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KR20060090654A - 탄소 나노튜브의 선택적 작용화 - Google Patents

탄소 나노튜브의 선택적 작용화 Download PDF

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KR20060090654A
KR20060090654A KR1020067002201A KR20067002201A KR20060090654A KR 20060090654 A KR20060090654 A KR 20060090654A KR 1020067002201 A KR1020067002201 A KR 1020067002201A KR 20067002201 A KR20067002201 A KR 20067002201A KR 20060090654 A KR20060090654 A KR 20060090654A
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nanotubes
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surfactant
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마이클 에스 스트라노
모니카 어스레이
폴 바론
크리스토퍼 에이 다이크
제임스 엠 투어
더블유 카터 키트렐
로버트 에이치 하우지
리차드 이 스몰리
Original Assignee
윌리엄 마쉬 라이스 유니버시티
더 보오드 오브 트러스티스 오브 더 유니버시티 오브 일리노이즈
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Abstract

본 발명은 디아조늄 화학을 이용하여 특정 유형 또는 범위 유형의 탄소 나노튜브를 이들의 전자적 특성에 기초하여 선택적으로 작용화시키는 방법에 관한 것이다. 본 발명은 또한 선택적인 작용화 및 전기영동을 통한 탄소 나노튜브들을 특정 유형 또는 범위 유형의 군집으로 분리하는 방법, 및 이러한 분리에 의해 생성되는 신규한 조성물에 관한 것이다.

Description

탄소 나노튜브의 선택적 작용화{SELECTIVE FUNCTIONALIZATION OF CARBON NANOTUBES}
본 발명은 Robert A. Welch 재단, 허가 번호 C-0689; 미항공우주국(the National Aeronautics and Space Administration), 허가 번호 NASA-JSC-NCC-9-77 및 NASA TiiMS NCC-01-0203; 미 국립과학재단(the National Science Foundation), 허가 번호 DMR-0073046 및 EEC-0118007; 및 미 공군과학기술국(the Air Force Office of Scientific Research), 허가 번호 F49620-01-1-0364 의 후원으로 완성되었다.
관련출원에 대한 상호참조
본 출원은 2003년 7월 29일 출원된 미국 가출원 일련번호 제 60/490,755 호를 우선권으로 주장한다.
본 발명은 일반적으로 탄소 나노튜브에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 유형에 따라 탄소 나노튜브를 선택적으로 작용화시키는 방법, 유형에 따라 탄소 나노튜브를 분리하는 방법, 및 신규한 조성물을 제조하기 위해 유형에 따라 분리된 작용성 탄소 나노튜브의 군집에 관한 것이다.
다중 동심원형 쉘 및 다중벽으로 불리는 탄소 나노튜브 (MWNT)를 포함하는, 탄소 나노튜브 (CNT)가 Iijima에 의해 1991년에 발견되었다[Iijima, Nature 1991, 354, 56]. 상기 발견에 이어서, 스스로 말린 단일 그라핀(그라핀)을 포함하는 단일벽 탄소 나노튜브 (SWNT)가 전이 금속으로 도핑된 탄소 전극을 이용한 아크방전법으로 합성되었다[Iijima, S.; Ichihashi, T. Nature 1993, 363, 603; 및 Bethune et al. Nature 1993, 363, 605]. 이러한 탄소 나노튜브 (특히 SWNT)는 독특한 기계적, 전자적, 열적 및 광학적 특성을 가지며, 이러한 특성은 이들을 광범위하게 다양한 용도로 이용할 수 있는 가능성을 갖게 한다. 문헌[Baughman et al., Science, 2002, 297, 787-792]를 참조한다.
CNT의 직경 및 키랄성은 정수 "n" 및 "m," 으로 기술되는데, 여기에서 (n,m)은 튜브를 형성하기 위해 이론적으로 말린 그라핀 시트를 따른 벡터이다. |n-m| = 3q (여기서, q 는 정수임)인 경우, CNT 는 반금속 (milli eV 정도의 밴드갭)이다. n-m = 0 인 경우, CNT 는 진정한 금속이며 "암췌어(armchair)" 나노튜브로 지칭된다. n-m 의 모든 기타 조합들은 0.5 내지 1.5 eV 범위인 밴드갭을 갖는 반도체성 CNT 이다. 문헌[O'Connell et al., Science, 2002, 297, 593]을 참조한다. 본원에서 사용된 CNT "유형" 은, (n,m) 벡터에 의해 기술되는 이러한 전자적 유형을 지칭한다 (즉, 금속성, 반금속성, 및 반도체성).
CNT, 및 SWNT의 광범위한 응용에 있어서 주된 애로사항은 특히, 전자적 구조에 따른 이들의 조작이다 [Avouris, Acc . Chem . Res . 2002, 35, 1026-1034]. 모든 준비된 방법들은 반도체성, 반금속성, 및 금속성 전자적 유형의 다분산성 물질을 초래한다. 문헌[M. S. Dresselhaus, G. Dresselhaus, P. C. Eklund, Science of Fullerenes and Carbon Nanotubes, Academic Press, San Diego, 1996]; [Bronikowski et al., Journal of Vacuum Science & Technology 2001, 19, 1800-1805]; [R. Saito, G. Dresselhaus, M. S. Dresselhaus, Physical Properties of Carbon Nanotubes , Imperial College Press, London, 1998]를 참조한다. 밴드갭 형광 [Bachilo et al ., Science, 2002, 298, 2361] 및 라만 분광법 [Strano, Nanoletters 2003, 3, 1091]을 이용한 분광 확인과 함께 용액상 분산에서의 최근의 진보 [Strano et al ., J. Nanosci . and Nanotech ., 2003, 3, 81; O'Connell et al., Science, 2002, 297, 593-596]는 현탁된 혼합물로서 전자적으로 확연한 나노튜브를 모니터링하는 크게 향상된 능력을 가지며, 반도체성 종 [Bachilo et al ., Science, 2002, 298, 2361] 뿐만 아니라, 금속성 및 반금속성 종 [Strano, Nanoletters, 2003, 3, 1091]의 광학 특성에 있어서 명확히 연구과제를 남겼다.
화학적 작용성 CNT 기술은 이러한 물질, 특히 다발성 응집물로 어셈블링되는 경향이 있는 SWNT에 있어서 조작하는 능력을 현저히 촉진시켰다 [Thess et al ., Science, 1996, 273, 483-487]. 이러한 CNT의 화학 작용화는 일반적으로 2가지 유형으로 나뉜다: 튜브 말단 작용화 [Chen et al., Science, 1998, 282, 95-98], 및 측면벽 작용화 [PCT publication WO 02/060812, Tour et al.].
상기의 관점에서, CNT, 및 SWNT를 특히, 이들의 전자적 구조 및/또는 특성에 기초하여 선택적으로 작용화시킬 수 있는 방법을 가지는 것이 특히 유리할 것이다.
본 발명은 특정 유형 또는 범위 유형의 탄소 나노튜브를 이들의 전자적 특성에 기초하여 선택적으로 작용화시키는 방법에 관한 것이다. 본 발명은 또한 선택적인 화학 작용화 및 전기영동을 통한 탄소 나노튜브들을 특정 유형 또는 범위 유형의 군집으로 분리하는 방법, 및 이러한 분리에 의해 생성되는 신규한 조성물에 관한 것이다. 임의로는, 이러한 단리된 조성물은 열적으로 탈작용화되어 특정 유형 또는 범위 유형의 비작용성의, 본래 탄소 나노튜브의 군집을 생성할 수 있다.
본 발명은 공유적 화학 작용화가 나노튜브 전자적 구조의 차이에 의해 제어되는 탄소 나노튜브의 제1 선택적 반응 경로를 제공한다. 이러한 화학적 경로는 금속성 나노튜브의 선택적 작용화에 의해 명확학 전자적 유형의 나노튜브 조작법을 제공한다. 이러한 방식으로 나노튜브 화학을 제어하는 것은 고도의 선택성 및 확장성을 갖는 금속성 및 반금속성 나노튜브로부터 반도체성 나노튜브의 분리를 가능하게 한다: 이는 탄소 나노튜브 연구단체들이 추구한 오래된 목표였다.
일반적으로, 선택적으로 작용화된 탄소 나노튜브, 특히 단일벽 탄소 나노튜브를 제공하는 본 발명의 방법은, 용매-현탁된 탄소 나노튜브와 하나 이상의 디아조늄 종과의 반응과 관련된다. 이러한 디아조늄 종의 금속성 및 반금속성 탄소 나노튜브에 대한 상이한 반응성을 이용하여, 다양한 유형의 탄소 나노튜브의 혼합물에 부화학량론적 양의 디아조늄 종을 첨가하면 금속성 및 반금속성 탄소 나노튜브만이 작용화되는 결과를 가져오게 된다. 이러한 디아조늄 종은 금속성 및 반금속성 탄소 나노튜브가 여러 화학적 부분이 작용화되는 것을 허용한다.
일반적으로, 탄소 나노튜브를 선택적으로 작용화시키는 방법은 하기를 포함한다: a) 다수의 탄소 나노튜브 물질을 선택하는 단계; b) 탄소 나노튜브 물질을 용매 중에 현탁시키는 단계; 및 c) 탄소 나노튜브 물질을 나노튜브의 전자적 특성에 기초하여 선택적으로 작용화시킬 수 있는 화학적 반응물을 첨가하는 단계. 일반적으로, 화학적 반응물은 부화학량론적 양으로 첨가되며, 반응물은 보통 디아조늄 종이다.
