JP2005530667A - 浮遊カーボンナノチューブ組成物、その製造方法および使用方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、一部分、浮遊カーボンナノチューブ安定性組成物、その製造方法およびその使用方法に関する。本発明は、流体中に浮遊している高濃度および低濃度の高分散カーボンナノチューブの製造方法を提供する。上記カーボンナノチューブ浮遊物は、強度、重量、重量に対する強度の比、電気的および熱的多用性、放射線遮蔽性、静電容量、誘電性、選択的イオン流れ、触媒活性および生物学的適用の改良された製品を作製するのに使用される。本発明は、カーボンナノチューブを含む材料、例えば、それらに限定されないが、繊維、フィルム、合成膜、コーティング、薬剤放出システム、分子回路構成成分の工業的加工を提供する。

Description

関連出願

本願は、２００２年１月１５日出願の米国仮出願第６０／３４８，２７５号の利益を請求するものであり、これによって、その記載すべてが本明細書中に挿入される。

本発明は、浮遊、安定性、非凝集カーボンナノチューブの新規組成物およびその組成物の使用方法に関する。

１９９０年に「フラーレン（ｆｌｌｅｒｅｎｅ）」と呼ばれる炭素の第３の形の存在の証明によって、この「新規」物質の可能性を最大限に生かそうとする研究および開発の激しい高まりを誘発した。「フラーレン」の語は、しばしばケージ状中空格子構造を有する炭素分子のファミリーを表すのに用いられる。これらの「ケージ（ｃａｇｅ）」は異なる形、例えば球（「バッキーボール（ｂｕｃｋｙｂａｌｌ）」）または管（ナノチューブ）であってもよい。非特許文献１を参照。

２．１．カーボンナノチューブ
カーボンナノチューブは、閉じた同心の多層シェルまたは多層ナノチューブ（ＭＷＮＴｓ）として或いは単層ナノチューブ（ＳＷＮＴｓ）として存在することが可能である。しかしながら、工業用途に好ましいカーボンナノチューブは単層カーボンナノチューブである。

カーボンナノチューブ、特に単層カーボンナノチューブは、広範囲の電気特性を有しており、その電気伝導度および小さいサイズのために、集積回路等のマイクロデバイス中の、またはコンピュータに用いられる半導体チップ中のコネクターの製造に用いられる。カーボンナノチューブは、光学的周波数でのアンテナとして、並びに走査型トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）および原子力顕微鏡（ＡＦＭ）等に用いられる走査型プローブ顕微鏡用のプローブとしても用いられる。

更に、その機械的強度から、カーボンナノチューブは、自動車用タイヤ中のカーボンブラックと共に、または航空機翼並びにゴルフクラブおよび釣竿用のシャフト中のグラファイトファイバーと共に複合材料の強化剤としても用いられる。

カーボンナノチューブは、導電性の成形体、シートまたはフィルムを形成するために、成形体、シートまたはフィルムに形成することができる成形性ポリマーと組み合わせて用いてもよく、工業的および化学的方法に用いられる触媒、例えば水素化、改質および分解触媒用の支持体としても有用である。従って、その広範囲の用途から、便利な容易に取り扱い可能な形のカーボンナノチューブが非常に有用である。

ＭＷＮＴｓおよびＳＷＮＴｓの両方が製造され、これら材料の比静電容量が蒸気輸送反応によって評価された。例えば、非特許文献２を参照。しかしながら、単層カーボンナノチューブは将来のナノチューブをベースとする材料として最も有望であると考えられている。

２．２．単層カーボンナノチューブ
１９９１年の発見から、カーボンの単層ナノチューブは広範囲に研究されてきた。非特許文献３を参照。走査型トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）画像および電子回折の研究をベースとして、単層ナノチューブ（ＳＷＮＴｓ）は、五角形および六角形から成る半球状末端によってキャップされたグラファイトシートのシームレスシリンダーから構成されることが示された。非特許文献４および５を参照。ＳＷＮＴｓの高解像透過型電子顕微鏡（ＨＲＴＥＭ）画像に観察される曲線は、上記単層ナノチューブがその多層対照物より曲げ易いものであることを示している。

単層カーボンナノチューブは、ポリマー強化および分子エレクトロニクスを含む優れた機械的および電気化学的特性を有する材料のベースを形成する。固有の剛性および高い異方性にもかかわらず、現在入手可能なＳＷＮＴｓの巨視的な形は等方性であり、むしろ脆いものである。非特許文献６参照。

カーボンナノチューブ（単層および多層の両方）の先行技術は、この材料の加工しにくい形で行われた。非特許文献７参照。上記材料のこの形は、上記単層カーボンナノチューブ（ＳＷＮＴｓ）がその可能性を十分に達成しようとするものである場合、特にこれらの材料がポリマー、コポリマー、複合材料、セラミックスの形および成形可能な形で要求される用途に必要な加工工程の多くに適応するものではない。

現在、カーボンナノチューブの原料は、綿毛状固体としてバルクで製造されている。それらは気相で形成されるので、上記カーボンナノチューブを固体に凝縮し、自然に互いに凝集してナノチューブのロープを形成する。これらのロープは更に塊状となってより大きなランダムな縺れを形成する。この縺れた形の上記バルク材料は、計画された用途の多くには用いることができない。更に、上記の「製造されたままの（ａｓ ｍａｄｅ）」ナノチューブ材料は、カーボンナノチューブ分子自体の導電性、強度、熱的特性、表面積または電子的性質は示さない。

現在の形のＳＷＮＴｓは種々の媒体中に均一に分散することができるが、ほとんどの場合、上記ＳＷＮＴｓと上記媒体との間および上記ＳＷＮＴｓ間の相互作用はシンプルな物理的なものであり、化学結合の形成はない。従って、（化学的または物理的いずれの）更なる処理なしに、上記ＳＷＮＴｓの優位的な特性は巨視的レベルで実現されることはありえない。

カーボンナノチューブ、特に単層カーボンナノチューブは、如何なる液体にも不溶性であり、結果として処理することが非常にこんなんであり、全く加工しにくい固体である。液体中に溶解または浮遊した固体材料から繊維、フィルムまたはコーティングを製造するため、少なくとも１重量％の濃度の上記材料が、粘度および大量輸送の制限のために望ましい（特許文献８）。優先的に、上記カーボンナノチューブは、これらの濃度またはそれらに匹敵する濃度で液体中に個々に浮遊して、繊維、フィルムまたはコーティングを形成する。

単層カーボンナノチューブの可溶化は、界面活性剤の添加、上記ナノチューブの末端キャップおよび側壁の官能性化等の種々の技術により達成されてきた。しかしながら、これらの方法のそれぞれは固有の欠点、例えばナノチューブが低濃度であること、または固有のカーボンナノチューブの特性の変化すること、を有する。１重量％未満の濃度のカーボンナノチューブが達成され、例えば単層ナノチューブが、それらを極性の高い溶媒（トリクロロメタン）中に可溶性にする大きな有機分子を５重量／重量％の濃度で用いて官能性化された（特許文献９）。

いくつかの複合材系に導入するために低い濃度を用いてもよいが、ほとんどの用途および系はより高い濃度の浮遊材料を選択的に必要とする。計画された用途の多くの開発のために、理想的には、上記カーボンナノチューブは、懸濁液中で選択的に単分散である（即ち、高度に分散されている）べきである。

界面活性剤混合物中に浮遊したナノチューブが報告されており（特許文献６）、上記界面活性剤はドデシル硫酸ナトリウム（ＳＤＳ）である。ＳＤＳは約８ｍＭのＣＭＣを有するか、またはセチルトリメチルアンモニウムブロマイド（ＣＴＡＢ）の１０倍多い。ＮＴの最大溶解度は、ＳＤＳ／水系に対して約３ｇ／Ｌであることが報告されている。
ロバート（Ｒｏｂｅｒｔ）Ｆ．カール（Ｃｕｒｌ）およびリチャード（Ｒｉｃｈａｒｄ）Ｅ．スモーリー（Ｓｍａｌｌｅｙ）の、フラーレンズ（Ｆｕｌｌｅｒｅｎｅｓ）、サイエンティフィック・アメリカン（Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ Ａｍｅｒｉｃａｎ）、１９９１年１０月 ゾウ（Ｚｈｏｕ）等のディフェクツ・イン・カーボンナノチューブズ（Ｄｉｆｅｃｔｓ ｉｎ Ｃａｒｂｏｎ Ｎａｎｏｔｕｂｅｓ）、サイエンス（Ｓｃｉｅｎｃｅ）：第２６３号、第１７４４〜４７頁、１９９４年 ドレッセルハウス（Ｄｒｅｓｓｅｌｈａｕｓ）等のサイエンス・オブ・フラーレンズ・アンド・カーボンナノチューブズ（Ｓｃｉｅｎｃｅ ｏｆ Ｆｕｌｌｅｒｅｎｅｓ， ａｎｄ Ｃａｒｂｏｎ Ｎａｎｏｔｕｂｅｓ）、アカデミック・プレス（Ａｃａｄｅｍｉｃ Ｐｒｅｓｓ）、１９９６年 ゲー（Ｇｅ）等のＡｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．第６５巻第１８号、第２２８４頁、１９９４年 サトラー（Ｓａｔｔｌｅｒ）のカーボン（Ｃａｒｂｏｎ）第３３巻第７号、第９１５頁、１９９５年 Ｂ．ヴィゴロ（Ｖｉｇｏｌｏ）等のマクロスコピック・ファイバーズ・アンド・リボンズ・オブ・オリエンティッド・カーボンナノチューブズ（Ｍａｃｒｏｓｃｏｐｉｃ Ｆｉｂｅｒｓ ａｎｄ Ｒｉｂｂｏｎｓ ｏｆ Ｏｒｉｅｎｔｅｄ Ｃａｒｂｏｎ Ｎａｎｏｔｕｂｅｓ）、サイエンス（Ｓｃｉｅｎｃｅ）、第２９０巻、第１７号、第１３３１頁 ヤコブソン（Ｙａｋｏｂｓｏｎ）等のフラーレン・ナノチューブズ（Ｆｕｌｌｅｒｅｎｅ Ｎａｎｏｔｕｂｅｓ）：Ｃ１，０００，０００以上、アメリカン・サイエンティスト（Ａｍｅｒｉｃａｎ Ｓｃｉｅｎｔｉｓｔ）、１９９７年、第８５巻、第３２４〜３３７頁 「ファンダメンタルズ・オブ・フィブル・フォーメーション（Ｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌｓ ｏｆ Ｆｉｂｒｅ Ｆｏｒｍａｔｉｏｎ）」、Ａ．ジアビッキ（Ｚｉａｂｉｃｋｉ）、ジョン・ウィレー・アンド・サンズ（Ｊｏｈｎ Ｗｉｌｅｙ ａｎｄ Ｓｏｎｓ）、１９７６年 ハーシュ（Ｈｉｒｓｃｈ）等のＪ．Ａｍ．Ｃｈｅｍ．Ｓｏｃ．第１２４号、第７６０号、２００２年

