JP4130385B2 - ゲスト分子を内包した単層カーボンナノチューブの製造方法 - Google Patents

Description

【技術分野】
【０００１】
この発明は、ゲスト分子を内包した単層カーボンナノチューブ製造方法に関するものである。さらに詳しくは、この発明は薬運搬用システムあるいはその他の分野に用いることができる、ゲスト分子を内包した単層カーボンナノチューブ製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
単層カーボンナノチューブ（ＳＷＮＴｓ：Single-wall carbon nanotubes）は単層のグラフェンシートからなり、約１ｎｍの直径を有するナノメータスケールの物質である。それらは、化学的に安定であり、力学的に頑強であって、興味深い電気的特性を有しており、それらの様々な応用が研究されている。
【０００３】
「peapods（えんどう豆の鞘）」と呼ばれる、Ｃ₆₀分子を内部に有する単層カーボンナノチューブが発見されたことで、単層カーボンナノチューブは、そのサイズ、安定性および強度といった利点を用いること以外にも多くの応用に用いることができる魅力的な物質と見なされるようになった。peapodsは一次元的化学および物理を研究することを可能とするユニークな物質として発見された。そして、peapodsはＣ₆₀を医療効果を有する分子に置換することで、薬運搬システムに適用することも期待できる。これらの研究および応用への道を広げるためには、単層カーボンナノチューブを含めた様々なカーボンナノチューブに薬品を内包する方法の開発が求められている。
【０００４】
Ｃ₆₀peapodsは、一般的に４００℃以上の気相において、Ｃ₆₀分子は昇華し、開口先端部あるいは側壁の開孔から単層カーボンナノチューブに入ることで調製される。この気相法は、ゲスト分子が熱的に安定しており昇華あるいは蒸発する場合にのみ適用することができる。すなわち、気相法に依存している限り、単層カーボンナノチューブに内包できる分子の種類は限られるのである。多くの有機物質、とくに医学的機能を有する薬品は高温ではその質が低下し、また蒸発も昇華もしない。したがって、そのような物質を室温で単層カーボンナノチューブに内包するための新しい方法が求められている。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００５】
この発明は、上記の課題を解決するものとして、まず第１には、濾過紙の上に配置した銅板上に、単一あるいは複数の単層カーボンナノチューブを配置し、溶媒と、前記溶媒に対して強い親和力を有し単層カーボンナノチューブに対して強い親和力を有するゲスト分子を含んだ飽和状態の溶液を、前記単一あるいは複数の単層カーボンナノチューブ上に滴下するゲスト分子を内包した単層カーボンナノチューブの製造方法であって、前記ゲスト分子は、フラーレン、金属内包フラーレン、および異性体あるいは官能基で化学修飾されたフラーレンのうちのいずれかであることを特徴とするゲスト分子を内包した単層カーボンナノチューブの製造方法を提供する。さらにこの発明は第２には、銅板が非晶質炭素で被覆されていることを特徴とするゲスト分子を内包した単層カーボンナノチューブの製造方法を提供する。
【０００６】
また、この発明は、第３には、ゲスト分子がＣ ₆₀ であることを特徴とするゲスト分子を内包した単層カーボンナノチューブの製造方法を提供する。この発明は第４には、溶媒がトルエンであることを特徴とするゲスト分子を内包した単層カーボンナノチューブの製造方法をも提供する。
【０００７】
以上詳しく説明したとおり、この発明によって、薬運搬システムやその他の分野に用いることのできる、新しいゲスト分子を内包した単層カーボンナノチューブの製造方法が提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
この出願の発明は、溶媒と、溶媒に対して強い親和力を有し単層カーボンナノチューブに対して強い親和力を有するゲスト分子を含んだ飽和状態の溶液を、過剰な溶液を素早く吸収する濾過紙の上の銅板上に配置された単一あるいは複数の単層カーボンナノチューブ上に垂らすことを特徴とするゲスト分子を内包した単層カーボンナノチューブの製造方法を提供する。ここで、ゲスト分子は、Ｃ ₆₀ 、Ｃ ₇₀ 、Ｃ ₇₆ 、Ｃ ₇₈ 、Ｃ ₈₂ 、Ｃ ₈₄ 、Ｃ ₉₀ 、Ｃ ₉₄ あるいはＣ ₉₆ といったフラーレン、金属内包フラーレン、および異性体あるいは官能基で化学修飾されたフラーレンのうちのいずれかである。そして、このとき銅板は非晶質炭素（ａ−Ｃ）で被覆されているのが望ましい。