일반적으로, 탄소 나노튜브를 이들의 전자적 밴드갭에 기초하여 분리하는 방법은 하기를 포함한다: a) 탄소 나노튜브를 작용화시켜 선택적으로-작용화된 계면활성제-현탁된, 페놀 부분을 함유하는 탄소 나노튜브의 혼합물을 생성하는 단계 (여기에서, 혼합물 내에 일부의 탄소 나노튜브는 선택적으로-작용화되며, 혼합물 내에 다른 일부는 비작용성으로 잔존함); b) 선택적으로-작용화된 계면활성제-현탁된 탄소 나노튜브의 혼합물 내에 존재하는 OH 기(페놀기 상에)를 pH를 증가시킴으로써 탈양성자화시키는 단계; 및 c) 상기 작용성 탄소 나노튜브를 비작용성 탄소 나노튜브로부터 전기영동적으로 분리시키는 단계.
상기는 하기에 기술하는 본원의 상세한 설명의 보다 명확한 이해를 위해 본 발명의 특징을 보다 광범위하게 개괄한 것이다. 본 발명의 추가의 특징 및 이점을 이후에 기술하니 이는 본 발명의 청구항의 주제를 나타낸다.
본 발명, 및 이의 이점들의 보다 완전한 이해를 위해, 첨부되는 도면과 함께 하기 설명을 참조한다:
도 1 은 (A) 디아조늄 시약은 전자를 추출하여, N2 기체를 방출하고 안정한 C-C 공유적 아릴 결합을 상기 나노튜브 표면에 남기고; (B) 전자 이동의 정도는 E F 부근의 전자 밀도가 금속성 및 반금속성 나노튜브에 대한 보다 높은 초기 활성으로 이어지는 상태의 밀도에 의존하며; (C) 아렌-작용화된 나노튜브는 이제 탈배치된 라디칼 양이온으로 존재하여, 이웃하는 나노튜브로부터 전자를 추가로 수용할 수 있거나 플루오라이드 또는 디아조늄염과 반응하는, 반응식을 나타낸다.
도 2 는 (A) 다량의 4-클로로벤젠디아조늄 테트라플루오로보레이트 (mol/1000 mol 탄소)의 첨가 후의 나트륨 도데실 설페이트-현탁된 탄소 나노튜브의 자외선-가시광-근적외선(UV-vis-nIR) 스펙트럼이며, 여기에서 (B)는 금속성 부위를 확대해서 본 것이며, 여기에서 피크들(a-f)은 측쇄기 농도가 증가함에 따라 감소하는 것을 보여준다.
도 3 은 (A) 532-nm 여기 상태에서의 라만 스펙트럼은, 1000 탄소 원자당 결합한 0 (i) 내지 5.6 (ii) 내지 22.4 (iii) 기의 증가되는 작용화에 따른 "무질서" 모드의 성장을 보여주며; 여기에서 (B) 접선 모드 (TM) x 0.1 의 강도는 반응이 증가함에 따라 분산 상황의 공명도 향상이 손실됨에 따라 감소되며; 여기에서 무질서 모드, D는, 동일한 향상 손실로 급격히 감소하는 것은 나타낸다.
도 4 는 (A) 출발 용액의 532-nm 여기 상태에서의 낮은 파수 라만 스펙트럼 , 여기에서 4개의 금속성/반금속성 나노튜브 [(13,1), (9,6), (10,4), 및 (9,3)] 는 상기 파장에서 프로브되며 나노튜브 직경에 민감한 라디칼 모드를 통한 하나의 반도체 (9,2)이며, 여기에서 (B) 1000 탄소당 5.6 개의 기가 부착된 후, 작용화는 특히 작은 직경의 금속에서의 붕괴에서 보여지듯이, 상기 모드를 방해하며, 이러한 종들의 분리에 실마리를 제공하는 금속들 중 선택적 반응성의 초기 증거를 제공하며; 여기에서 (C) 22.4의 비율 이후에, 모든 금속성 모드는 붕괴되어, 도 2B와 일치하는 단일 반도체만을 남기는 것을 나타내며;
도 5 는 반응 전(실선) 및 회복 및 열분해 후(점선) 금속 및 반도체성 나노튜브 모두 프로브된 633 nm에서의 라만 스펙트럼을 나타내며, 여기에서 화학의 가역성은 원래 나노튜브의 본래의 전자적 및 광학적 특성이 회복될 수 있음을 의미한다.
도 6 은 (A) 페놀기(디아조늄 종으로 첨가됨)를 갖는 금속성 탄소 나노튜브의 선택적 작용화 및 상승된 pH에서의 이들의 탈양성자화; (B) 전기영동으로 비작용성 및 페놀-작용성 탄소 나노튜브의 서로 다른 이동도를 보여주며; (C) 적용된 전기장을 스케일화하여, 비작용성 및 페놀-작용성 탄소 나노튜브 사이의 전기영동 이동도의 비교를 나타낸다.
발명의 상세한 설명
본 발명은 탄소 나노튜브가 이들의 정밀한 전자적 구조에 따라, 선택적인 방법으로 화학적으로 작용화될 수 있는 방법에 관한 것이다. 또한 본 발명은 선택적인 작용화 및 전기영동을 통한 탄소 나노튜브들을 특정 유형 또는 범위 유형의 군집으로 분리하는 방법, 및 또한 이러한 분리에 의해 생성되는 신규한 조성물에 관한 것이다. 임의로는, 이러한 단리된 조성물은 열적으로 탈작용화되어 균질한 유형의 비작용성의, 본래 탄소 나노튜브의 군집을 생성할 수 있다.
탄소 나노튜브를 이들의 전자적 특성에 기초하여 분리하는 문제는 1991년 이 들의 초기 합성 이후로 계속되어 왔다. 상기 문제점은 현재의 모든 CNT 제조 방법이 다양한 직경 및 키랄성- 및 다양한 전자적 구조를 가지는 불균질한 생성물을 생성한다는 데 있다. 최근에 SWNT를 이들의 전자적 특성에 기초하여 분리해낸 보고가 있었으나, 이러한 위업을 달성하는데 전기화학적 선택성을 이용한 성공적인 증명은 없었다. 실제로, 전자적 선택성은 현재까지 증명되지 않았다.
이론에 구속되지 않더라도, 본 발명의 선택적인 작용화 방법은 다른 것들에 대해 특정 전자적 구조의 선택적인 반응을 이끌기 위해 나노튜브 측면벽에서의 전하 이동 안정성을 이용하는 것과 관련되는 것으로 생각된다. 이러한 방법은 탄소 나노튜브를 이들의 전자적 구조에 의한 화학적 방법을 통해 조작하고 분리하는 기초를 형성하는데, 이러한 화학적 방법은 본 발명의 일부 구체예에서, 특정 직경, 키랄성, 및 전자적 특성을 가지는 탄소 나노튜브의 군집을 생성한다. 일부 또는 기타 구체예에서, 구체적으로 맞춰진 범위의 직경, 키랄성, 및 전자적 특성을 가지는 탄소 나노튜브의 군집이 제조된다.
본 발명에 따른 탄소 나노튜브 (CNT), 이에 제한되지는 않지만, 단일벽 탄소 나노튜브 (SWNT), 다중벽 탄소 나노튜브 (MWNT), 이중벽 탄소 나노튜브, 버키튜브, 풀러렌 튜브, 연관식 풀러렌, 흑연 섬유소, 및 이의 조합을 포함한다. 이러한 탄소 나노튜브는 다양한 범위의 길이, 직경, 다수의 튜브벽, 키랄성 (헬리시티) 등을 가질 수 있으며, 이에 제한되지는 않지만 아크 방전법 [Ebbesen, Annu . Rev . Mater . Sci. 1994, 24, 235-264], 레이저 오븐(laser oven) [Thess et al ., Science 1996, 273, 483-487], 화염 합성법 [Vander Wal et al., Chem . Phys . Lett . 2001, 349, 178-184], 화학적 기상 증착 [United States Patent No. 5,374,415]를 포함하는 임의의 공지된 기술에 의해 제조될 수 있으며, 여기에서 지지된 [Hafner et al., Chem. Phys . Lett . 1998, 296, 195-202] 또는 비지지된 [Cheng et al., Chem . Phys. Lett. 1998, 289, 602-610; Nikolaev et al., Chem . Phys . Lett. 1999, 313, 91-97] 금속 촉매, 및 이의 조합이 사용될 수 있다. 구체예에 따라, CNT 는 하나 이상의 가공 단계를 거칠 수 있다. 일부 구체예에서, CNT 는 정제되었다. 예시적인 정제 기술은, 이에 제한되지는 않지만, Chiang 등에 의한 것들 [Chiang et al., J. Phys. Chem . B 2001, 105, 1157-1161; Chiang et al., J. Phys . Chem . B 2001, 105, 8297-8301]을 포함한다. 일부 구체예에서, CNT 는 절단 공정에 의해 절단될 수 있다. 문헌[Liu et al., Science 1998, 280, 1253-1256]; [Gu et al ., Nano Lett. 2002, 2(9), 1009-1013]; [Haddon et al., Materials Research Society Bulletin, 2004, 29, 252-259]을 참조한다. 용어 "탄소 나노튜브" 및 "나노튜브" 는 본원에서 상호교환되어 사용될 것이다.