更に、多くの用途において、毒性溶媒はそれ自体工業的加工には用いられず、製造コストを増加する。上記ナノチューブに化学結合する分子はそれらの溶解度を増加するが、それらの電子特性または機械的特性も変化させ、一旦、上記ナノチューブがホスト系（例えば、塗料またはプラスチックまたは上記ナノチューブの塊状形）に導入されると上記結合部分は容易には除去することはできない。

さらに異なる技術を発展させるために、カーボンナノチューブの良好に分散された、非凝集の、高濃度の浮遊物およびその製造方法が要求されている。長い間、重要であると信じられていたが、本発明により、カーボンナノチューブ、特に単層ナノチューブの分散および浮遊の方法を教示する。本発明により、浮遊カーボンナノチューブの高濃度組成物（１重量％を越える濃度）を製造するための界面活性剤の使用を教示する。

本発明は、一部、浮遊カーボンナノチューブの安定性組成物、その製造方法およびその使用方法に関する。本発明により、流体中に浮遊した高濃度および低濃度のカーボンナノチューブの製造方法を提供する。

本発明により、カーボンナノチューブを浮遊させることが可能な界面活性剤、流体およびカーボンナノチューブを含有する浮遊カーボンナノチューブ組成物であって、上記流体、界面活性剤およびカーボンナノチューブが、上記カーボンナノチューブを浮遊させるのに好適な比で含まれる組成物を提供する。

本発明により、カーボンナノチューブを浮遊させることが可能な界面活性剤、流体およびある一定量のカーボンナノチューブを組み合わせる工程を含み、上記流体、界面活性剤およびカーボンナノチューブが、上記カーボンナノチューブを浮遊させるのに好適な比で含まれることを特徴とするカーボンナノチューブを浮遊させる方法も提供する。

本発明により、カーボンナノチューブを浮遊させることが可能な界面活性剤、流体およびカーボンナノチューブを含有する浮遊カーボンナノチューブ組成物であって、上記流体、界面活性剤およびカーボンナノチューブが、カーボンナノチューブの濃度３．０ｇ／Ｌ以上に対する上記カーボンナノチューブを浮遊させるのに好適な比で含まれる組成物も提供する。

本発明により、改良された強度、重量、重量に対する強度の比、電気的および熱的多用性（Ｖｅｒｓａｔｉｌｉｔｙ）、放射線遮蔽性、静電容量、誘電性、選択的イオン流れ、触媒活性および生物学的適用を有する製品を製造するための上記浮遊カーボンナノチューブの使用方法を提供する。本発明により、カーボンナノチューブを含む材料、例えば、それらに限定されないが、繊維、フィルム、合成膜、コーティング、薬剤放出システム、分子回路構成成分の工業的加工も提供する。

４．１．定義
他に表示しない限り本明細書中で用いられる語「流体（ｌｉｑｕｉｄ）」は、固体または結晶性物質と気体との中間の物質の状態であって、物質が非常に小さな剪断応力下で流動する能力を有するが、比較的非圧縮性を有し、制限なしに広がる能力に乏しく、自由表面を有することができる状態を表す。本明細書中で用いられる語「流体（ｌｉｑｕｉｄ）」は、室温での液体に限定されないだけでなく、液体（例えば、液体Ｈｅ、ＣＯ_２等）に凝縮された気体またはそれらの液体状態に暖められた固体（例えば、フェノール）も含む。

他に表示しない限り本明細書中で用いられる語「界面活性剤（Ｓｕｒｆａｃｔａｎｔ）」は、液体の表面張力を低減する、或いは２種の液体間または液体および固体間の界面張力を低減する可溶性化合物を表す。界面活性剤の例には、それらに限定されないが、両性界面活性剤、アニオン性界面活性剤、カチオン性界面活性剤、またはノニオン性界面活性剤が挙げられる。

他に表示しない限り本明細書中で用いられる語「カウンターイオン（ｃｏｕｎｔｅｒ ｉｏｎ）」は、溶液のイオン性組成中に含まれる他のイオンと反対の電荷を有するイオンを表す。負のカウンターイオンの例には、それらに限定されないが、フッ化物、臭化物、塩化物、ヨウ化物、スルフェート、スルフィット、ニトレートおよびニトライトが挙げられる。正のカウンターイオンの例には、それらに限定されないが、ナトリウム、カルシウム、カリウム、マグネシウム、またはリチウムが挙げられ、３〜１３族の遷移金属も含む。

他に表示しない限り本明細書中で用いられる語「両性界面活性剤（ａｍｐｈｏｔｅｒｉｃ ｓｕｒｆａｃｔａｎｔ）」は、正および負の電荷両方を有する、または塩基性および酸性の特徴両方を有する界面活性剤を表す。両性界面活性剤の例には、それらに限定されないが、ラウラミドプロピルジメチルベタイン、ココアミドプロピルジメチルベタイン、ラウリルジメチルベタイン、タロウジヒドロキシエチルベタイン、ココイミダゾリンジカルボキシレート、およびココアミドプロピルヒドロキシスルタイン（ｃｏｃｏａｍｉｄｅｐｒｏｐｙｌ ｈｙｄｒｏｘｙｓｕｌｔａｉｎｅ）が挙げられる。

他に表示しない限り本明細書中で用いられる語「アニオン性界面活性剤」は、負の正味電荷（ｎｅｔ ｃｈａｒｇｅ）を有する界面活性剤を表す。本発明に用いられるアニオン性界面活性剤には、それらに限定されないが、以下の式：

（式中、ＲおよびＲ’のそれぞれが独立してアルキル基であり、Ｍ＋が１族金属であり、ｎおよびｍのそれぞれが独立して０〜２０の整数である）
のスルホスクシネートジエステル；
以下の式：

（式中、Ｒはアルキル基であり、Ｍ＋が１族金属であり、ｎおよびｍのそれぞれが独立して０〜２０の整数である）
のスルホスクシネートモノエステル；
以下の式：

（式中、Ｍ＋は１族金属であり、ｎは１〜約５０００の整数である）
のナフタレンスルホネートホルムアルデヒド縮合物；および
以下の式：

（式中、Ｒはアルキル基であり、Ｍ＋は１族金属である）
のベンゼンスルホネート；が挙げられる。

他に表示しない限り本明細書中で用いられる語「カチオン性界面活性剤」は、正の正味電荷を有する界面活性剤を表す。本発明に用いられるカチオン性界面活性剤には、それらに限定されないが、以下の式：

（式中、Ｒはアルキル基であり、Ｚ−はカウンターイオンである）
のアルキルジメチルベンジルアンモニウム化合物；
以下の式：

（式中、Ｒはアルキル基であり、Ｚ−はカウンターイオンである）
のアルキルトリメチルアンモニウム化合物；
以下の式：

（式中、Ｒはアルキル基であり、Ｚ−はカウンターイオンである）
のジアルキルジメチルアンモニウム化合物；および
以下の式：

（式中、Ｒはアルキル基であり、Ｚ−はカウンターイオンである）
のトリアルキルメチルアンモニウム化合物；
が挙げられる。

他に表示しない限り本明細書中で用いられる語「ノニオン性界面活性剤」は、正味電荷を有さない界面活性剤を表す。本発明に用いられるノニオン性界面活性剤には、それらに限定されないが、以下の式：