【００１０】
このゲスト分子を内包した単層カーボンナノチューブの製造方法は、室温において液相で実施され、また数秒で完了させることが可能なため、単層カーボンナノチューブに様々な物質を内包するのに大変有用であり、さらには医療効果を有するゲスト分子による薬運搬システムやその他の分野に非常に有用な方法といえる。
【００１２】
このゲスト分子を内包した単層カーボンナノチューブの製造方法は、ゲスト分子がＣ₆₀の場合にさらに好適に適用することができ、また溶媒としてトルエンを好適に用いることができる。
【００１３】
このゲスト分子を内包した単層カーボンナノチューブの製造方法は室温において液相で実施されることから、単層カーボンナノチューブあるいは適切な溶液を用いることでその他のナノメータスケールの物質に様々な物質を内包するのに大変有用である。また、この方法は数秒で完了できることからとくに有用な方法と言える。
【００１４】
以上のゲスト分子を内包した単層カーボンナノチューブの製造方法は理解するのに難しいが、競合するプロセスはチューブ側壁への溶媒分子の吸着、溶媒分子の蒸発、ゲスト分子の分離もしくはゲスト分子の自己結晶化、およびゲスト分子のチューブの側壁の内部への配置である。Ｃ₆₀−トルエン−単層カーボンナノチューブの場合、図１（ａ）に示すように、Ｃ₆₀−トルエン溶液（４）は、その溶液が濾過紙（７）に吸収された後、グリッドディスク（６）上の単層カーボンナノチューブ（５）の表面に残り、トルエンは図１（ｂ）に示すようにチューブの内側と外側を被覆する、薄いトルエン層（８）を形成する。
【００１５】
Ｃ₆₀分子（９）はファンデルワールス力によってそのトルエン層（８）に弱く固定され、その薄いトルエン層（８）を通って移動し、最終的にＣ₆₀分子（９）にとって最も安定した位置、すなわち単層カーボンナノチューブ（５）の内側に配置されるのである。Ｃ₆₀分子（９）が薄いトルエン層（８）に固定されることから、Ｃ₆₀の三次元的な結晶化は防止される。
【００１６】
たとえば、発明者等のゲスト分子を内包した単層カーボンナノチューブの製造方法のメカニズムを示す仮説的なモデルは、ＴＥＭグリッド上のＣ₆₀−トルエン−単層カーボンナノチューブの混合物のゆっくりとした乾燥ではＣ₆₀内包単層カーボンナノチューブの形成が失敗することを説明することができる。乾燥の前に、各チューブ内部はトルエンで満たされており、これは単層カーボンナノチューブの外側にトルエン分子によりＣ₆₀分子が安定的に囲まれているものと考えられる。トルエンが蒸発することで、Ｃ₆₀分子はチューブの外側で分離し結晶化される。乾燥後、トルエン分子はチューブの側壁に吸着して残るが、ほとんどのＣ₆₀分子はすでに結晶化し、トルエン層を通って動くことはない。したがって、ＳＷＮＴの内側へのＣ₆₀分子の内包はほとんどあるいは全く見当たらない。
【００１７】
発明者等の仮説的モデルによれば、ゲスト分子を内包した単層カーボンナノチューブの製造方法の成功には薄いＣ₆₀分子−トルエン層を必要とする。このような層を形成するには、単層カーボンナノチューブとＣ₆₀分子トルエン溶液の「瞬間接触」が必要である。そして、さらに発明者等は、濾過紙を用い、余分な溶液を急激に取り除くとともに、薄い金属（Ｃｕ）ワイヤーの上に支持された単層カーボンナノチューブ上に溶液を垂らし、通り抜けさせた。この方法により、Ｃ₆₀はチューブの中に内包され、Ｃ₆₀内包単層カーボンナノチューブが形成された。
【００１８】
なおこの瞬間接触技術においては、ゲスト分子を内包した単層カーボンナノチューブの製造方法では溶媒がゲスト分子および単層カーボンナノチューブ（図１（ｃ）参照）の両方に強い親和力を有する必要がある。前者は、多くの数のゲスト分子がチューブの表面（図１（ｂ））に残るために必要であり、そして後者は、図１（ｂ）の薄い溶媒層の形成にとって必要である。ゲスト分子と単層カーボンナノチューブとの間の親和力は、それらの共存を安定させるために高い必要がある。Ｃ₆₀−エタノールの飽和溶液を用いたときに上記初めの２つの条件が満たされておらず、Ｃ₆₀分子は単層カーボンナノチューブ内に一切内包されない。