이론에 구속되지 않더라도, CNT 전자적 구조의 다양성은 그라핀면의 실린더 형성 나노튜브로의 이론적 말림을 통해 1-D 시스템의 전자적 파형벡터의 독특한 양자화로부터 생겨난다 [M. S. Dresselhaus, G. Dresselhaus, P. C. Eklund, Science of Fullerenes and Carbon Nanotubes, Academic Press, San Diego, 1996; R. Saito, G. Dresselhaus, M. S. Dresselhaus, Physical Properties of Carbon Nanotubes, Imperial College Press, London, 1998]. 상기 면 상의 두 점을 연결하는 6각형 원소들의 단위 벡터는 두 정수: n 및 m 에 대한 나노튜브 키랄성을 정의 한다. |n-m| = 3q 또는 0 인 경우(여기서 q 는 정수임), 나노튜브는 금속성 또는 반금속성인 한편, 잔존하는 종들은 기하학-의존적인 밴드갭을 갖는 반도체성이다 [Reich et al., Physical Review B, 2000, 62, 4273-4276]. 이전 연구에서는 대부분 알수 없었지만, 탄소 나노튜브의 기하학적 구조의 미묘한 차이가 이러한 종들의 용액상 반응 속도에서 극적인 변화를 가져온다. 출원인은 탄소 나노튜브와 반응하는 것으로 나타난 [Bahr et al., J. Mat . Chem ., 2002, 12, 1952-1958; Dyke et al., J. Am . Chem . Soc ., 2003, 125, 1156; Bahr et al ., J. Am . Chem . Soc ., 2001, 123, 6536-6542] 수용성 디아조늄염 [Bravo-Diaz et al ., Langmuir, 1998, 14, 5098], 및 계면활성제-포장된 나노튜브 [Dyke et al., Nano Lett., 2003, 3, 1215-1218]가 공유적 아릴 결합 (도 1A) 형성에 있어서 나노튜브로부터 전자를 추출할 수 있다는 것을 밝혀내었고 [Dyke et al., Synthetic Lett., 2004, 155-160], 따라서 반도체성 튜브에 비해 금속성 튜브와의 우수한 화학선택적인 반응을 나타낸다는 것을 알아냈다. 도 1과 관련하여, (A) 디아조늄 시약은 전자를 추출하여, N2 기체를 방출하고 안정한 C-C 공유적 아릴 결합을 상기 나노튜브 표면에 남기고; (B) 전자 이동의 정도는 E F 부근의 전자 밀도가 금속성 및 반금속성 나노튜브에 대한 보다 높은 초기 활성으로 이어지는 상태의 밀도에 의존하며; (C) 아렌-작용화된 나노튜브는 이제 탈배치된 라디칼 양이온으로 존재하여, 이웃하는 나노튜브로부터 전자를 추가로 수용할 수 있거나 플루오라이드 또는 디아조늄염과 반응할 수 있다. 문헌[Dyke et al., Synthetic Lett., 2004, 155-160; Strano et al., Science, 2003, 301, 1519]을 참조한다.
상기 기술된 결합은 나노튜브의 페르미 준위인, Ef 부근의 에너지 ΔEr,를 갖는 전자에 대한 고도로 높은 친화도를 가지며 형성된다(도 1B). 다시, 이론에 구속되지 않더라도, 반응물이 나노튜브 표면에서 전하 이송 복합체를 형성하고, 여기에서 후자로부터 전자 공여가 전이 상태를 안정화시키며 전진 속도를 촉진시킨다는 것을 알 수 있다. 일단 나노튜브의 결합 대칭성이 이러한 결합의 형성에 의해 방해받으면, 인접하는 탄소들의 반응성이 증가하며 (도 1C) 초기 선택성은 전체 나노튜브가 작용화될때 증폭된다.
탄소 나노튜브 화학은 피라미드 각 형식(pyramidization angle formalism) [S. Niyogi et al ., Acc . of Chem . Res ., 2002, 35, 1105-1113]을 이용하여 올바르게 기술되었다. 본원에서, 화학적 반응성 및 역학 선택성은 sp 2 -혼성 그라핀 시트의 굴곡-유도된 스트레인에 기인하여 s 특성의 정도에 관련된다. 탄소당 스트레인 에너지가 나노튜브 직경과 역으로 관련되기 때문에, 이모델은 굴곡이 무한대가 됨에 따라 반응의 엔탈피가 감소하는, 더 작은 직경의 나노튜브가 가장 반응성임을 예측한다. 상기 거동이 가장 흔한 경우인 반면, 이들의 반응성을 결정하는데 있어서 나노튜브 전자적 구조의 역할은 중요성이 증대한다- 특히 유사한 직경의 CNT (이는 흔히 SWNT 생성물의 경우) 군집 중 목적하는 선택성을 결정하는 경우에 있어서 그렇다. 또한, 이러한 구조는 키랄 포장, 화학적 도핑, 하전된 흡착물 뿐만 아니라, 나노튜브 직경에도 아주 민감하기 때문에, 간단한 직경 의존성 이외에 이러한 다양 한 경로들 중 상당한 다양성이 존재한다.
선택적인 작용화
일반적으로, 탄소 나노튜브를 선택적으로 작용화시키는 방법은 하기를 포함한다: a) 다수의 탄소 나노튜브 물질을 선택하는 단계; b) 탄소 나노튜브 물질을 용매 중에 현탁시키는 단계; 및 c) 탄소 나노튜브 물질을 나노튜브의 전자적 특성에 기초하여 선택적으로 작용화시킬 수 있는 화학적 반응물을 첨가하는 단계.
보다 구체적으로, 일부 구체예에서, 탄소 나노튜브를 선택적으로 작용화시키는 방법은 하기를 포함한다: a) 다수의 탄소 나노튜브 물질을 선택하는 단계; b) 탄소 나노튜브 물질을 계면활성제 수용액에 첨가하고 균질화하여 계면활성제-현탁된 탄소 나노튜브를 포함하는 혼합물을 형성하는 단계; 및 c) 혼합물 내에 적절한 디아조늄 종을 반도체성 탄소 나노튜브가 아닌, 금속성 및 반금속성 탄소 나노튜브와 우선적으로 반응하기에 적절한 양으로 첨가하는 단계.
본 발명에 따른 계면활성제는, 물 중에서 탄소 나노튜브의 분산을 촉진시키는 임의의 화학 작용제일 수 있다. 계면활성제는, 이에 제한되지는 않지만, 이온성 계면활성제, 비이온성 계면활성제, 양이온성 계면활성제, 음이온성 계면활성제, 나트륨 도데실 설페이트 (SDS), 나트륨 도데실벤젠 설포네이트 (SDBS), 나트륨 옥틸벤젠 설포네이트, TRITON X-100, TRITON X-405, 도데실트리메틸암모늄 브로마이드 (DTAB), 및 이의 조합을 포함한다. 그러나, 유기 용매 중 유기적으로 포장된 CNT 도 포장된 종들이 단일 나노튜브, 또는 이의 작은 다발, 즉, 2-3 나노튜브 정도이어서, 개별적 나노튜브가 선택적인 작용화 방법에 접근 가능하기만 하면, 선택적 커플링에서 디아조늄염과 이러한 반응을 위한 상대가 될 수 있다.
본 발명의 일부 구체예에서, 계면활성제-현탁된 탄소 나노튜브의 수성 혼합물을 형성하는 방법은 균질화 단계를 포함한다. 본 발명에 따른 균질화 단계는, 혼합물을 적절히 균질화하여 일부 이상의 탄소 나노튜브가 미셀-유사 에셈블리로 캡슐화되게 하는 임의의 방법일 수 있다.
본 발명의 일부 구체예에서, 계면활성제-현탁된 탄소 나노튜브의 수성 혼합물을 형성하는 방법은 추가로 초음파 보조 장치를 포함한다. 초음파 보조 장치는 보통 약 200 W 내지 약 600 W 출력에서 작동하는 초음파 조(bath) 또는 초음파 혼 소니케이터(horn sonicator)로 제공될 수 있다. 이러한 초음파 보조 장치의 작동 시간은 보통 약 1 분 내지 약 20 분이다.
본 발명의 일부 구체예에서, 계면활성제-현탁된 탄소 나노튜브의 혼합물은 기타 물질로부터 계면활성제-현탁된 나노튜브 물질을 분리하기 위해 원심분리된다. 이러한 구체예에서, 기타 물질은 바닥으로 가라앉고 계면활성제-현탁된 탄소 나노튜브는 부유한다. 본 발명의 일부 구체예에서, 원심분리는 초원심분리에 의해 제공되며, 원심분리는 약 10,000 rpm 내지 약 90,000 rpm 의 강도로 수행되며, 일반적으로 약 1 시간 내지 약 6 시간 동안 지속된다.
본 발명의 일부 구체예에서, 아릴 디아조늄염은 디아조늄 종으로 사용된다. 적절한 아릴 디아조늄염은, 이에 제한되지는 않지만,
Figure 112006007474754-PCT00001
를 포함한다. 여기에서, R은 할로겐, 니트로, 시아노, 알킬, 아릴, 아릴알 킬, 히드록시, 카르복실산 에스테르, 카르복실산, 티오카르보네이트, 아미드, 알콕시, 폴리에테르, 폴리알킬, 히드록시 알킬, 및 이의 조합으로 이루어진 군으로부터선택된다. "R" 에 대한 변형은 하기를 포함한다: a) 비극성 용매 용해도를 위한 지방족 사슬 또는 기; b) 복합물 또는 혼합물로의 혼입을 위한 폴리스티렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등; c) 전기-전도성의 중합성 치환체들 (즉, 폴리피롤 또는 폴리(페닐렌 비닐렌)); d) 물 또는 알콜의 용해도를 증가시키기 위한 폴리에테르 사슬; e) 물의 용해도를 증가시키기 위한 카르복실산 또는 카르복실레이트 음이온; f) 중합체를 가교시켜 복합물을 형성할 수 있는 치환체들; g) R 은 방향족 고리 상의 ㄷ다양한 위치에서 치환될 수 있다(오르쏘, 메타, 파라); h) 다중 "R" 기가 존재함; 그리고, 금속 표면 또는 나노입자에 부착하기 위해 이탈기로서 Cl, Br, 및 I 의 사용이 존재하는 경우.
본 발명의 일부 구체예에서, 아릴 디아조늄염을 계면활성제-현탁된 탄소 나노튜브의 혼합물에 첨가하기 전에, 물 또는 다른 용매에 먼저 용해시키고, 나노튜브와 반응하게 한다. 이러한 구체예에서, 부화학량론적 양의 아릴디아조늄염을 첨가하여 이를 우선적으로 반도체성 탄소 나노튜브가 아닌, 금속성 (밴드갭 없음) 및 반금속성 (아주 적은 밴드갭을 갖는 "Mod 3" 나노튜브 (n-m = 3 복수 개), 흔히 수도(pseudo)갭이라 지칭되며, 굴곡 유도됨) 탄소 나노튜브와 반응하게끔 한다.