（式中、Ｒはアルキル基である）
のソルビタン脂肪酸エステル；ポリオキシエチレンソルビタンモノオレエート；
以下の式：

（式中、Ｒはアルキル基であり、ｎは０〜２０の整数である）
のポリエチレングリコール脂肪酸エステル；
以下の式：

（式中、Ｒはアルキル基である）
のアルカノールアミド；
以下の式：

（式中、Ｒはアルキル基であり、ｎは０〜２０の整数である）
のジメチルアミンオキシド；
以下の式：

（式中、Ｒはアルキル基であり、ｎおよびｍのそれぞれが独立して０〜２０の整数である）
のアミンエトキシレート；
以下の式：

（式中、ＲおよびＲ’のそれぞれが独立してアルキル基である）
のホスフェートジエステル；
以下の式：

（式中、Ｒはアルキル基である）
のホスフェートモノエステル；が挙げられる。

他に表示しない限り本明細書中で用いられる語「アルキルアンモニウム界面活性剤」は、以下の式：

（式中、Ｒ_１、Ｒ_２、Ｒ_３およびＲ_４のそれぞれが独立してアルキル基であり、Ｚ−がカウンターイオンである）
の化合物を表す。好ましいアルキルアンモニウム界面活性剤の例には、それらに限定されないが、トリメチルアンモニウム界面活性剤、例えばセチルトリメチルアンモニウムフルオライド、セチルトリメチルアンモニウムクロライド、セチルトリメチルアンモニウムブロマイドおよびセチルトリメチルアンモニウムヨーダイドが挙げられる。

他に表示しない限り本明細書中で用いられる語「アルキル」および「アルキル基」は、飽和１価の直鎖状、分岐状および環状炭化水素基を含むものである。アルキル基には、１つ以上の二重結合または三重結合を含んでもよい。環状アルキル基は少なくとも３つの炭素原子を含有すると解する。

他に表示しない限り本明細書中で用いられる語「低級アルキル」は、炭素原子１〜６個、好ましくは１〜４個を有する分岐状または直鎖状アルキルを意味する。例として、それらに限定されないが、メチル、エチル、プロピル、イソプロピル、イソブチル、およびｔ−ブチルが挙げられる。

他に表示しない限り本明細書中で用いられる語「アリール」は、１つの水素を除去することによって芳香族炭化水素から誘導される有機基、例えばフェニルまたはナフチルを含むものである。

他に表示しない限り本明細書中で用いられる語「アラルキル」は、１つ以上の直鎖状、分岐状または環状アルキル基で置換されたアリールを意味する。アラルキル部分（ｍｏｉｅｔｙ）は、それらのアリールまたはアルキル成分を介して他の部分に結合することができる。

他に表示しない限り本明細書中で用いられる語「複素環式基」および「複素環式」は、それぞれＯ、ＳおよびＮから選択される１つ以上のヘテロ原子を含有する芳香族および非芳香族複素環式基を含むものである。非芳香族複素環式基には、それらの環状系に原子３個だけを有する基を含むが、芳香族複素環式基（即ち、ヘテロアリール基）は、それらの環状系に少なくとも５個の原子を有さなければならない。複素環式基には、ベンゾ縮合環系および１つ以上のオキソ部分で置換した環状系を含む。４員複素環式基の例は、アゼチジニル（アゼチジンから誘導される）である。５員複素環式基の例はチアゾイルであり、１０員複素環式基の例はキノリニルである。非芳香族複素環式基の例には、それらに限定されないが、ピロリジニル、テトラハイドロフラニル、テトラハイドロチエニル、テトラハイドロピラニル、テトラハイドロチオピラニル、ピペリジノ、モルホリノ、チオモルホリノ、チオキサニル、ピペラジニル、アゼチジニル、オキセタニル、チエタニル、ホモピペリジニル、オキセパニル、チエパニル、オキサゼピニル、ジアゼピニル、チアゼピニル、１,２,３,６−テトラハイドロピリジニル、２−ピロリニル、３−ピロリニル、インドリニル、２Ｈ−ピラニル、４Ｈ−ピラニル、ジオキサニル、１,３−ジオキソラニル、ピラゾリニル、ジチアニル、ジチオラニル、ジハイドロピラニル、ジハイドロチエニル、ジハイドロフラニル、ピラゾリジニル、イミダゾリニル、イミダゾリジニル、３−アザビシクロ［３．１．０］ヘキサニル、３−アザビシクロ［４．１．０］ヘプタニル、３Ｈ−インドリル、キノリジニル、およびそれらの置換誘導体が挙げられる。芳香族複素環式基の例には、それらに限定されないが、ピリジニル、メチルピリジン類似体、イミダゾリル、ピリミジニル、ピラゾリル、トリアゾリル、ピラジニル、テトラゾリル、フリル、チエニル、イソキサゾリル、チアゾリル、オキサゾリル、イソチアゾリル、ピロリル、キノリニル、イソキノリニル、インドリル、ベンズイミダゾリル、ベンゾイミダゾール、ベンゾフラニル、シノリニル、インダゾリル、インドリニル、インドリジニル、フタラジニル、ピリダジニル、トリアジニル、イソインドリル、プテリジニル、プリニル、オキサジアゾリル、チアジアゾリル、フラザニル、ベンゾフラザニル、ベンゾチオフェニル、ベンゾチアゾリル、ベンズオキサゾリル、キナゾリニル、キノキサリニル、ナフチリジニル、フロピリジニル、およびそれらの置換誘導体が挙げられる。例示した上記化合物から誘導されたような前述の基は、そのような結合が可能であるＣ−結合した、またはＮ−結合したものであってもよい。例えば、ピロールから誘導された基は、ピロール−１−イル（Ｎ−結合した）またはピロール−３−イル（Ｃ−結合した）であってもよい。

他に表示しない限り本明細書中で用いられる語「ヘテロアリール」は、芳香族複素環を意味する。

他に表示しない限り本明細書中で用いられる語「置換した（ｓｕｂｓｔｉｔｕｔｅｄ）」は、化合物または化学的部分を説明するのに用いられ、そのような化合物または化学的部分の少なくとも１つの水素原子を第２の化学的部分で置き換えることを意味する。第２の化学的部分の例には、それらに限定されないが、ハロゲン原子（例えば、塩素、臭素およびヨウ素）；Ｃ１〜Ｃ６直鎖状、分岐状または環状アルキル（例えば、メチル、エチル、ブチル、ｔ−ブチルおよびシクロブチル）；ヒドロキシル；チオール；カルボン酸；エステル、アミド、シラン、ニトリル、チオエーテル、スタンナン、および１級、２級および３級アミン（例えば、−ＮＨ_２、−ＮＨ（ＣＨ_３）、−Ｎ（ＣＨ_３）_２および環状アミン）が挙げられる。好ましい第２の化学的部分は、塩素、ヒドロキシル、メトキシ、アミン、チオール、およびカルボン酸である。

他に表示しない限り本明細書中で用いられる語「水性流体（ａｑｕｅｏｕｓ ｌｉｑｕｉｄ）」は、水および第２の材料の混合物を表し、上記第２の材料は完全にイオン化されている。水性流体の例には、それらに限定されないが、水性フッ化ナトリウム、水性塩化ナトリウム、水性臭化ナトリウム、水性ヨウ化ナトリウム、水性フッ化カルシウム、水性塩化カルシウム、水性ヨウ化カルシウム、水性臭化カルシウム、水性硫酸ナトリウム、水性亜硫酸ナトリウム、水性フッ化マグネシウム、水性塩化マグネシウム、水性臭化マグネシウム、水性ヨウ化マグネシウム、水性フッ化アンモニウム、水性臭化アンモニウム、水性塩化アンモニウムおよび水性ヨウ化アンモニウムが挙げられる。

他に表示しない限り本明細書中で用いられる語「有機流体（ｏｒｇａｎｉｃ ｌｉｑｕｉｄ）」は、室温で流体であるか、または加熱または冷却により流体の形になることができる、アリール基およびアルキル基を含有する化合物を表す。有機流体には、固体、液体または気体を溶解する能力を有する流体有機化合物も含む。有機流体の例には、それらに限定されないが、エーテル（例えば、ジエチルエーテルまたはテトラハイドロフラン）、炭化水素（例えば、ヘキサンまたはペンタン）、環状炭化水素、環状芳香族化合物（例えば、トルエン、ベンゼン、キシレン）またはアルコールが挙げられる。

他に表示しない限り本明細書中で用いられる語「アルコール」は、式Ｒ−ＯＨ（式中、Ｒはアルキル基である）を有する飽和１価直鎖状、分岐状、および環状ヒドロキシル化炭化水素を表す。アルコールには、１以上の二重結合または三重結合を含んでいてもよい。環状アルコールは少なくとも３つの炭素原子を含有すると解する。アルコールの例には、それらに限定されないが、メタノール、エタノール、プロパノール、イソプロパノール、ブタノール、ｓ−ブタノール、ｔ−ブタノール、ペンタノール、およびヘキサノールが挙げられる。

他に表示しない限り本明細書中で用いられる語「無機流体（ｉｎｏｒｇａｎｉｃ ｌｉｑｕｉｄ）」は、水性流体に包含され、濃縮酸または塩基も含む。

他に表示しない限り本明細書中で用いられる語「バンドル（ｂｕｎｄｌｅ）」は、共通の縦軸に沿って（即ち、それらの長さに沿って）実質的に整列した２以上の個々のナノチューブを表す。ナノチューブバンドルは、独立した溶質として作用することができる。３つのナノチューブを含む代表的なバンドルの概略断面図を以下に示す。図において、円は個々のナノチューブの断面図を表す。

