先基板を密着させて置いて、前記一次元集合させた前記直鎖高分子を前記転写先基板に転写する工程と、
前記複数の仮付済み転写元基板由来の直鎖高分子が転写された前記転写先基板を所定温度に加熱して、発光性を有するカーボンナノワイヤへ変換する工程と、
を含むことを特徴とする発光性カーボンナノワイヤの製造方法。 - 請求項1乃至3の何れか一項に記載の発光性高分子ナノワイヤの製造方法で製造された発光性高分子ナノワイヤであって、
発光特性として、少なくとも青、緑、黄色又は赤の何れか一色を含む可視域の光で励起されることを特徴とする発光性カーボンナノワイヤ。
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