본 발명의 일부 구체예에서, 라만, 흡수, 및/또는 형광 분광법은 반응 동안 및 반응 후에 반응이 선택적-먼저 금속성 및 반금속성 나노튜브에-인지 알아보기 위해 방법을 분석하였다.
본 발명의 일부 구체예에서, 부분 반응 (즉, 반도체성 나노튜브가 아닌, 금속성 및 반금속성 나노튜브의 반응)의 완료 시, 탈안정화제가 추가되어 미셀 에셈블리를 탈안정화시키고 여과를 허용할 수 있다. 일부 구체예에서, 사용된 탈안정화제는 N,N-디메틸포름아미드 (DMF)이다.
선택적인 반응성이 밴드 갭 크기의 함수이기 때문에, 디아조늄 종의 연속된 첨가는 혼합물 중에 존재하는 가장 작은 밴드 갭을 가지는 반응하지 않은 나노튜브와 우선적으로 계속 반응할 것이다. 이러한 우선적 반응으로, 상기 반응은 다음으로 큰 밴드 갭을 가지는 나노튜브로 이동(shift)될 것이다. 궁극적으로, 충분한 아릴 디아조늄염이 첨가되는 경우, 모든 나노튜브는 반응할 것이다.
그러나, 일부 구체예에서, 반응 선택성은 낮은 전환률에서만 관찰되는데, 이는 작용기의 표면 적용범위가 선택적인 조건하에서 비교적 적다는 것을 의미한다.
본 발명의 일부 구체예에서, 디아조늄 종은 치환된 아닐린 종을 알킬 나이트라이트(또는 대안적으로 산의 존재하에 무기 나이트라이트)와 반응시켜 현장에서 제조된다. 본 발명에 따른 치환된 아닐린 종은 하기 일반 화학식을 가진다:
Figure 112006007474754-PCT00002
상기 화학식에서, R(치환체, 또는 다중 치환의 경우에는 치환체들)은 할로겐, 니트로, 시아노, 알킬, 아릴, 아릴알킬, OH, 카르복실산 에스테르, 카르복실산, 티오카르보네이트, 아미드, 알콕시, 폴리에테르, 폴리알킬, 히드록실 알킬, 및 이의 조합이다.
본 발명의 일부 구체예에서, 디아조늄 종은 디알킬트리아젠을 산과 반응시켜 현장에서 제조된다. 일반적으로, 디아조늄 종, 또는 이의 합성 동등물을 제조하는 임의의 방법이 사용될 것이다.
일부 구체예에서, 계면활성제로 CNT를 분산시키는 대안적인 방법으로, CNT는 올레움(oleum)과 같은 과산(superacid) 매질에 분산된다. 일반적으로, CNT를 분산시키는 임의의 방법, 특히 개별적인(번들링되지 않은) 나노튜브의 경우, 전술한 디아조늄 종 중 임의의 것과 양립가능한 방법이 사용될 것이다.
탄소 나노튜브의 분리
본 발명의 일부 구체예에서, 아릴 디아조늄염은 상기 디아조늄염과 부분적으로 반응하는 계면활성제-현탁된 탄소 나노튜브의 혼합물의 pH 변화에 민감한 작용기를 가지도록 선택된다. 본 발명의 일부 구체예에서 디아조늄염은 하기 화학식이다:
Figure 112006007474754-PCT00003
상기 화학식에서, R은 OH(즉, 페놀)기이다. 높은 pH 값에서(예, > 10), OH 기는 탈양자화된다. 금속 및 반금속이 우선적으로 작용화되는 구체예에서, 이러한 종은 겔 또는 모세관 전기영동과 같은 전기영동 기술을 사용하여, 이러한 높은 pH 값에서, 반도체성 탄소 나노튜브로부터 분리될 수 있다.
따라서, 상기 반응 화학은 모든 금속성 나노튜브가 페놀 부분을 통해 선택적으로 작용화되고, 전기영동 방법으로 분리되어, 다발(rope)-유사 번들로 응집되지 않는 특정 유형을 가지는 탄소 나노튜브를 생성하도록 수행될 수 있다. 분별된 물질을 회수한 후, 금속성 나노튜브의 열적 처리는 작용기를 쫓아내어, 결과 비작용성 나노튜브는 이들의 최초의 특성을 회복하게 된다.
일부 또는 다른 구체예에서, 유형들의 혼합물 내에서 다른 유형을 가지는 CNT의 용해도의 변화는, 이들의 선택적인 작용화의 결과, 이들의 분리를 용이하게 하는데 사용된다. 예를 들어, CNT의 계면활성제-현탁된 분산액에, 금속성 및 반금속성 CNT과 우선적으로 반응하여 단지 이러한 유형만을 작용화시키는 디아조늄 종을 부화학량론적 양으로 첨가할 수 있다. 그 후, 시약(예, DMF)을 첨가하여, CNT이 현탁액에서 응집되어 나오는 시점에서, 계면활성제-현탁액을 탈안정화시킬 수 있다. 이러한 CNT 물질을 여과 및 세척하면, 작용화된 금속성 및 반금속성 CNT 및 비작용성 반도체성 CNT의 고체 혼합물이 얻어진다. 작용화시키는 기가 친화도를 가지는 용매 중에서 상기 고체 생성물을 분산시키면, 상기 작용성 금속성 및 반금속성 CNT은 현탁되는 반면, 비작용성 반도체성 CNT은 현탁되지 않은 채로 유지된다. 분리는 원심분리 및 따르기, 또는 기타 방법으로 수행될 수 있다.
본 발명의 가장 즉각적이고 명백한 용도는 탄소 나노튜브를 이들의 전자적 구조에 기초하여 분리하는 경로로 사용하는 것이다. 선택적으로 작용화시키는 금속성 나노튜브, 또는 작은 밴드 갭 반도체성 나노튜브에 의해, 본 발명의 일부 구체예에서, 잔여 종은 작용화의 결과로 초래되는 용해도 변화를 사용하여 분리될 수 있다. 분자량의 증가 또한 이러한 목적에 사용될 수 있다. 또한, 작용화는 금속성 및 반금속성 CNT 중에서 전도성을 선택적으로 붕괴시키는데 사용될 수 있다. 기타 응용예로서, 모든 전자적 유형을 가지는 출발 혼합물로부터, 모든 금속성 나노튜브로 구성된 전자적 장치를 제작하는 것을 포함한다. 디아조늄 반응은 고도로 작용화된 물질을 생성하는데 사용될 수 있다.
단일벽 탄소 나노튜브의 다른 작용화 방법은 나노튜브의 전자적 구조에 선택적이지 않았다. 이러한 발견은 최근에 와서야 사용가능하게 된 탄소 나노튜브에 대한 분광학적 기술에 의해 가능해졌다. 특히, 광흡수 분광법 및 형광 검출법이 나노튜브 전자적 구조에 대한 치환체의 첨가 효과를 모니터링하고 반응 진행을 쫓아가데 사용한다. 또한, 용액 중 탄소 나노튜브를 균일하게 기능화하는 다른 방법이 존재하지 않는다. 종래의 작용화된 나노튜브는 고도로 작용화된 나노튜브와 비작용성 나노튜브로 구성되었다. 이러한 관찰은 고체 상태의 나노튜브에 발생하는 번들링에 기인한 것이다.
이하 실시예는 본 발명의 일부 구체예를 보다 상세히 설명하기 위해 제공된다. 본 기술 분야의 당업자라면 이하 실시예에 서술된 기술이 본 발명을 잘 수행하기 위해 본 발명자에 의해 발명된 기술을 나타내는 것이며, 따라서 본 발명의 수행을 위한 대표적인 방식을 구성하기 위해 고려된 것임을 이해할 것이다. 그러나, 본 기술 분야의 당업자라면 본 발명의 명세서를 기초로 하여 본 발명의 기술 사상 및 범위를 벗어나지 않고, 공개된 특정 구체예에 여러 변형을 가하여, 동일하거나 유사한 결과를 얻을 수 있음을 이해할 것이다.
실시예 1
이 실시예는 본 발명의 일부 구체예에 따른 계면활성제-현탁된 CNT의 디아조늄 종과의 선택적인 반응을 설명하기 위해 제공된다.
미셀-코팅된(계면활성제-현탁된) 단일벽 탄소 나노튜브는 원료와 1%의 나트륨 도데실 설페이트를 물 또는 산화중수소(D2O)와 1시간 동안 균질화한 후, 10분 동안 소니케이션하여 얻었다. 그 후, 얻어진 용액을 4시간 동안 원심분리하고 따라내어, 미셀-코팅된 나노튜브를 얻었다. 그 후, pH를 1.0 N NaOH로 대략 10으로 조정하고, 다양한 디아조늄염 중 하나를 수용액/현탁액에 첨가한다. 디아조늄염은 고체 형태로 수거한 물질에 직접 첨가하거나, 디아조늄염을 물 또는 D2O에 용해시킨 후 희석 용액으로 첨가할 수도 있다. 과량의 염이 첨가되는 경우, 선택성은 관찰되지 않으나, 모든 나노튜브는 높은 정도로 작용화된다. 선택적인 작용화를 위해, 디아조늄염을 물 또는 D2O(대략 1.5 M)에 용해시켜 염의 희석 용액을 제조하고, 이 용액의 분취액(대략 5 ㎕)을 교반하면서 나노튜브 수거물(decant)에 첨가하였다. 작용화 정도를 측정하기 위해, 이 반응은 여러 분광학적 기술을 통해 모니터링할 수 있다. 작용화 완결시, 반응 혼합물을 일부 유기 용매(예, 아세톤, DMF)로 희석한 후, 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE) 멤브레인을 통해 여과시켜 응집된 나노튜브를 회수하였다. 그 후, 회수된 고체를 아세톤과 물로 세척하여, 반응하지 않은 디아조늄염, 디아조늄 분해 부산물, 및 나트륨 도데실 설페이트를 제거하였다. 그 후, 나노튜브 샘플을 멤브레인으로부터 회수하여 60℃ 진공 오븐에서 건조하였다.