他に表示しない限り本明細書中で用いられる語「ロープ（ｒｏｐｅ）」は、互いに実質的に平行に、または頭部と後部がつながった形で、またはそれらの組合せに整列したナノチューブの少なくとも２つのバンドルを含む配置を表す。ロープは、１以上の個々のナノチューブを更に含んでもよい。ナノチューブロープの概略図を以下に示す。図において、線はナノチューブのバンドルまたは個々のナノチューブを表す。

他に表示しない限り本明細書中で用いられる語「凝集体（ｆｌｏｃｃｕｌａｎｔ）」は、２以上の個々のナノチューブ、ナノチューブバンドル、ナノチューブロープ、またはそれらの組合せのランダム配置を表す。凝集体は、静電的にまたは熱力学的に誘導されるナノチューブバンドル間の相互作用から得られる。凝集体の概略図を以下に示す。図において、各波線は個々のナノチューブ、ナノチューブバンドルまたはナノチューブロープを表す。

他に表示しない限り本明細書中で用いられる語「浮遊カーボンナノチューブ」は、流体中に存在する単層または多層カーボンナノチューブおよび界面活性剤を含有する組成物を表す。特定の態様では、浮遊カーボンナノチューブは高度に分散されている。

図示された構造とその構造につけられた名前の間に矛盾がある場合、図示された構造を優先すべきであることに注意する必要がある。加えて、構造または構造の一部の立体化学が例えば、太字または破線で表示されていない場合、上記構造または構造の一部は、それらの立体異性体のすべてを包含するものと解釈すべきである。

本明細書中で引用された全特許文献のすべての記載を本明細書中に挿入する。一致しない場合、定義および用語を含む本明細書中の開示を優先する。

本発明により、本明細書中に高濃度に浮遊したカーボンナノチューブとしても記載されている、浮遊、安定性、高分散、非凝集カーボンナノチューブの新規の組成物を提供する。特定の態様では、上記浮遊カーボンナノチューブは、単層カーボンナノチューブの浮遊に好適な比で含まれる界面活性剤を用いて流体中に浮遊した単層カーボンナノチューブである。本発明はまた、安定性、非凝集カーボンナノチューブ組成物の製造方法、並びに様々な用途、例えば工業的用途へのそのような組成物の使用方法を提供する。

特定の態様では、本発明は単層カーボンナノチューブの組成物であって、上記ナノチューブが、好ましくはカチオン性またはアニオン性界面活性剤である界面活性剤を単層カーボンナノチューブの浮遊に好適な比で用いて、流体、即ち、例えば水性流体、有機流体または無機流体の中に浮遊する組成物に関する。

単層カーボンナノチューブを浮遊させることが可能な界面活性剤を、適当な流体および上記カーボンナノチューブと、上記カーボンナノチューブの非凝集、安定性浮遊物を形成するのに好適な条件下および比で組み合わせる工程を含む、種々の温度で浮遊カーボンナノチューブを調製する方法も本発明に包含される。

特定の態様では、本発明はまた、単層カーボンナノチューブを浮遊させることが可能な界面活性剤を、適当な流体および上記カーボンナノチューブと、上記カーボンナノチューブの非凝集、安定性浮遊物を形成するのに好適な条件下および比で組み合わせる工程を含む、種々の温度で浮遊カーボンナノチューブを調製する方法であって、上記ナノチューブが流体、即ち、例えば水性流体、有機流体または無機流体の中に浮遊し、上記界面活性剤が好ましくはカチオン性またはアニオン性界面活性剤である方法に関する。

更に他の態様では、本発明は、浮遊、安定性、非凝集カーボンナノチューブを使用する方法を包含する。そのような使用の例には、それらに限定されないが、プラスチックおよびポリマー中への分散；繊維、フィルムおよびコーティングの形成；インク；分子回路の加工；亜細胞操作および薬剤放出システムへの適用；並びに織物への適用が挙げられる。

４．２．１．カーボンナノチューブを含有する組成物
本発明により、安定性、非凝集カーボンナノチューブである浮遊カーボンナノチューブの組成物を提供する。浮遊カーボンナノチューブの形成において、ナノチューブバンドル、ロープまたは凝集体を個々のナノチューブまたは小さいナノチューブバンドル（例えば、約５ナノチューブ以下を含有するバンドル）中へ分散する。特定の態様では、浮遊カーボンナノチューブは高度に分散され、少量の小さいナノチューブバンドルのみを含有する。上記組成物は、上記ナノチューブロープ、より大きいナノチューブバンドルまたはナノチューブ凝集体の再形成に対して安定である。上記浮遊カーボンナノチューブ組成物は、流体、界面活性剤および特に単分散カーボンナノチューブを含有する。上記組成物は、ある一定量の分散した小さいナノチューブバンドル（即ち、２〜４ナノチューブを含有するバンドル）を含有してもよい。理論によって制限されるものではないが、上記流体および界面活性剤の存在によって、上記ナノチューブバンドル、ロープまた凝集体を含有するカーボンナノチューブ間の相互作用がかなり低下し、本発明の安定性、非凝集浮遊カーボンナノチューブが得られるものと考えられる。上記組成物は、カーボンナノチューブを浮遊させることが可能な界面活性剤、および流体を、浮遊カーボンナノチューブの形成に好適な比率で含有する。

べつの態様では、上記流体が水性流体、アルコール、有機流体、無機流体またはそれらの混合物である。流体の選択は、ファクター、例えばコスト、環境への懸念、安全性の懸念、および／または上記浮遊ナノチューブに対する計画された用途によって誘導される。いくつかの態様では、流体、例えば硫酸（例えば、ケブラーに対する溶媒として）、トルエン、ｎ,ｎ−ジメチルホルムアミド、ｎ−メチルピロリドンおよびその他の当業者に公知のものが望ましい。しかしながら、それらは毒性および／または発癌性を有するかもしれないので、それらは安全性、貯蔵または処分に対する問題を生じることがある。環境に優しい溶媒が好ましい場合、水性溶媒流体を選択することができる。予定した用途が例えば、生物学的システムまたは化学的システムである場合にも、上記の場合と同様であってもよい。上記カーボンナノチューブを浮遊させるために選択された流体はまた、上記組成物に用いられる界面活性剤の選択に影響を及ぼす。

別の態様では、上記界面活性剤が、カチオン性界面活性剤、アニオン性界面活性剤、ノニオン性界面活性剤、両性界面活性剤またはそれらの混合物である。特定の態様では、上記界面活性剤が、アルキルアンモニウム界面活性剤である。他の態様では、上記界面活性剤が市販のノニオン性ポリエチレン（ＰＥＯ）界面活性剤である。市販のノニオン性ＰＥＯ界面活性剤の例には、トリトン（Ｔｒｉｔｏｎ）Ｘシリーズ（アルキルアリールポリエーテルアルコール）、例えば、ＴＸ−１１４またはＴＸ−１００、アルキル−ＰＥＯアルコールから成るタージトール（Ｔｅｒｇｉｔｏｌ）シリーズ（共に、コネチカット州ダンバリー（Ｄａｎｂｕｒｙ）のユニオンカーバイド社（Ｕｎｉｏｎ Ｃａｒｂｉｄｅ）から市販）、イゲパル（Ｉｇｅｐａｌ）シリーズ（ニュージャージ州クランバリー（Ｃｒａｎｂｕｒｙ）のロイダ（Ｒｈｏｉｄａ）社から市販）、およびプラロニック（Ｐｌｕｒｏｎｉｃ）シリーズ（ミシガン州ウィアンドッテ（Ｗｙａｎｄｏｔｔｅ）のＢＡＳＦ社から市販）が挙げられる。市販の界面活性剤のリストはインターネットからも入手できる（http://www.bio-rad.com/AIGSoftware/pdfs/3235C1.pdf）。更に別の態様では、上記界面活性剤が例えば、６〜２５個の炭素原子を有する長鎖アルキルアミンである。

上記カーボンナノチューブは単層カーボンナノチューブ、多層カーボンナノチューブ、またはそれらの混合物である。好ましい態様では、上記カーボンナノチューブが単層カーボンナノチューブである。上記カーボンナノチューブは、上記流体および界面活性剤の存在下でない場合、ナノチューブバンドル、凝集体またはロープの形であってもよい。

上記ナノチューブバンドル、ロープおよび／または凝集体を含有する個々のカーボンナノチューブは、単層カーボンナノチューブ、多層カーボンナノチューブまたはそれらの混合物であってもよい。上記個々のカーボンナノチューブは、直径約０．７ナノメートル（ｎｍ）（例えば、単層（５，５）カーボンナノチューブ用）、約１．４ｎｍ（例えば、単層（１０，１０）カーボンナノチューブ用）、約３ｎｍ、約５ｎｍ、約１０ｎｍ、約３０ｎｍ、約６０ｎｍ、約１００ｎｍまたはそれ以上を有してもよい。個々のカーボンナノチューブは、長さ約５０ｎｍ〜約１ミクロン（μｍ）、約５μｍ、約１ミリメートル（ｍｍ）、約１センチメートル（ｃｍ）、約３ｃｍ、または約５ｃｍ以下、或いはそれ以上を有してもよい。現在までに報告された最小カーボンナノチューブは上記（５，５）単層カーボンナノチューブ（直径約０．７ｎｍ）であるが、本発明は、浮遊カーボンナノチューブ組成物を配合するため、どんな断面直径を有するナノチューブも開発する方法を提供するものである。