【００１９】
以上のゲスト分子を内包した単層カーボンナノチューブの製造方法は単層カーボンナノチューブ内部にＣ₆₀分子などのゲスト分子を内包させるのに有用である。この方法は簡単に行うことができ、特別な技能を必要とせず、そのプロセスが瞬時に終わるため便利である。この方法は適切な溶媒が見つかれば様々なゲスト分子を単層カーボンナノチューブあるいはその他のカーボンナノチューブに内包することが出来るようになるものと考えられる。またこの方法は、中空を有しゲスト分子が通過することの出来る程度の大きさの孔を有する他のナノスケールの物質にも適用することができるものと考えられる。
【実施例】
【００２０】
＜実施例１＞
Ｃ₆₀内包単層カーボンナノチューブを形成するため、図１（ａ）に示すように発明者は濾過紙（７）の上に置かれたグリッドディスク（６）（ＴＥＭ試料ホルダー）の上に配置した単層カーボンナノチューブの上に１０μｌのＣ₆₀分子−トルエン飽和溶液（４）を２．８ｍｇ／ｍｌ[１７]を垂らした。グリッドディスク（６）は直径約３ｍｍであって、約０．０５ｍｍ厚さを有しており、Ｃｕで出来ており、非晶質炭素で被覆されている。濾過紙（７）の目的は、余分な溶液を極力速く吸収することである。これらのプロセスの後で、発明者はＴＥＭで観察し、図２に示すようなＣ₆₀内包単層カーボンナノチューブを発見した。単層カーボンナノチューブ内のＣ₆₀分子の配列は一重鎖型（図２（ａ）と図２（ｂ））および二重螺旋型（図２（ｃ））を有する。また図２（ｄ）ではＣ₆₀の配列は全体的に明瞭ではないが、正方形状に配列していることがわかる。
【００２１】
このゲスト分子を内包した単層カーボンナノチューブの製造方法においてＣ₆₀内包単層カーボンナノチューブを調製する際に濾過紙の役割の重要性を示すため、Ｃ₆₀−トルエン飽和溶液を１０μｌＴＥＭグリッドに垂らし、そのＴＥＭグリッドをピンセットで持ち室温で乾燥させた。濾過紙を使用しなかったため試料は乾燥するのに２〜３分要した。試料のＴＥＭ観察により、Ｃ₆₀分子は単層カーボンナノチューブ内にほとんど内包されないことが分かった（図示省略）。
【００２２】
図２にＴＥＭイメージ示すように５０〜７０％程度の単層カーボンナノチューブ内にＣ₆₀分子が内包されていると推定できる。これは単層カーボンナノチューブの開口先端部と側壁の開孔の状態により内包効率が上昇するものと考えられる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】（ａ） この発明のゲスト分子を内包した単層カーボンナノチューブの製造方法の一例を示す概念図である。（ｂ） この発明のゲスト分子を内包した単層カーボンナノチューブの製造方法の一例を示す概念図である。（ｃ） この発明のゲスト分子を内包した単層カーボンナノチューブの製造方法における、溶媒とゲスト分子と単層カーボンナノチューブの間の親和力を示す概念図である。
【図２】（ａ）,（ｂ）,（ｃ）,（ｄ） この発明のゲスト分子を内包した単層カーボンナノチューブの製造方法の一例を示す写真である。

Claims (4)

1. 濾過紙の上に配置した銅板上に、単一あるいは複数の単層カーボンナノチューブを配置し、溶媒と、前記溶媒に対して強い親和力を有し単層カーボンナノチューブに対して強い親和力を有するゲスト分子を含んだ飽和状態の溶液を、前記単一あるいは複数の単層カーボンナノチューブ上に滴下するゲスト分子を内包した単層カーボンナノチューブの製造方法であって、前記ゲスト分子は、フラーレン、金属内包フラーレン、および異性体あるいは官能基で化学修飾されたフラーレンのうちのいずれかであることを特徴とするゲスト分子を内包した単層カーボンナノチューブの製造方法。
2. 銅板は、非晶質炭素で被覆されていることを特徴とする請求項１記載のゲスト分子を内包した単層カーボンナノチューブの製造方法。
3. ゲスト分子がＣ ₆₀ であることを特徴とする請求項１または２に記載のゲスト分子を内包した単層カーボンナノチューブの製造方法。
4. 溶媒がトルエンであることを特徴とする請求項１ないし３いずれかに記載のゲスト分子を内包した単層カーボンナノチューブの製造方法。