여기에서의 설명은 한정하려는 의미가 아니다. 제조될 수 있는 중간체를 생 성하는 방법은 물론, 농도 및 반응 시간은 변형될 수 있다. 예를 들어, 아닐린과 알킬 나이트라이트 또는 아닐린과 나트륨 나이트라이트/산으로부터 디아조늄염을 인 시투(in situ) 생성할 수 있다. 또한, 지금까지 가장 잘 반응하는 디아조늄염은 아릴디아조늄염이지만, 이를 한정하여 해석해서는 안 된다. 아릴 고리상의 작용기 또는 치환체들은 다양하여 나노튜브 가수(addend)의 친수성 및 소수성을 변형시켜, 분리 효율이나 기타 특성들을 개선시킬 수 있다.
실시예 2
이 실시예는 선택적인 작용화가 어떻게 흡수 분광학을 수반하는지를 설명하기 위해 제공된다.
선택적인 작용화에 대한 증거는 반응 동안과 반응 이후 용액의 자외선-가시광-근적외선(UV-vis-NIR) 흡수 스펙트럼에서 관찰될 수 있다. 나노튜브 표면에서의 반응은 일반적으로 이러한 스펙트럼에서 나노튜브에 현저하고 날카로운 흡수 최대값을 제공해주는 광여기 반응을 필수적으로 붕괴시킨다. 도 2는 장파장(저에너지 밴드 갭)에서 이러한 최대값을 가지는 나노튜브의 경우 저농도에서 불균형적으로 이들의 피크가 붕괴됨을 보여준다. 도 2에서, (A)는 다양한 양의 4-클로로벤젠디아조늄 테트라플루오로보레이트(mol/1000 mol 탄소)를 첨가한 이후의 나트륨 도데실 설페이트가 현탁된 탄소 나노튜브의 자외선-가시광-근적외선(UV-vis-NIR) 스펙트럼이고, (B)는 금속성 영역의 확대도이며, 여기서 피크 a-f는 103개의 나노튜브 탄소 당 0.0, 2.1, 3.9, 5.6, 9.1 및 11.8개의 측쇄기에 대응되고, 측쇄기 농도가 증가함에 따라 감소하는 것처럼 보인다. 따라서, 더 작은 직경을 가진 나노튜브는 시약 농도가 더 커질 때까지 영향을 받지 않는 것처럼 보인다.
조심스럽게 제어되는 조건하에서, 전술한 CNT의 화학적 행동양식은 반도체를 배제하고 금속성 및 반금속성 나노튜브의 고도의 선택적인 작용화를 얻기 위해 이용될 수 있다. 하나의 이러한 구체예에서, 내부 및 외부 포트를 가지는 큐벳을 통해 나트륨 도데실 설페이트가 현탁된 탄소 나노튜브를 150 mL/min으로 이송하는데 재순환 유동 반응기를 사용하였다. 이 반응을 현장에서 모니터링 하기 위해, 측량된 양의 디아조늄 아릴 클로라이드 테트라플루오로보레이트를 첨가한 후 연속적인 자외선-가시광-근적외선(UV-vis-NIR) 스펙트럼을 얻었다. 이러한 첨가는 이 시스템이 정상 상태 조건에 도달한 후 0.05 mM 만큼을 증가시켰다. 도 2A 및 2B는 4-클로로벤젠디아조늄 테트라플루오로보레이트의 연속적인 첨가 후 정상 상태 이후의 수성 현탁된 나노튜브의 자외선-가시광-근적외선(UV-vis-NIR) 흡수 스펙트럼을 보여준다. 이 스펙트럼은 금속성 및 반금속성 나노튜브의 v1→c1 전자적 전이가 대략 440 내지 645 nm이며, 반도체성 나노튜브의 v1→c1 및 v2→c2가 각각 830 내지 1600 nm 및 600 내지 800 nm임을 모니터링 해준다. 이러한 분리된 흡수 특징은 각각의 별개의 나노튜브에서의 원자가 전자를 모니터링하는 것을 가능하게 한다; 상기 종들이 반응하여 공유 결합을 형성하기 때문에, 전자가 배치되어 최대 붕괴된다. 도 2에서, 이러한 제어된 첨가시, 금속성 전이만이 초기에 붕괴됨을 알 수 있는데, 이는 금속성 나노튜브가 고도로 우선적 작용화됨을 나타내준다(도 2B에서 피크가 측쇄기 농도가 증가함에 따라 감소함을 주의). 반도체의 v1→c1 및 v2→c2 전이와 비교하여, 이러한 전이가 에너지가 매우 낮은 전자에서 기인하는 것이라는 점 에서 이러한 선택성은 놀라운 것이다. 실제로, 이러한 금속성 전이의 선택적인 붕괴는 전례가 없었으며, 이러한 과정은 이전에 보고된 가역적 전자적 철회(withdraw)[Strano et al., Journal of Physical Chemistry B, 2003, 107, 6979-6985] 또는 일반적으로 "도핑" 과정[Itkis et al ., Nanoletters, 2002, 2, 155-159]과 구별되는 것이다.
실시예 3
이 실시예는 선택적인 작용화가 어떻게 라만(Raman) 분광학을 분광학적으로 수반하는지를 설명하기 위해 제공된다.
도 3은 0.05 mM 시약 첨가 후, 532 nm 여기에서 동일한 용액의 라만 스펙트럼을 보여준다. 도 3A는 레이저로 공명된 별개의 나노튜브 직경들의 피크 대표체를 일반적으로 가지는 저 라만 이동(shift) 영역을 보여준다. 단지 하나만이 가시적이다(기의 가장 낮은 파장을 나타냄). 도 3B는 "D-밴드"의 작용화 특성은 증가되나, 가장 큰 밴드-갭 나노튜브(또한 나타냄)도 여전히 형광성을 내는데, 이는 작용화의 부재를 나타내 주는 것이다(비교란성 전자적 전이). 이 모두는 일정한 벌크 pH = 10에서 일어난다.
보다 구체적으로, 이러한 반응 선택성은 화학적 결함에 대해 고도로 민감하다고 알려진, 반전도성 나노튜브의 밴드-갭 형광성의 보존에 의해 확인된다. 도 3에서, (A) 532-nm 여기에서의 라만 스펙트럼, 100개의 탄소 원자 당 부착된 기가 0개 ~ (i) ~ 5.6개 (ii) ~ 22.4개 (iii)로 작용화가 증가함에 따라 "무질서" 모드가 성장함을 보여준다; (B) 산란 현상의 공명 강화가 반응 증가와 함께 소실되면서, 접선 모드(TM)의 강도 x 0.1이 감소한다; 이때, 무질서 모드, D는 동일한 강화 소실로 인해 급격하게 증가하다가, 붕괴된다. 도 3A에서 나타낸 532 nm 여기에서의 라만 스펙트럼에서, 작용화는 1330 cm-1 (D-밴드)에서 음향양자(音響量子, phonon)의 강도를 증가시킨다. 이의 존재는 sp 3 C - sp 2 C 나노튜브-아릴 본드의 형성 동안 나노튜브 상에서 sp 2 C가 sp 3 C로 전환됨을 확인시켜 준다. 이 모드는 작용화가 증가함에 따라 날카롭게 증가하다가, 시스템의 전자적 공명이 소실됨에 따라, C-C 접선 모드("TM-peak")를 따라 감소한다(도 3B). 이러한 결과는 먼저 낮은 전환률에서 측면벽 작용화 현상의 수와 이러한 음향양자 강도간의 분광학적 상관관계를 알려주며, 나노튜브 측면벽 화학을 제어하는데 유용할 것이다. 나노튜브의 측면벽에 부분(moiety)을 첨가하면, 특정 (n,m) 나노튜브가 반응함에 따라 상기 모드의 붕괴를 초래하는, 특정 직경을 가지는 종에 대해 구별되는 저주파수 라만 라인을 초래하는 방사성 음향양자를 붕괴시킨다. 유사하게, 도 4는 각각의 시약이 첨가된 혼합물의 정상 상태 이후의 532 nm에서의 용액 상태의 라만 스펙트럼, 및 이러한 특징의 상대적인 붕괴 속도가 전례가 없는 키랄 반금속성 종 간의 반응성 차이를 밝혀줌을 보여준다. 여기서, 거의 동일한 전이 에너지를 가지는 라만 분광학 프로브 나노튜브 및 이러한 차이는 궁극적으로 반금속성 종과 금속성 종을 분리하는데 사용될 수 있는 전하 이송 복합체의 굴곡 의존성 안정화를 밝혀준다. 도 4에서, (A) 출발 용액의 532-nm 여기에서의 저파장수 라만 스펙트럼, 이때, 4개의 금속성 나노튜브 [(13,1), (9,6), (10,4) 및 (9,3)]가 이 파장에서 프로빙되며, 1개의 반도체 (9,2) 가 나노튜브 직경에 민감한 방사성 모드를 통해 프로빙된다. (B) 100개의 탄소 당 5.6개의 기가 부착된 이후, 작은 직경의 금속의 붕괴로부터 특히 알 수 있는 바와 같이, 작용화는 상기 모드를 붕괴시키며, 금속들 중에서 선택적인 반응성의 초기 증거는 이러한 종의 분리를 위한 수단을 제공해준다. (C) 22.4의 비율 이후에는, 모든 금속성 모드가 붕괴되어, 도 2B와 마찬가지로 단일 반도체만이 남는다. 반금속성 종과 금속성 종의 모든 v1→c1 전이가 붕괴되는 경우(도 2), (9,2) 반도체에 이미 할당된 하나의 저주파수 라만 모드[Strano et al ., Journal of Physical Chemistry B, 2003, 107, 6979-6985]만이 영향을 받지 않은 채로 남아있음을 주의해야 한다. 이는 이러한 특징에 대한 최근의 분광학적 할당을 처음으로 독립적으로 확인한 것이다[Bachilo et al ., Science, 2002, 298, 2361; M. S. Strano, Nanoletters, 2003, 3, 1091].