ナノチューブバンドルの断面直径は、約１．４ｎｍ、約５ｎｍ、約１０ｎｍ、約６０ｎｍ、約１００ｎｍ、約１μｍ以上であってもよい。ナノチューブロープの断面直径は、約３ｎｍ、約１０ｎｍ、約６０ｎｍ、約１００ｎｍ、約１μｍ、約１０μｍ以上であってもよい。上記ナノチューブバンドル、ロープおよび／または凝集体は精製されていても、未精製であってもよい。バンドル、凝集体またはロープを含有する上記ナノチューブは、特に狭い直径分布の範囲内の直径を有していてもよく、または広く異なる直径を有していてもよい。

特定の態様では、上記ナノチューブバンドル、ロープおよび／または凝集体を含有する１以上のカーボンナノチューブは、１以上のナノスケール材料を含有する。別の態様では、上記ナノスケール材料が、上記ナノチューブバンドル、ロープおよび／または凝集体の上記カーボンナノチューブのキャビティ内、またはカーボンナノチューブ間の間隙スペース内に存在する。ナノスケール材料の例には、それらに限定されないが、ナノ粒子、例えば金、銀および他の金属ナノ粒子または上記金属の複合ナノ粒子；量子ドット（ＱＤ）、例えばＣｄＳｅ−ＺｅＳ、ＣｄＳ、ＺｎＳ、ＣｄＳｅ、ＩｎＰ、ＩｎＧａＡｓ、ＣｕＣｌおよびＩｎＡｓ量子ドット；または磁性量子ドット、例えばＣｏＣｕ、ＦｅＣｕ、ＮｉＦｅ／ＡｇおよびＣｏＡｇナノマグネット等のナノマグネットが挙げられる。上記ナノスケール材料は、１以上の材料、または材料の組合せ、例えば、鉄、銀、亜鉛、カドミウム、白金、パラジウム、コバルト、水銀、ニッケルまたはイットリウム等の遷移金属；アルカリまたはアルカリ土類金属、例えばナトリウム、カリウム、カルシウムまたはセリウム；第ＩＩＩ族元素、例えばアルミニウム、ガリウムまたはインジウム；第ＩＶ族元素、例えばケイ素、ゲルマニウム、錫または鉛；第Ｖ族元素、例えばリン、ヒ素、アンチモン、またはビスマス；第ＶＩ族元素、例えば硫黄、セレニウムまたはテルル；を含有してもよい。上記ナノスケール材料は、上記例示した材料の如何なるものおよびどんな組合せを含有してもよい。第ＩＩＩ〜Ｖ族化合物の例には、ＧａＡｓまたはＡｌＧａＡｓが挙げられる。上記ナノスケール材料はフラーレン、または誘電性ポリマー、または半導体ナノ粒子であってもよい。関連した態様では、浮遊カーボンナノチューブが更に１種以上のナノスケール材料を含有する。

上記組成物の別の態様では、上記流体が比率約７０〜９９．９９体積％で存在し、かつ上記界面活性剤が比率約３０〜０．０１体積％で存在する。上記組成物中のナノチューブの配合量は、別の態様に対して約０．００１ｇ〜約５０ｇである。流体および界面活性剤の所定の選択に対して、ある一定量のカーボンナノチューブを浮遊させるのに好適な比が、当業者による過度の実験を行うことなしに、決定されおよび／または最適化されることができる。上記組成物中の流体、界面活性剤およびナノチューブの比率の選択は、ファクター、例えばコスト、環境への懸念、安全性の懸念、上記カーボンナノチューブバンドル、ロープまたは凝集体の純度、上記浮遊ナノチューブに対する計画された用途、上記界面活性剤または流体に対する操作温度（例えば、上記系が室温以外で流体の場合）、異なる濃度、上記流体および界面活性剤間の粘度差、上記界面活性剤の臨界ミセル濃度（ＣＭＣ）、および／または液晶相転移領域によって誘導される。ナノチューブの最高溶解度もまた、流体の選択、並びに界面活性剤のタイプおよび比率に依存する。本発明により、浮遊カーボンナノチューブの濃度約１重量％以下、約１．１重量％、約２．０重量％、約３．０重量％以上を提供する。本発明により、濃度約３ｇ／Ｌ、約３．５ｇ／Ｌ、約５ｇ／Ｌ、約７ｇ／Ｌ、約１２ｇ／Ｌ以上を有する浮遊カーボンナノチューブの組成物を提供する。

特定の態様では、上記流体／界面活性剤の混合物に対して、上記流体が約８０〜約９６．８体積％の配合量で存在し、かつ上記界面活性剤が約２０〜約３．２体積％の配合量で存在する。上記浮遊カーボンナノチューブ組成物中では、配合量約０．０１〜約５０ｇのカーボンナノチューブが、上記流体および界面活性剤と共に存在する。

他の態様では、上記流体が約９９．９９〜約９０．００体積％の配合量で存在し；上記界面活性剤が約０．０１〜約１０．００体積％の配合量で存在し；上記カーボンナノチューブが約０．００１〜約５０．０ｇの配合量で存在する。

流体または界面活性剤のタイプおよび組成物中のそれらの比率の選択もまた、上記浮遊カーボンナノチューブの安定性に影響を与えることができる。上記組成物は、化学的安定性、温度安定性、および／または時間に対する安定性（即ち、上記浮遊カーボンナノチューブが、ナノチューブロープ、凝集体またはより大きいナノチューブバンドルを再形成しない）に対して最適化されてもよい。好ましい態様では、上記浮遊ナノチューブをかなり長期間静置することなく、上記組成物が、所望の期間、例えば１時間、２時間、２日間、１週間、２週間、２カ月、またはそれ以上に対する安定性に対して最適化される。静置する場合、上記組成物は撹拌して、上記浮遊カーボンナノチューブの均一な分散を回復することができる。

（上記組成物のバリエーション）
浮遊カーボンナノチューブの組成物の配合に対して、流体および界面活性剤の組成に関して多くのバリエーションがある。各組成物において、上記流体および界面活性剤は、上記カーボンナノチューブを浮遊するのに好適な比で含まれる。

上記組成物の別の態様では、上記流体が水性流体、液状アルコール、有機流体、無機流体、またはそれらの組み合わせを含有する。いくつかの態様では、流体の組み合わせが混和性を有する（例えば、水およびアルコール）。本発明の他の態様では、非混和性流体の組み合わせを必要としてもよい。

上記組成物の別の態様では、上記界面活性剤が、アニオン性界面活性剤、カチオン性界面活性剤、両性界面活性剤、ノニオン性界面活性剤またはそれらの混合物を含む。特定の態様では、上記界面活性剤が、アルキルアンモニウム界面活性剤、特にセチルトリメチルアンモニウム界面活性剤、例えばセチルトリメチルアンモニウムフルオライド、セチルトリメチルアンモニウムクロライド、セチルトリメチルアンモニウムブロマイドまたはセチルトリメチルアンモニウムヨーダイドを含む。好ましい態様では、上記組成物が、セチルトリメチルアンモニウムブロマイド（ＣＴＡＢ）を含む。

４．２．２．浮遊カーボンナノチューブを製造する方法
本発明はまた、浮遊カーボンナノチューブを製造する方法を提供する。上記方法は、カーボンナノチューブを浮遊させることが可能な界面活性剤を、流体および上記カーボンナノチューブバンドル、ロープまたは凝集体と、上記カーボンナノチューブの非凝集、安定性浮遊物を形成するのに好適な条件下（例えば、変化する温度で）および比で組み合わせる工程を含む。

別の態様では、上記カーボンナノチューブが、単層または多層カーボンナノチューブである。特定の態様では、上記カーボンナノチューブが、単層カーボンナノチューブである。他の態様では、上記単層カーボンナノチューブが、バンドル、凝集体またはロープの形である。

別の態様では、本発明は、流体を単層カーボンナノチューブを浮遊させることが可能な界面活性剤および上記カーボンナノチューブと、上記カーボンナノチューブの非凝集、安定性浮遊物を形成するのに好適な条件下および比で組み合わせる工程を含む、変化する温度で浮遊単層カーボンナノチューブを製造する方法に関する。好ましくは、上記単層カーボンナノチューブは流体、例えば水性流体、有機流体、または無機流体の中で浮遊し、上記界面活性剤は好ましくは、カチオン性界面活性剤またはアニオン性界面活性剤である。

上記浮カーボンナノチューブが製造される条件は、一部、流体および界面活性剤の選択により決定される。異なる界面活性剤およびポリマー界面活性剤は、粘度差およびそれらのＣＭＣおよび／または液晶相転移領域によって、異なる温度および濃度が必要となるかもしれない。いくつかの態様では、上記組成物は室温で製造することができるか、または上記混合物を加熱または冷却する必要があるかもしれない。特定の態様では、上記組成物が、約２０〜約３０℃以下、または約５０℃、または約７０℃以上の温度で製造される。更に他の態様では、上記カーボンナノチューブ製造時のある期間、例えば、約３０秒間、約１分間、約２分間、またはそれ以上、上記混合物を撹拌または超音波処理する必要があるかもしれない。例えば、ポリ（ナトリウム４−スチレンスルホネート）を用いる場合、超音波処理の間、氷浴を用いる必要があるかもしれない。カルボキシルメチルセルロースを含む場合、上記混合物を撹拌しながら、上記浮遊物を例えば７０℃付近の高温に加熱する必要があるかもしれない。

