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ナノ・ミール株式会社=ポリスチレン ナノ粒子、フォトニック結晶、3次元規則性配列多孔体

 〒431-2102 浜松市北区都田町7833-2

ナノ粒子 コラム 5.3次元規則性配列多孔体 その2

■「3次元規則性配列多孔体」はどうやって作る?
 
このご質問は、展示会やお客様にご訪問させて頂いた時など、本当に数多く頂きます。
少し詳しくお伝え致します。

基本的に3つの工程からなります[1]。

   1)微粒子の配列・・・鋳型作り
   2)微粒子の隙間に別材料を充填させる
   3)微粒子の除去→完成

です。
         1)微粒子の配列     2)隙間へ別材料の充填     3)微粒子の除去

ここでは、
   ・鋳型:ポリスチレン ナノ粒子
   ・骨格:金属酸化物(セラミックス)
を例に、ご説明します[2]。


 まず1)の工程です。
パチンコ球を箱に入れた状態を思い浮かべてください。少し揺すると球が規則正しく配列します。この状態を作るのが、1)の工程です。

 弊社ポリスチレンナノ粒子を例にします。弊社ナノ粒子は水分散ですが、水分を抜けば1)の状態ができます。
   ・シャーレとか適当な容器に入れて乾燥させる
   ・限外ろか膜などで水分を抜く
などの方法で可能です。他にもスピンコートや引き上げ法などでも可能かと思いますが、厚膜にするには、何回か繰り返す必要があると思います。

 乾燥させる場合には、室温よりは数十℃に昇温した方が早くできます。但しあまり温度を上げすぎると変質してしまうので、それぞれの乾燥器に応じて条件を決めることをお勧めします。

 この工程を成功させるには、「微粒子の粒径が揃っていること」が重要です。あと文献から、「微粒子表面に電荷を持っている」ときれいに配列し易いこともわかってきました[3]。
弊社ナノ粒子は、すべての粒径で、表面に負の電荷(スルホン酸基:SO3-)を持っています。

             弊社ポリスチレン ナノ粒子の配列(電子顕微鏡写真)

 2)の工程は、1)で作製した鋳型に、骨格となる別材料を充填します。
金属アルコキシドや酢酸金属などの液体原料を使います。これら液体原料の加水分解を利用します。これを1)で作製した「微粒子の鋳型」に含浸させます。原料によって物性が異なるので、目的の材料により、それぞれ工夫が必要です。

 最後に3)の工程です。
2)で作製した「含浸させた微粒子の鋳型」を焼成します。
目的の骨格素材により焼成温度・時間は異なりますが、大気雰囲気ではポリスチレンは300℃くらいで燃えてなくなるようです。最後に焼成炉から取り出して終了です。

           弊社ナノ粒子で作製した3次元規則性配列多孔体(TiO2骨格)

■「3次元規則性配列多孔体」を作るにあたって
 基本的に、

   1)微粒子の配列・・・鋳型作り
   2)微粒子の隙間に別材料を充填させる
   3)微粒子を取り除く→完成


の工程で作るので、目的の素材骨格を作るためには、

   ・どんな素材の微粒子を使うか?
   ・これをどの様に配列させるか?
   ・どの様に骨格材料を充填させるか?
   ・どの様に微粒子を抜くか?


を満たすことができるか?が検討課題です。言い換えれば、工夫次第で様々な骨格素材で、様々な孔径を持つ多孔体ができる可能性があります。

例えば金属板上に金属多孔体を作製するには、電気化学的な手法が組し易いです[4]。
この場合、微粒子は表面電荷を持っている方が、金属板上への配列が容易です。弊社ナノ粒子は表面に負の電荷(スルホン酸基:SO3-)を持っているので、陽極への電着が可能なことは確認済みです。
{図4:電着済写真}


[文献]

[1]A. Stein, B. E. Wilson, and S. G. Rudisill, Chem. Soc. Rev., 42, p2763-2803 (2013)
[2] R. C. Schroden, M. Al-Daous, C. F. Blandford, and A. Stein, Chem. Mater., 14, p3305-3315 (2002)
[3]O. D. Velve,Science, vol.312, p376-377 (2006)
[4]M. I. Verkhovsky, A. Jasaitis, M. L. Verkhovskaya, J. E. Morgan, M. Wikstroem, Nature, 402, 9 December (1999)




*ご検討・誤使用の際には関連特許にご配慮くださる様お願い致します。

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