실시예 4
이 실시예는 CNT가 어떻게 선택적인 작용화를 통해 유형별로 분리될 수 있는지를 설명하기 위해 제공된다.
나노튜브 분리를 위한 수단으로서 선택적인 작용화는, 대부분의 크로마토그래피에 기초한 방법들과 달리, 튜브 길이에 관계없이 조작이 가능하다는 점에서 독특하다. 선택성이 거의 완전하기 때문에, 이러한 화학적 성질은 지금까지 보고된 소량 농축법에 비해 높은 효율을 가지는 분리법의 기초를 형성할 수 있다[Chattopadhyay et al ., J. Am . Chem . Soc ., 2003, 125, 3370-3375; Zheng et al ., Nature Materials, 2003, 2, 338-342]. 본 출원인은 탄소 당 약 0.1개의 측쇄기를 가지는 금속성 나노튜브의 측면벽을 페놀로 처리하고, 전기영동 방법을 사용하여 샘플을 분별하였다. 10.2 이상의 pH에서, 이러한 페놀기는 탈양자화되어 나노튜브 상에서 기마다 네트 음성 전하를 남겨준다(도 6A). 작용화시 정전기 변화를 개선시키기 위해, 이 경우에 비이온성 계면활성제를 사용하였다. 전기영동 이동도의 변화, μ는 반응시 모세관 전기영동(CE) 동안의 이동 속도를 사용하여 측정하였다. 이러한 이동도는 모세관, E에 따른 장의 세기에 대해 표준화된 관찰 속도, v이며, 다음 식과 같다:
Figure 112006007474754-PCT00004
상기 식에서, q는 나노튜브 상의 네트 전하이며, f는 나노튜브의 길이 대 직경 비율(L/D)에 강하게 의존하는 유체역학적인 저항 인자이다. 튜브의 길이는 영향을 받지 않으며, 튜브의 직경은 측면벽 상에서 계면활성제가 흡착된 층보다 덜 신장되어 있기 때문에, 작용화는 f를 변화시키지는 않는다. 그러나, 이동도는 나노튜브 표면에서 하전된 기에 민감하다. TRITON X-405 중 비작용성 나노튜브는 공급된 전기장에 의해 분별시 일정하게 3개의 구별되는 집단을 보여준다: 양이온성 버퍼 분자의 흡수로 인해 d+ 전하를 가지는 것, 중성인 것, 및 과정 중 튜브의 측면 및 말단 상에서 표면 -OH 및 -COOH 기 유래의 d- 전하를 가지는 것. 이러한 3개의 기를 구별하는 것은 양이온성 흡착 및 음이온성 작용기의 균형에 의존한다. 도 6B는 2분의 이동 시간 동안 차이를 나타내는 비작용성 물질 및 페놀-작용화된 물질의 CE 자취이다. 산화중수소는 음으로 하전된 종보다 늦게 이동하는 종을 가지는 중성 마커 이다. 공급된 전기장에 의한 이동 속도의 스케일링은, 반응한 나노튜브와 반응하지 않은 나노튜브간의 전기영동 이동도 분포의 비교를 가능하게 한다(양성 전극에 대해). 도 6C에서, 이러한 비교 결과는 음성 전하로 인한 이동도의 변화를 이용하여 전체 집단에서 작용화된 물질을 추출하는 방법을 설명해준다.
실시예 5
이 실시예는 선택적으로 작용화된 CNT이 어떻게 본래의 상태인 비작용성 상태로 되돌아갈 수 있는지를 설명하기 위해 제공된다.
300℃, 유동하는 불활성 기체 중에서 반응된 물질의 열적 열분해는 측면벽에서 아릴 부분을 절단시키며, 방향성인 본래의 나노튜브의 분광학적 표시를 회복시킨다[Bahr et al., J. Mat . Chem ., 2002, 12, 1952-1958]. 도 5는 633 nm에서의 열적 열분해 및 회수 이전(실선)과 회수 이후(점선)의 라만 스펙트럼을 비교한 것이다(도 5). 상기 파장이 CO 불균형으로 제조된 샘플에 대한 금속과 반도체의 혼합물을 프로빙하기 때문에, 상기 파장을 사용하였다[Strano, Nanoletters, 2003, 3, 1091]. 따라서, 방사성 음향양자 모드는 열적 처리 이후 거의 완전히 회복된다. 유사하게, 흡수 스펙트럼에서 전자적 전이는 회복되며, 이는 나노튜브의 최초의 전자적 구조의 회복 및 측쇄기의 소실을 나타내는 것이다. 이러한 화학적 성질의 가역성은 본래의 나노튜브 고유의 전자적 및 광학적 특성이 회복될 수 있음을 암시하는 것이다. T그러므로, 이러한 선택적인 화학적 성질은 특정 전자적 구조를 가지는 나노튜브를 분리, 침착, 또는 화학적으로 결합시키는데 있어 가역적인 경로로 사용될 수 있으며, 최초의 광학적 및 전자적 특징이 회수될 수 있다.
요약하면, 디아조늄 시약은 전자적 구조에 따른 조작을 가능하게 하며, 높은 선택성을 가지는 수용액 중에 현탁된 단일 벽 탄소 나노튜브를 작용화시킨다. 예를 들어, 금속성 종은 제어되는(예, 부화학양론적) 조건하에서 반도체성 나노튜브를 배제하고 반응될 수 있다. 결합 형성에 앞서 전하 이동 전이 상태를 안정화시키기 위해 페르미 준위(Fermi level) 근처의 전자 유용성에 의해 선택성은 발생된다. 단일벽 탄소 나노튜브를 이들의 전자적 구조에 의해 조작하는 방법으로서 이러한 화학적 성질을 사용하는 것은 페놀 부분을 선택적으로 부착시킨 후 전기영동 방법을 사용하여 분리하는 것에 의해 수행된다. 이러한 화학적 성질은 나노튜브 본래의 전자적 구조를 회복시키는 열적 처리법을 사용하여 되돌릴 수 있다.
본 명세서에 인용된 모든 특허 및 출판물은 참고문헌으로 포함된다. 전술한 구체예들에 대해 전술한 특정 구성, 기능 및 조업은 본 발명을 수행하는데 있어 필수적인 것이 아니며, 단지 대표적인 구체예(들)을 완벽하게 설명하기 위한 것임을 이해해야 한다. 또한, 상기 인용된 특허 및 출판물에서 설명된 특정 구성, 기능 및 조업은 본 발명과 함께 수행될 수 있으나, 본 발명의 수행에 있어 본질적인 것은 아님을 이해해야 한다. 따라서, 첨부된 특허청구범위에 의해 정의된 본 발명의 기술 사상 및 범위를 실제로 벗어나는 것이 아니라면 본 발명을 특정적으로 서술된 것과 달리 수행할 수 있다는 것을 이해해야 한다.

Claims (24)

  1. a) 복수 개의 탄소 나노튜브를 용매 중에 현탁시키는 단계; 및
    b) 탄소 나노튜브 중 일부가 상기 일부를 포함하는 탄소 나노튜브의 전자적 특성에 기초하여 우선적으로 작용성 종(functionalizing species)과 반응하도록 부화학량론적(substoichiometric) 양의 작용성 종과 현탁된 탄소 나노튜브를 반응시키는 단계
    를 포함하는, 탄소 나노튜브를 선택적으로 작용화시키는 방법.
  2. a) 복수 개의 탄소 나노튜브를 용매 중에 현탁시키는 단계; 및
    b) 탄소 나노튜브 중 일부가 상기 일부를 포함하는 탄소 나노튜브의 전자적 특성에 기초하여 우선적으로 디아조늄 종과 반응하도록 부화학량론적 양의 디아조늄 종과 계면활성제-현탁된 탄소 나노튜브를 반응시키는 단계
    를 포함하는, 탄소 나노튜브를 선택적으로 작용화시키는 방법.
  3. a) 복수 개의 탄소 나노튜브를 계면활성제 수용액에 첨가하고 균질화시켜 계면활성제-현탁된 탄소 나노튜브의 혼합물을 형성하는 단계; 및
    b) 탄소 나노튜브 중 일부가 상기 일부를 포함하는 탄소 나노튜브의 전자적 특성에 기초하여 우선적으로 디아조늄 종과 반응하도록 부화학량론적 양의 디아조 늄 종과 현탁된 탄소 나노튜브를 반응시키는 단계
    를 포함하는, 탄소 나노튜브를 선택적으로 작용화시키는 방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 탄소 나노튜브는 단일벽 탄소 나노튜브, 다중벽 탄소 나노튜브, 이중벽 탄소 나노튜브, 및 이의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것인 방법.
  5. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 탄소 나노튜브는 단일벽 탄소 나노튜브인 것인 방법.
  6. 제3항에 있어서, 계면활성제는 이온성 계면활성제, 비이온성 계면활성제, 양이온성 계면활성제, 음이온성 계면활성제, 나트륨 도데실 설페이트 (SDS), 나트륨 도데실벤젠 설포네이트 (SDBS), 나트륨 옥틸벤젠 설포네이트, TRITON X-100, TRITON X-405, 도데실트리메틸암모늄 브로마이드 (DTAB), 및 이의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것인 방법.
  7. 제2항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 디아조늄 종은 아릴 디아조늄염인 방법.
  8. 제7항에 있어서, 아릴 디아조늄염은 하기를 포함하는 것인 방법:
    Figure 112006007474754-PCT00005
    식 중, R은 할로겐, 니트로, 시아노, 알킬, 아릴, 아릴알킬, OH, 카르복실산 에스테르, 카르복실산, 티오카르보네이트, 아미드, 알콕시, 폴리에테르, 폴리알킬, 히드록시 알킬, 및 이의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된다.