いくつかの態様では、上記流体、界面活性剤およびナノチューブバンドル、ロープまたは凝集体を同時に組み合わせることによって、上記組成物を単一工程で製造する。他の態様では、上記界面活性剤および流体を組み合わせた後で、上記ナノチューブバンドル、ロープまたは凝集体を導入する。上記ナノチューブは種々の系に、乾燥素材として、またはキャリア流体中で（例えば、上記ナノチューブの合成または精製の後に存在する脱イオン水）導入することができる。特定の態様では、上記ナノチューブキャリア流体は、最適比率の界面活性剤を好適な比で添加する時に上記ナノチューブを浮遊させる流体としても働く。

上記流体、界面活性剤およびナノチューブを組み合わせる方法および製造条件の選択は、上記流体、界面活性剤およびナノチューブの所望の比率およびタイプの選択、コスト、環境への懸念、安全性の懸念、上記カーボンナノチューブバンドル、ロープまたは凝集体の純度、上記浮遊ナノチューブに対する計画された用途、上記界面活性剤または流体に対する所望の温度（例えば、上記系が室温以外で流体の場合）、異なる濃度、上記流体および界面活性剤間の粘度差、上記界面活性剤のＣＭＣ、および／または液晶相転移領域に依存する。加熱または冷却する工程を、浮遊ナノチューブ組成物の調製時に、１回または多数回および変化する温度に対して行ってもよい。撹拌または超音波処理も、組成物の調製時に、１回または多数回および変化する時間の長さに対して行ってもよい。

４．２．３．浮遊カーボンナノチューブの使用方法
本発明の高分散、非凝集、高濃度、浮遊した形のカーボンナノチューブには、現在のテクノロジーにおいて多くの用途が見出されている。上記浮遊カーボンナノチューブは、異なるホストシステムまたは適用品の加工または形成におけるどの段階で導入または添加してもよい。上記浮遊カーボンナノチューブは、出発材料と共に導入しても、または適用品の形成におけるどの段階で添加してもよい。上記浮遊カーボンナノチューブは、バルク材料中に導入しても、または上記材料の表面上に残存させてもよい。上記組成物の上記カーボンナノチューブは、それらを流体、例えば水の中に分散することができる界面活性剤分子で被覆される一方、上記界面活性剤分子は必要であれば、上記浮遊ナノチューブを異なるホストシステムに加工した後、除去してもよい。例えば、上記カーボンナノチューブ浮遊物を、例えば分子回路用基板上に自己集合するのに用いる場合、有機部分の存在が大きな障害となる。従って、上記浮遊カーボンナノチューブを使用するのに、界面活性剤分子で基板上を覆う流動工程時、または上記ナノチューブが表面上に存在してから、上記界面活性剤分子を除去する更なる工程を行ってもよい。自動車工業に関するプラスチックにおける用途に対して、塗料を保持するように静電荷を付与するために、ナノチューブを複合材料中に分散してもよい。良好に分散したナノチューブ／複合材料によって、より少ない材料を用いてより多い単位面積当たりの電荷が得られ、近々、上記材料の高いコストを軽減するのに役立つことが可能となる。更に、単層カーボンナノチューブにより、耐腐食性および腐食に対する保護用のコーティングを強化することも可能となる。浮遊カーボンナノチューブのいくつかの異なる本発明の用途がある。

第１の態様では、上記浮遊カーボンナノチューブ組成物が、繊維、フィルム、コーティング、インクまたは織物を加工するための工業用薬剤として用いられる。カーボンナノチューブは、存在するＣ６０の構造に関連する構造を有する小さい寸法のために、炭素繊維と同様に用いられる可能性を有する。特に、カーボンナノチューブの上記構造により、そのアスペクト比（長さ／直径、Ｌ／Ｄ）を長い繊維のアスペクト比と比較可能にする。典型的な態様では、カーボンナノチューブのアスペクト比は１０，０００未満である。従って、カーボンナノチューブのアスペクト比は概して、従来の短繊維、例えば短ガラス繊維および短炭素繊維のアスペクト比より非常に大きい。加えて、上記ナノチューブは、最良の従来の炭素繊維より強度および剛性が大きいものでありながら、潜在的に従来の炭素繊維より軽い。これらの材料は、スチールより１００倍以上強く、重さは約１／６である。上記浮遊カーボンナノチューブは、出発材料と共に導入しても、または上記繊維、フィルム、コーティング、インクまたは織物の形成におけるどの段階で添加してもよい。

他の態様では、上記浮遊カーボンナノチューブ組成物中のカーボンナノチューブは、重さに対する強度、電子特性および熱的特性、例えばそれらに限定されないが、放射線遮蔽性、静電容量、誘電性の向上のために用いられる。直径、ヘリシティ（即ち、上記ナノチューブの壁中の炭素原子の配列）、および層数（単層、多層）に依存して、カーボンナノチューブは、導電体および半導体の間の電子特性を有する。従って、カーボンナノチューブは、電気絶縁材料に添加して、その導電性を増加してもよい。加えて、カーボンナノチューブは大きい機械的強度を有し、曲げ弾性率値約１０００〜５０００ＧＰａを有することが引用されている。更に、それらは、非常に有効な、破壊微小機構として用いられて、付随する低歪による単なる脆性不良を防止する。

繊維はそれ自体、周りのマトリックス内で均一に分散することが難しいため、絡み合いは繊維ブレンドの均一性を低下させる。均一性が低下するとブレンド中の、例えば、繊維が比較的低濃度であり、ポリマーが高濃度である位置に弱い点を形成するため、このことは、上記ブレンドの機械的強度を低下させる。更に、上記繊維の配向がランダム化することによっても、上記ブレンドの機械的強度を低下させる。これは、（例えば）上記ブレンド中の繊維のすべてが縦軸方向に配向すると、所定の方向において歪抵抗が最大になるためである。ブレンドが理想の配向から遠くそれる程、その方向での上記ブレンドの歪抵抗が小さくなる。このことについては、本発明は、ナノチューブの配向を制御することによって機械的強度を向上するのに十分な使用方法も包含する。

他の態様では、上記浮遊カーボンナノチューブ組成物が、燃料電池部品を製造する工程および／または設計のどの部分にも使用される。燃料電池には、それらに限定されないが、固体酸化物燃料電池およびポリマー電解質膜（ＰＥＭ）燃料電池（プロトン交換膜燃料電池としても公知である）が挙げられる。この態様は、それらに限定されないが、最終製品が部品の形であろうが、上記膜中の添加剤の形であろうが、浮遊カーボンナノチューブをＰＥＭタイプの燃料電池に用いることを包含する。目的には、それらに限定されないが、上記膜の詰まりやクラックを防止することを包含する。このことは、それらに限定されないが、上記燃料電池膜中の添加剤となる浮遊カーボンナノチューブを用いて燃料の蓄積を増加し、イオン輸送およびイオン選択性を増加することをも含む。イオンは、それらに限定されないが、Ｈ^＋、ＯＨ⁻、およびＣＨ_３ ^＋の形の水素を挙げることができる。

他の態様では、上記浮遊カーボンナノチューブ組成物が、貯蔵装置、例えば電荷貯蔵装置（スーパーキャパシタ）または電子化学および気体相水素貯蔵装置を製造する工程に使用される。上記カーボンナノチューブは、繊維の形の高強度材料に対して理想的なものとし、ガス貯蔵の用途に対して非常に大きい表面積を付与する、１０００のオーダーのアスペクト比を有する。

他の態様では、上記浮遊カーボンナノチューブ組成物が、バッテリーを製造する工程に使用される。バッテリーには、それらに限定されないが、リチウムイオンバッテリーおよびリチウムバッテリーが挙げられる。この態様では、上記カーボンナノチューブが、それらに限定されないが、エネルギー貯蔵容量の増加、リサイクル能力、キャパシタンス、重量に対する強度の向上等の目的に対して用いられる。

他の態様では、上記浮遊カーボンナノチューブ組成物が、分子エレクトロニクスおよび複合材料系における工業用試薬として使用される。工業用試薬は、材料、装置またはシステムを製造するのに何かの方法を用いるけれども、単独または他の試薬と組み合わせて用いられる材料として定義される。ナノチューブ複合材料および系には、それらに限定されないが、ペイント、コーティング、プラスチックおよび生物学的化合物が挙げられる。上記ナノチューブ複合材料および系は、例えば、燃料用部品、電池、補強材、自動車用パネル、航空宇宙産業、スポーツ用品、商品産業（ｇｏｏｄｓ ｉｎｄｕｓｔｒｉｅｓ）における用途を有する。