  9. 제2항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 디아조늄 종은 치환된 아닐린 종과 알킬 나이트라이트를 반응시켜 현장에서 생성되는 것인 방법.
  10. 제9항에 있어서, 치환된 아닐린 종은 하기 일반식을 갖는 것인 방법:
    Figure 112006007474754-PCT00006
    식 중, R (치환체, 또는 다중 치환의 경우는 치환체들)은 할로겐, 니트로, 시아노, 알킬, 아릴, 아릴알킬, OH, 카르복실산 에스테르, 카르복실산, 티오카르보네이트, 아미드, 알콕시, 폴리에테르, 폴리알킬, 히드록실 알킬, 및 이의 조합으로이루어진 군으로부터 선택된다.
  11. 제8항 또는 제10항에 있어서, R은 OH 인 방법.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 분리된, 비작용성 탄소 나노튜 브를 재생시키기 위해 열적 탈작용화 단계를 추가로 포함하는 것인 방법.
  13. a) 제1항의 방법에 따라 탄소 나노튜브를 선택적으로 작용화시키는 단계; 및
    b) 상기 작용성 탄소 나노튜브를 비작용성 탄소 나노튜브로부터 분리시키는 단계를 포함하는, 탄소 나노튜브의 전자 밴드갭(bandgap)에 기초한 탄소 나노튜브의 분리 방법.
  14. a) 제10항의 방법에 따라 탄소 나노튜브를 작용화시켜 선택적으로-작용화된 계면활성제-현탁된 탄소 나노튜브의 혼합물을 생성하는 단계 (여기에서, 혼합물 내에 일부의 탄소 나노튜브는 OH 기를 함유하도록 선택적으로-작용화되며, 혼합물 내에 일부의 탄소 나노튜브는 비작용성으로 잔존함);
    b) 선택적으로-작용화된 계면활성제-현탁된 탄소 나노튜브의 혼합물 내에 존재하는 OH 기를 pH를 증가시킴으로써 탈양성자화시키는 단계; 및
    c) 상기 작용성 탄소 나노튜브를 비작용성 탄소 나노튜브로부터 분리시키는 단계를 포함하는, 탄소 나노튜브의 전자 밴드갭에 기초한 탄소 나노튜브의 분리 방법.
  15. 제13항 또는 제14항에 있어서, 상기 작용성 탄소 나노튜브는 전기영동을 통해서 비작용성 탄소 나노튜브로부터 분리되는 것인 방법.
  16. 제14항에 있어서, 금속성 및 반금속성 탄소 나노튜브는 선택적으로-작용화되며, 반도체성 탄소 나노튜브는 비작용성으로 잔존하는 것인 방법.
  17. 제14항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서, 탈양성자화 단계가 pH를 10 이상으로 상승시키는 것을 포함하는 것인 방법.
  18. 제15항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서, 전기영동 방법은 겔 전기영동, 모세관 전기영동, 및 이의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것인 방법.
  19. 제13항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서, 분리된, 비작용성 탄소 나노튜브를 재생시키기 위해 열적 탈작용화 단계를 추가로 포함하는 것인 방법.
  20. 제13항 내지 제15항 중 어느 한 항의 방법에 의해 제조되는, 특정 전자적 유형의 작용성 탄소 나노튜브 조성물.
  21. 제20항에 있어서, 특정 전자적 유형은 금속성, 반금속성, 및 반도체성으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것인 조성물.
  22. 제20항 또는 제21항에 있어서, 선택적인 작용화는 나노튜브 탄소당 약 0.01 내지 약 0.2 작용기 범위로 작용화 정도를 갖는 작용성 탄소 나노튜브를 생성하는 것인 조성물.
  23. 제19항의 방법에 의해 제조되는, 특정 전자적 유형의 탄소 나노튜브 조성물.
  24. 제23항에 있어서, 특정 전자적 유형은 금속성, 반금속성, 및 반도체성으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것인 조성물.
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Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2009070240A2 (en) * 2007-11-21 2009-06-04 Massachusetts Institute Of Technology Separation of nanostructures
WO2011132850A2 (ko) * 2010-04-21 2011-10-27 연세대학교 산학협력단 탄소나노튜브의 분리방법
KR101281733B1 (ko) * 2010-11-18 2013-07-04 한국과학기술원 폴리(아릴렌 에테르)계 고분자가 부착된 탄소 나노튜브의 제조방법
KR20130133789A (ko) * 2010-12-17 2013-12-09 나노-씨, 인크. 향상된 용해도를 나타내는 작용기화된 탄소 나노튜브 및 상기 나노튜브를 제조하는 방법
US8778296B2 (en) 2009-04-14 2014-07-15 Samsung Electronics Co., Ltd. Dispersible carbon nanotube, carbon nanotube-polymer composite and method of manufacturing the carbon nanotube-polymer composite

Families Citing this family (77)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7250147B2 (en) * 2001-01-29 2007-07-31 Tour James M Process for derivatizing carbon nanotubes with diazonium species
CA2540864A1 (en) 2003-09-05 2005-03-31 William Marsh Rice University Fluorescent security inks and markers comprising carbon nanotubes
US8562935B2 (en) 2003-10-14 2013-10-22 William Marsh Rice University Amplification of carbon nanotubes via seeded-growth methods
KR100847068B1 (ko) * 2004-02-16 2008-07-18 도쿠리쓰교세이호징 가가쿠 기주쓰 신코 기코 카본 나노튜브의 구조선택분리 및 표면고정
WO2005090233A2 (en) 2004-03-12 2005-09-29 William Marsh Rice University Reductive functionalization of carbon nanotubes
US7578941B2 (en) * 2004-11-30 2009-08-25 William Marsh Rice University Length-based liquid-liquid extraction of carbon nanotubes using a phase transfer catalyst
WO2008057070A2 (en) * 2005-09-15 2008-05-15 University Of Florida Research Foundation, Inc. Type separation of single-walled carbon nanotubes via phase transfer
FR2892325B1 (fr) * 2005-10-26 2008-01-18 Alchimer Sa Procede de modification de surfaces isolantes, semi-conductrices ou metalliques, et produits tels qu'obtenus
US8859048B2 (en) * 2006-01-03 2014-10-14 International Business Machines Corporation Selective placement of carbon nanotubes through functionalization
WO2008057108A2 (en) * 2006-01-27 2008-05-15 Los Alamos National Security, Llc Chirality-based separation of carbon nanotubes
WO2008073171A2 (en) 2006-08-30 2008-06-19 Northwestern University Monodisperse single-walled carbon nanotube populations and related methods for providing same
EP2083865A2 (en) 2006-10-12 2009-08-05 C-3 International, Llc Methods for providing prophylactic surface treatment for fluid processing systems and components thereof
KR100893528B1 (ko) * 2007-05-29 2009-04-17 삼성전자주식회사 라디칼 개시제를 이용한 탄소나노튜브의 개질 방법, 및상기 방법으로 개질된 탄소나노튜브를 포함하는 분산액 및전극
KR100907025B1 (ko) 2007-07-26 2009-07-10 삼성전자주식회사 전자를 받을 수 있는 작용기를 가진 화학물질로 처리한탄소 나노 튜브 박막 및 그 제조방법
EP2210093A4 (en) * 2007-10-01 2012-12-05 Univ Southern California METHODS OF USING AND CONSTRUCTING NANOCAPTOR PLATFORMS
CN101464763B (zh) * 2007-12-21 2010-09-29 清华大学 触摸屏的制备方法
EP2070994B1 (en) 2007-12-07 2013-07-03 Tenaris Connections Aktiengesellschaft Diazonium functionalized nanoparticlesand methods for binding nanoparticles to metallic surfaces
WO2009089268A2 (en) * 2008-01-07 2009-07-16 Wisys Technology Foundation, Inc. Method and apparatus for identifying and characterizing material solvents and composite matrices and methods of using same
US7514063B1 (en) * 2008-02-08 2009-04-07 International Business Machines Corporation Method for the purification of semiconducting single walled carbon nanotubes
US20090232724A1 (en) * 2008-03-11 2009-09-17 Ali Afzali-Ardakani Method of separating metallic and semiconducting carbon nanotubes from a mixture of same
US8623301B1 (en) 2008-04-09 2014-01-07 C3 International, Llc Solid oxide fuel cells, electrolyzers, and sensors, and methods of making and using the same
US7727505B2 (en) * 2008-05-21 2010-06-01 International Business Machines Corporation Methods for separating carbon nanotubes by enhancing the density differential
KR101034580B1 (ko) * 2008-05-29 2011-05-12 한화케미칼 주식회사 탄소나노튜브의 연속적인 표면처리 방법 및 장치
WO2010005548A2 (en) * 2008-07-07 2010-01-14 Northwestern University Functionalization of carbon nanotubes with metallic moieties
US20100204062A1 (en) * 2008-11-07 2010-08-12 University Of Southern California Calibration methods for multiplexed sensor arrays
US8119074B2 (en) * 2008-12-17 2012-02-21 Centro de Investigacion en Materiales Avanzados, S.C Method and apparatus for the continuous production of carbon nanotubes
US20100256344A1 (en) * 2009-04-03 2010-10-07 University Of Southern California Surface modification of nanosensor platforms to increase sensitivity and reproducibility
CA2758694C (en) 2009-04-17 2017-05-23 Seerstone Llc Method for producing solid carbon by reducing carbon oxides
US20120142111A1 (en) * 2009-06-15 2012-06-07 Tour James M Nanomaterial-containing signaling compositions for assay of flowing liquid streams and geological formations and methods for use thereof
US9377449B2 (en) 2009-06-15 2016-06-28 William Marsh Rice University Nanocomposite oil sensors for downhole hydrocarbon detection
US8961762B2 (en) * 2009-06-23 2015-02-24 Nec Corporation Method for separating nanocarbon material, separation device, and separated nanocarbon dispersion solution
US8226801B2 (en) * 2009-07-27 2012-07-24 Nanotek Instruments, Inc. Mass production of pristine nano graphene materials
US20110042618A1 (en) * 2009-08-21 2011-02-24 Massachusetts Institute of Techonology Systems and methods for handling and/or isolating nanotubes and other nanostructures
US8297444B2 (en) * 2009-08-24 2012-10-30 Empire Technology Development Llc Separation of carbon nanotubes using magnetic particles
US20120253075A1 (en) * 2009-09-17 2012-10-04 Futurecarbon Gmbh Method for producing carbon nanomaterials and/or carbon micromaterials and corresponding material
WO2011050288A2 (en) * 2009-10-22 2011-04-28 Massachusetts Institute Of Technology Nanoscale thermoelectric wave generators
WO2011072228A1 (en) * 2009-12-11 2011-06-16 Massachusetts Institute Of Technology Spectral imaging of photoluminescent materials
WO2011085363A1 (en) * 2010-01-11 2011-07-14 William Marsh Rice University Immobilized carbon nanotubes on various surfaces
JP5150772B2 (ja) * 2010-02-04 2013-02-27 独立行政法人科学技術振興機構 選択的に化学修飾されたカーボンナノチューブの製造方法
WO2011100361A2 (en) 2010-02-10 2011-08-18 C3 International. Llc Low temperature electrolytes for solid oxide cells having high ionic conductivity
US8491768B2 (en) * 2010-06-23 2013-07-23 International Business Machines Corporation Method of purifying nanoparticles in a colloid
US8652386B2 (en) 2010-09-16 2014-02-18 Georgia Tech Research Corporation Alignment of carbon nanotubes comprising magnetically sensitive metal oxides in nanofluids
WO2012051202A1 (en) * 2010-10-11 2012-04-19 The University Of Kansas Multi wall carbon nanotube opto-electronic devices
US8728566B2 (en) * 2010-11-08 2014-05-20 Sandia Corporation Method of making carbon nanotube composite materials
SG11201401803WA (en) * 2011-10-28 2014-05-29 Univ Nanyang Tech Methods of enriching different species of carbon nanotubes
GB2497791B (en) * 2011-12-21 2021-01-20 Schlumberger Holdings Derivatization of carbon
US10041951B2 (en) * 2012-01-31 2018-08-07 Massachusetts Institute Of Technology Imaging probe including nanoparticle
CN102626527B (zh) * 2012-04-09 2014-03-26 天津师范大学 Nh2+离子注入的多壁碳纳米管及其制备方法与应用
MX2014012548A (es) 2012-04-16 2015-04-10 Seerstone Llc Metodos y estructuras para reducir oxidos de carbono con catalizadores no ferrosos.