ナノエレクトロニクスおよび分子エレクトロニクスに大きな関心がある。単層ナノチューブは、金属性導電性または半導電性となる。このことは、様々な異なる電子的用途、例えば分子回路の形成、スイッチ、並びに導電性フィルム、絶縁性フィルムおよび半導体フィルムの補強に対して、上記材料を理想的なものとする。上記浮遊カーボンナノチューブは、例えば表面での浮遊カーボンナノチューブの自己集合および／または擬似流動によって、トランジスタを形成するのに用いることができる。特定の態様では、上記浮遊カーボンナノチューブおよび／またはその表面が、自己集合のより大きな制御に対して機能化される。上記浮遊カーボンナノチューブは、例えば（前述のような）ナノマグネットまたはナノ粒子も存在する場合には、ドーパント記憶蓄積装置を製造するのに用いることができる。上記浮遊カーボンナノチューブの自己集合もまた、電界エミッタとして作用するのにナノチューブを供給することによって、電界放出ディスプレーを形成するために開発されることができる。

他の態様では、上記浮遊カーボンナノチューブ組成物が膜構造体を製造するのに用いられる。膜構造体は、幾何学的に組織化された構造またはランダム構造中に孔を有する構造体として定義される。上記膜の目的には、それらに限定されないが、人工皮膚、シャント、コーティングおよびバルブに対する生物学的用途が挙げられる。

他の態様では、上記浮遊カーボンナノチューブ組成物が、センサーおよびアクチュエーターの製造に用いられる。センサーの例には、それらに限定されないが、単分子センサーまたはセンサー装置が挙げられる。

上記浮遊カーボンナノチューブの更なる非限定的用途の例には、光学電子および全光学スイッチ、レンズ、プローブ、レーザー、ナノ電気機械システム（ＮＥＭＳ）、回路およびナノエレクトロニクス、ナノマシーン（例えば、ナノモーターを取り付けることよって）、神経網（接続用ナノ電極）、ナノコンピューター、量子コンピューター、高密度磁気記憶または蓄積媒体、光子結晶、ナノ結晶アンテナ、マルチナノウェルアッセイプレート（ｍｕｌｔｉ−ｎａｎｏｗｅｌｌ ａｓｓａｙ ｐｌａｔｅ）、ナノ触媒（例えば、パラジウム）、単分子ＤＮＡ配列用ナノポア（短いナノチューブが用いられる場合）、電気通信用増幅器（約７ｎｍＰｂＳｅおよびＰｂＳ量子ドットは整調可能なギャップ約１５００ｎｍを有する）。用途には、例えば記憶または蓄積装置（例えば、ハードディスクドライブ読み取りヘッド、磁気ＲＡＭ）、磁界センサー、磁気ロジック装置、ロジックゲート、およびスイッチが挙げられる。

実施例５．１−カーボンナノチューブの浮遊物
黒色凝集塊のように見える蒸留水中の所定量の精製カーボンナノチューブを、減圧乾燥機中で乾燥した。用いた界面活性剤はセチルトリメチルアンモニウムブロマイド（ＣＴＡＢ）であった。水溶液中でのＣＴＡＢに対する臨界ミセル濃度（ＣＭＣ）は０．９ｍＭであった。クラフト（Ｋｒａｆｆｔ）点より高い温度および上記ＣＭＣより低い濃度に対して、上記界面活性剤は概して上記溶液中で非結合分子として存在する（Ｊ．Ｌ．モイリエット（Ｍｏｉｌｌｉｅｔ）およびＢ．コリー（Ｃｏｌｌｉｅ）のサーフェス・アクティビティ（Ｓｕｒｆａｃｅ Ａｃｔｉｖｉｔｙ）（Ｄ．ヴァン・ノストランド社（Ｖａｎ Ｎｏｓｔｒａｎｄ Ｃｏ．）、ＮＹ １９５１年）；およびＧ．Ｊ．Ｔ．テディ（Ｔｉｄｄｙ）のフィジックス・レポーツ（Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｒｅｐｏｒｔｓ）第５７巻第２号）。クラフト点より低い温度（ＣＴＡＢに対して約２２℃）では、上記界面活性剤のほとんどが上記浮遊物外で結晶化し、容器の底に沈殿した。上記クラフト点より高い温度および上記ＣＭＣより低い濃度では、上記ＣＴＡＢがまず球状ミセルを形成し、ＣＴＡＢ濃度の増加に伴って徐々に棒状ミセルに変化した。

乾燥したナノチューブ凝集塊を、ＣＴＡＢの重量％を選択した量に変えることができるＣＴＡＢ／水の貯蔵溶液に加え、超音波処理した。ほとんどすぐに、上記黒色ナノチューブ凝集塊はバラバラになり、上記ＣＴＡＢ／水の貯蔵溶液と共に不透明溶液を生成した。この部分を顕微鏡で観察すると、上記不透明溶液は様々なサイズ（０．５〜２μｍ）のナノチューブ材料の溶解していないいくつかの凝集塊を有する均一な灰色の背景のように見えた。例えば、２重量％のＣＴＡＢ溶液中で、ナノチューブ１リットル当たり約５〜６ｇの浮遊物が得られ、それはＣＴＡＢに対するＣＭＣの約３倍であった。この溶液のＡＦＭ特性により、上記溶解ナノチューブ／ＣＴＡＢ複合体が妥当なサイズ範囲内にあることを示した。

実施例５．２−浮遊カーボンナノチューブの安定性
実施例５．１の浮遊カーボンナノチューブの数週間の長期貯蔵下では、上記浮遊カーボンナノチューブのいくらかは沈殿した。これはたぶん、上記試料が、ＣＴＡＢのクラフト点より僅かに低い温度で貯蔵されたことによるものと考えられる（実験室の平均温度は１９〜２２℃であった）。沈殿した材料は、スポンジ状の軟度を有する黒色凝集塊の外観を有した。他の可能な凝集の機構は水分減少凝集（ｄｅｐｌｅｔｉｏｎ ｆｌｏｃｃｕｌａｔｉｏｎ）である（例えば、Ａ．Ｇ．ヨッド（Ｙｏｄｈ）等のＰｈｉｌ．Ｔｒａｎｓ．Ｒ．Ｓｏｃ．Ｌｏｎｄ．Ａ３１４、第９２１〜９３７頁（２００１年）参照）。残りの溶液は不透明のままであった。実施例５．１で引用した値（５〜６ｇ／リットル）は、これらの老化後試料に対して適する。

上記ナノチューブ表面に吸収された透明の残りの界面活性剤は、残っている浮遊物を安定化する。グラファイト表面に吸収された界面活性剤の研究により、カチオン性界面活性剤が半円柱ミセルの集塊の平行で真っすぐなストリップとして吸収される（Ｓ．マネ（Ｍａｎｎｅ）等のサイエンス（Ｓｃｉｅｎｃｅ）、第２７０号、第１４８０頁（１９９５年）；グラファイト表面でのアルカン鎖吸収の詳細な議論に関しては、例えば、Ａ．Ｊ．グロスゼック（Ｇｒｏｓｚｅｋ）のＰｒｏｃ．Ｒｏｙ．Ｓｏｃ．Ｌｏｎｄｏｎ Ｓｅｒ．Ａ３１４、第４７３頁（１９７０年）参照）。ＣＴＡＢの長さは単層ナノチューブの半径の２倍より少し短いので（１４Åまたは１．４ｎｍ）、上記ナノチューブの湾曲はこの概念をある程度修正する。提案された機構は、上記ナノチューブはバンパー（ｂｕｍｐｅｒ）として作用する界面活性剤の不完全な小塊によって装飾され、ＮＴ間の平均距離を増加し、ファンデルワールス力を熱エネルギー以下に低減するというものである。

実施例５．３−浮遊カーボンナノチューブの調製
標準的方法で精製された単層カーボンナノチューブを０．１４５３ｇ秤量した。１０．００５ｇ秤量した沸騰脱イオン水（ＤＩ水）を上記ＳＷＮＴＳと混合した。０．１９９４ｇのＣＴＡＢをこの混合物に加えた。この混合物を、超音波処理浴中で２分間超音波処理し、次いで２５℃で一晩静置した。上記混合物を１時間超音波処理した。上記濃度を上記浮遊物の既知の標準試料を用いることによって測定し、予め秤量したペトリ皿に載せて減圧乾燥機中で乾燥した。乾燥が完結した後、上記ペトリ皿と上記浮遊物の標準試料の質量を測定した。ＣＴＡＢの濃度およびペトリ皿の質量は既知であるので、これから乾燥後に残ったＳＷＮＴｓの質量を計算してもよい。前述の実験に対して、界面活性剤を用いた水中のＳＷＮＴｓの濃度は１２ｇ／リットルと測定された。

界面活性剤の濃度は、ナノチューブを浮遊させるのに有効である、ＣＴＡＢに対するＣＭＣ（ＣＭＣ ＣＴＡＢ＝０．９Ｘ１０^−３Ｍまたは０．３２８ｇ／リットル）の少なくとも１０〜１００倍高いことが好ましい。上記温度は、それより低いと上記界面活性剤のミセルが上記液体中で不溶性である温度として定義されるＣＴＡＢに対するクラフト点であるので、２２℃より高いままであることが好ましい。

上記試料は、マイカ上にスピンコートした試料の光学的透明度およびＡＦＭによって特徴づけられる。そのような試料をポリスチレンスルホネートと混合し、この混合物の薄膜のＡＦＭがポリマー中に埋設したナノチューブを単チューブまたはチューブの小さなバンドルとして示す。小さなバンドルは、直径５ｎｍ以下を有するものである。この方法は、ＣＴＡＢに対して最適化される。他の界面活性剤およびポリマー界面活性剤は、それらの間の粘度差、流体の選択、それらのＣＭＣおよび／または液晶相転移領域の差に依存するため、異なる温度および濃度を必要とする。