WO2013158161A1 (en) 2012-04-16 2013-10-24 Seerstone Llc Methods and systems for capturing and sequestering carbon and for reducing the mass of carbon oxides in a waste gas stream
JP6379085B2 (ja) 2012-04-16 2018-08-22 シーアストーン リミテッド ライアビリティ カンパニー 炭素酸化物を含有するオフガスを処理するための方法
EP2838839B1 (en) 2012-04-16 2020-08-12 Seerstone LLC Method for producing solid carbon by reducing carbon dioxide
NO2749379T3 (ko) 2012-04-16 2018-07-28
US9896341B2 (en) 2012-04-23 2018-02-20 Seerstone Llc Methods of forming carbon nanotubes having a bimodal size distribution
US10815124B2 (en) 2012-07-12 2020-10-27 Seerstone Llc Solid carbon products comprising carbon nanotubes and methods of forming same
CN104619637B (zh) 2012-07-12 2017-10-03 赛尔斯通股份有限公司 包含碳纳米管的固体碳产物以及其形成方法
US9598286B2 (en) 2012-07-13 2017-03-21 Seerstone Llc Methods and systems for forming ammonia and solid carbon products
US9779845B2 (en) 2012-07-18 2017-10-03 Seerstone Llc Primary voltaic sources including nanofiber Schottky barrier arrays and methods of forming same
KR20140033555A (ko) 2012-08-29 2014-03-19 삼성전자주식회사 탄소나노튜브 분리 방법
WO2014085378A1 (en) 2012-11-29 2014-06-05 Seerstone Llc Reactors and methods for producing solid carbon materials
CN103466591A (zh) * 2013-03-12 2013-12-25 中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所 选择性消除商业化碳纳米管中金属碳纳米管的方法及应用
EP3129321B1 (en) 2013-03-15 2021-09-29 Seerstone LLC Electrodes comprising nanostructured carbon
US9586823B2 (en) 2013-03-15 2017-03-07 Seerstone Llc Systems for producing solid carbon by reducing carbon oxides
EP3114077A4 (en) 2013-03-15 2017-12-27 Seerstone LLC Methods of producing hydrogen and solid carbon
US9783421B2 (en) 2013-03-15 2017-10-10 Seerstone Llc Carbon oxide reduction with intermetallic and carbide catalysts
EP3129135A4 (en) 2013-03-15 2017-10-25 Seerstone LLC Reactors, systems, and methods for forming solid products
US20140284022A1 (en) * 2013-03-25 2014-09-25 Blockhead International LLC Portable heating unit
US9360589B1 (en) 2013-04-23 2016-06-07 Lockheed Martin Corporation Articles containing non-visible identifying marks formed from carbon nanomaterials and methods utilizing the same
US9179542B2 (en) 2013-04-23 2015-11-03 Lockheed Martin Corporation Articles containing non-visible identifying marks formed from nanomaterials and methods utilizing the same
CN103382567B (zh) * 2013-06-24 2015-10-28 西安近代化学研究所 一种表面修饰叠氮基的碳纳米管及其制备方法
US9905871B2 (en) 2013-07-15 2018-02-27 Fcet, Inc. Low temperature solid oxide cells
CN103482607A (zh) * 2013-10-08 2014-01-01 上海理工大学 一种半导体型碳纳米管的富集方法
JP6307255B2 (ja) * 2013-11-28 2018-04-04 ニッタ株式会社 Ｃｎｔ集合体、ｃｎｔ集合体を製造する方法、エマルジョン、及びエマルジョンを製造する方法
US9312046B2 (en) 2014-02-12 2016-04-12 South Dakota Board Of Regents Composite materials with magnetically aligned carbon nanoparticles having enhanced electrical properties and methods of preparation
US11439708B2 (en) 2014-10-06 2022-09-13 Lawrence Livermore National Security, Llc Nanotube trans-membrane channels mimicking biological porins
US11752459B2 (en) 2016-07-28 2023-09-12 Seerstone Llc Solid carbon products comprising compressed carbon nanotubes in a container and methods of forming same
WO2020097268A1 (en) * 2018-11-07 2020-05-14 Massachusetts Institute Of Technology Substrate-immobilized optical nanosensors

Family Cites Families (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4264529A (en) * 1980-03-24 1981-04-28 Mallinckrodt, Inc. Method for preparing p-aminophenol
DE69125095T2 (de) * 1990-10-29 1997-08-21 Cytec Tech Corp Hydroxyaryltriazine und Tetraalkylpiperidine enthaltende synergistische UV-Absorbermischung
US5374415A (en) * 1993-02-03 1994-12-20 General Motors Corporation Method for forming carbon fibers
IL116377A (en) * 1994-12-15 2003-05-29 Cabot Corp Reaction of carbon black with diazonium salts, resultant carbon black products and their uses
US5554739A (en) * 1994-12-15 1996-09-10 Cabot Corporation Process for preparing carbon materials with diazonium salts and resultant carbon products
AU782000B2 (en) * 1999-07-02 2005-06-23 President And Fellows Of Harvard College Nanoscopic wire-based devices, arrays, and methods of their manufacture
US6423583B1 (en) * 2001-01-03 2002-07-23 International Business Machines Corporation Methodology for electrically induced selective breakdown of nanotubes
GB2413123B (en) 2001-01-29 2005-12-07 Univ Rice William M Process for derivatizing carbon nanotubes with diazonium species and compositions thereof
WO2003084869A2 (en) * 2002-03-04 2003-10-16 William Marsh Rice University Method for separating single-wall carbon nanotubes and compositions thereof
US7276266B1 (en) * 2002-12-13 2007-10-02 United States Of America As Represented By The Administrator Of The National Aeronautics And Space Administration (Nasa) Functionalization of carbon nanotubes
WO2005049488A2 (en) * 2003-10-31 2005-06-02 William Marsh Rice University Thermal treatment of functionalized carbon nanotubes in solution to effect their defunctionalization

Cited By (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2009070240A2 (en) * 2007-11-21 2009-06-04 Massachusetts Institute Of Technology Separation of nanostructures
WO2009070240A3 (en) * 2007-11-21 2009-07-16 Massachusetts Inst Technology Separation of nanostructures
US8568685B2 (en) 2007-11-21 2013-10-29 Massachusetts Institute Of Technology Separation of nanostructures
US8778296B2 (en) 2009-04-14 2014-07-15 Samsung Electronics Co., Ltd. Dispersible carbon nanotube, carbon nanotube-polymer composite and method of manufacturing the carbon nanotube-polymer composite
WO2011132850A2 (ko) * 2010-04-21 2011-10-27 연세대학교 산학협력단 탄소나노튜브의 분리방법
WO2011132850A3 (ko) * 2010-04-21 2012-01-19 연세대학교 산학협력단 탄소나노튜브의 분리방법
KR101281733B1 (ko) * 2010-11-18 2013-07-04 한국과학기술원 폴리(아릴렌 에테르)계 고분자가 부착된 탄소 나노튜브의 제조방법
KR20130133789A (ko) * 2010-12-17 2013-12-09 나노-씨, 인크. 향상된 용해도를 나타내는 작용기화된 탄소 나노튜브 및 상기 나노튜브를 제조하는 방법

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