実施例５．４−様々な濃度の浮遊カーボンナノチューブ
１つの実施例では、０．１９７５ｇのＣＴＡＢ、１０．０８６ｇの沸騰脱イオン水および０．０３７８ｇの精製されたＳＷＮＴ（ヒップコ（ＨｉＰｃｏ）法による；単層カーボンナノチューブの大量生産用の気相法）を用いて浮遊物を作製して、ＣＴＡＢを用いた水中のＳＷＮＴｓの濃度３．８ｇ／リットルを有する浮遊物を得た。

他の実施例では、０．１９７７ｇのＣＴＡＢ、１０．０１９６ｇの沸騰ＤＩ水および０．０７７７ｇの精製されたＳＷＮＴｓ（ヒップコ法による）を用いて浮遊物を作製して、界面活性剤を用いた水中のＳＷＮＴｓの最終濃度７．８ｇ／リットルを有する浮遊物を得た。

更に他の実施例では、１０．００５ｇの沸騰ＤＩ水中０．１９９４ｇのＣＴＡＢおよび０．１４５３ｇの精製されたＳＷＮＴｓ（ヒップコ法による）を用いて浮遊物を作製した。この浮遊物中の分散チューブの測定濃度は、界面活性剤を用いた水中のＳＷＮＴｓ１２ｇ／リットルであることがわかった。これらの浮遊物の作製に用いたＳＷＮＴｓはヒップコ法により得られ、テキサス州ヒューストンのＣＮＩ社（ＣＮＩ，Ｉｎｃ．）から市販されている。上記浮遊物のすべてを約１時間超音波処理して分散体を得た。これらの浮遊物のＡＦＭは、マイカ支持体上にスピンコートした試料により行い、界面活性剤で被覆した個々のチューブおよびチューブの小さなバンドル（３〜５チューブ）の存在を示した。上記界面活性剤は、更なるメタノールで上記浮遊物から除去し、上記チューブの凝集を生じた。

６．その他
本明細書中で引用したすべての文献は、各刊行物、特許または特許出願がその記載によって全体としておよびすべての目的に対して挿入されることを、特におよび個々に表示している場合と同程度に、その記載によって全体としておよびすべての目的に対して本明細書中に挿入する。

当業者に明らかなように、本発明の意図および範囲を逸脱することなく、本発明の多くの修飾および変更を行うことが可能である。本明細書中に記載された特定の態様は、例示のためだけに提供されたものであり、かつ本発明は特許請求の範囲が権利を与えるものの全範囲に渡って、添付した特許請求の範囲の用語によってのみ限定されるべきものである。

Claims (29)

1. 流体；
   カーボンナノチューブを浮遊させることが可能な界面活性剤；および
   カーボンナノチューブ
   を含み、
   該流体、界面活性剤およびカーボンナノチューブが、該カーボンナノチューブを浮遊させるのに好適な比で含まれることを特徴とする組成物。
2. 前記カーボンナノチューブが単層または多層カーボンナノチューブである請求項１記載の組成物。
3. 前記カーボンナノチューブが単層カーボンナノチューブである請求項２記載の組成物。
4. 前記流体が、水性流体、アルコール、有機流体、無機流体またはそれらの混合物である請求項１記載の組成物。
5. 前記流体が濃縮ガスである請求項４記載の組成物。
6. 前記水性流体が、水性フッ化ナトリウム、水性塩化ナトリウム、水性臭化ナトリウム、水性ヨウ化ナトリウム、水性フッ化カルシウム、水性塩化カルシウム、水性ヨウ化カルシウム、水性臭化カルシウム、水性硫酸ナトリウム、水性亜硫酸ナトリウム、水性フッ化マグネシウム、水性塩化マグネシウム、水性臭化マグネシウム、水性ヨウ化マグネシウム、水性フッ化アンモニウム、水性臭化アンモニウム、水性塩化アンモニウムまたは水性ヨウ化アンモニウムである請求項４記載の組成物。
7. 前記有機流体が、アルコール、エーテル、炭化水素、環状炭化水素または環状芳香族化合物である請求項４記載の組成物。
8. 前記アルコールが、飽和１価直鎖状、分岐状、または環状ヒドロキシル化炭化水素である請求項７記載の組成物。
9. 前記アルコールが、メタノール、エタノール、プロパノール、イソプロパノール、ブタノール、ｓ−ブタノール、ｔ−ブタノール、ペンタノールまたはヘキサノールである請求項８記載の組成物。
10. 前記無機流体が、酸または塩基である請求項４記載の組成物。
11. 前記界面活性剤が、アルキルアンモニウム界面活性剤である請求項１記載の組成物。
12. 前記アルキルアンモニウム界面活性剤が、以下の式：
    

    

    （式中、Ｒ_１、Ｒ_２、Ｒ_３およびＲ_４のそれぞれが独立してアルキル基であり、Ｚ−がカウンターイオンである）
    を有する請求項１１記載の組成物。
13. 前記アンモニウム界面活性剤が、トリメチルアンモニウム界面活性剤である請求項１２記載の組成物。
14. 前記トリメチルアンモニウム界面活性剤が、セチルトリメチルアンモニウムフルオライド、セチルトリメチルアンモニウムクロライド、セチルトリメチルアンモニウムブロマイドまたはセチルトリメチルアンモニウムヨーダイドである請求項１３記載の組成物。
15. 前記界面活性剤が、カチオン性界面活性剤またはアニオン性界面活性剤である請求項１記載の組成物。
16. 前記カチオン性界面活性剤が、
    以下の式：
    

    

    （式中、Ｒはアルキル基であり、Ｚ−はカウンターイオンである）
    のアルキルジメチルベンジルアンモニウム化合物；
    以下の式：
    

    

    （式中、Ｒはアルキル基であり、Ｚ−はカウンターイオンである）
    のアルキルトリメチルアンモニウム化合物；
    以下の式：
    

    

    （式中、Ｒはアルキル基であり、Ｚ−はカウンターイオンである）
    のジアルキルジメチルアンモニウム化合物；または
    以下の式：
    

    

    （式中、Ｒはアルキル基であり、Ｚ−はカウンターイオンである）
    のトリアルキルメチルアンモニウム化合物；
    である請求項１５記載の組成物。
17. 前記アニオン性界面活性剤が、
    以下の式：
    

    

    （式中、ＲおよびＲ’のそれぞれが独立してアルキル基であり、Ｍ＋が１族金属であり、ｎおよびｍのそれぞれが独立して０〜２０の整数である）
    のスルホスクシネートジエステル；
    以下の式：
    

    

    （式中、Ｒはアルキル基であり、Ｍ＋が１族金属であり、ｎおよびｍのそれぞれが独立して０〜２０の整数である）
    のスルホスクシネートモノエステル；
    以下の式：
    

    

    （式中、Ｍ＋は１族金属であり、ｎは１〜約５０００の整数である）
    のナフタレンスルホネートホルムアルデヒド縮合物；および
    以下の式：
    

    

    （式中、Ｒはアルキル基であり、Ｍ＋は１族金属である）
    のベンゼンスルホネート；
    である請求項１５記載の組成物。
18. カーボンナノチューブを浮遊させることが可能な界面活性剤、流体およびある一定量のカーボンナノチューブを組み合わせる工程を含み、該流体、界面活性剤およびカーボンナノチューブが、該カーボンナノチューブを浮遊させるのに好適な比で含まれることを特徴とするカーボンナノチューブを浮遊させる方法。
19. 前記カーボンナノチューブが、単層または多層カーボンナノチューブである請求項１８記載の方法。
20. 前記カーボンナノチューブが単層カーボンナノチューブである請求項１９記載の方法。
21. 前記カーボンナノチューブが、流体および界面活性剤と組み合わせる前に、バンドル、凝集体またはロープの形である請求項１８記載の方法。
22. 前記流体が約９９．９７〜約９０．００％の配合量で含まれ、前記界面活性剤が約０．０１〜約１０％の配合量で含まれ、前記カーボンナノチューブが約０．０１〜約５０ｇの配合量で含まれる請求項１８記載の方法。
23. 前記組み合わせる工程が、約０〜約１７５℃の温度で行われる請求項１８記載の方法。
24. 前記温度が、０〜２０℃である請求項２３記載の方法。
25. 前記浮遊カーボンナノチューブが、室温で形成される請求項１８記載の方法。
26. 前記界面活性剤が、セチルトリメチルアンモニウムブロマイドである請求項１８記載の方法。
27. 前記浮遊カーボンナノチューブを音波処理する工程を更に含む請求項１８記載の方法。
28. 前記流体および界面活性剤を、カーボンナノチューブと接触させる前に、組み合わせる請求項１８記載の方法。
29. 流体、カーボンナノチューブを浮遊させることが可能な界面活性剤、およびカーボンナノチューブを含有し、該流体、界面活性剤およびカーボンナノチューブが、カーボンナノチューブの濃度３．０ｇ／Ｌ以上に対する該カーボンナノチューブを浮遊させるのに好適な比で含まれることを特徴とする組成物。