用于納米級物質(zhì)快速傳輸?shù)哪ぶ圃旒夹g(shù)

制造了用于對納米級和商業(yè)應(yīng)用進(jìn)行流體力學(xué)和傳質(zhì)研究的納米多孔膜，其包含嵌入基體材料的單壁、雙壁和多壁碳納米管。平均孔徑大小可以為２ｎｍ－２０ｎｍ，或７ｎｍ或更低，或２ｎｍ或更低。該膜可以不含跨越該膜的大空隙以致材料例如氣體或液體的傳輸僅通過管子進(jìn)行。觀察到快速的流體、蒸氣和液體傳輸。通用的微機(jī)械加工方法可以用于膜制造。單個芯片可以包括多個膜。這些膜是研究約束的分子傳輸?shù)膱怨唐脚_，應(yīng)用于液體和氣體分離和化學(xué)物質(zhì)檢測，包括脫鹽、透析和織物形成。

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
【國外來華專利技術(shù)】用于納米級物質(zhì)快速傳輸?shù)哪?/a> 相關(guān)申請的交叉引用本申請根據(jù)35 U.S.C. § 119(e)要求2005年8月24日提交的美國 臨時申請序列號60/711,436的優(yōu)先權(quán)，該臨時申請的內(nèi)容據(jù)此整體地 引入供參考。聯(lián)邦支持的聲明依據(jù)美國能源部(Department of Energy)和運(yùn)行勞倫斯利弗莫爾 國家實(shí)驗室(Lawrence Livermore National Laboratory)的力口利福尼亞 大學(xué)之間的合同號W-7405-ENG-48，美國政府擁有本專利技術(shù)的權(quán)利。背景許多新近的研究(參見，例如，Sim et al. (2000) J. Am. Chem. Soc. 122:12340-12345; Miller et al. (2001) JACS 123:12335-12342; Harrell et al. (2003) Anal. Chem. 75:6861-6867，. Cooper et al. (2004) Nano Lett. 4:377-381和Hinds et al. (2004) Science 303:62-65)集中在開發(fā)具有納 米級孔隙的膜。這種膜可以應(yīng)用于尺寸基化學(xué)和生物分離領(lǐng)域，提供 可以降低到分子直徑的孔隙尺寸和可以達(dá)到滲透分子的高的通量。然而，基于這一點(diǎn)尺寸規(guī)模，幾乎不了解流體的表現(xiàn)；當(dāng)溝道尺寸變得 與分子直徑相當(dāng)時，與連續(xù)體傳輸?shù)钠羁赡馨l(fā)生。例如，眾所周知， 當(dāng)孔徑變得與分子尺寸相當(dāng)時，內(nèi)孔隙擴(kuò)散率(與體擴(kuò)散率相比)減小(參見例如，Deen (1987) AIChE J. 33:1409-1425)。在電解質(zhì)溶液中， 如果該孔隙半徑與德拜(Debye)長度(電雙層厚度)相當(dāng)，則其中孔隙內(nèi) 的離子濃度超過成批溶液的離子濃度的情況可能發(fā)生(參見，例如， Cerver et al. (2001) J. Membrane Sci. 191:179-187)，這可能對離子選 擇性膜的開發(fā)具有 一定的利益。內(nèi)徑小到lnm的碳納米管是為約束分子傳輸?shù)难芯刻峁├硐胂?統(tǒng)的先決條件。許多新近的分子動力學(xué)模型試驗集中于在這些材料內(nèi) 的傳輸(參見例如Koga et al, (2001) Nature 412:802-805; Hummer et al. (2001) Nature 414:188-190和Gao et al. (2003) Nano Lett. 3:471-473)。已經(jīng)作出了許多外來預(yù)測，從冰的新相的形成(參見例如 上文的Koga et al. (2001))和脈沖 一 維水傳輸(參見例如上文的 Hummer et al. (2001))到ss-DNA自發(fā)插入單壁碳納米管(參見例如上 文的Gao et al. (2003))。然而，缺乏的是這些和其它預(yù)測的實(shí)驗驗證 的實(shí)驗平臺。此種平臺的 一種制造方法包括在氧化鋁膜的孔隙內(nèi)化學(xué)氣相沉積 法碳(參見例如上文的Miller et al. (2001))。通常，由這一途徑達(dá)到的 孔徑(約lOOnm)比化學(xué)和生物分離所考慮的尺寸范圍大。此外，這些 碳米管的內(nèi)壁僅是半石墨的并因此不具有純石墨碳納米管(CNT)的固 有光滑度。還報道了(參見上文的Miller et al. (2001))這樣制備的管子 在它們的壁上具有酸性表面位點(diǎn)(-COOH)。根據(jù)分子動力學(xué)模型試驗 (Skoulidas (2002) Phys. Rev. Lett. 89:185901-1-185901-4),純石墨CNT 的固有光滑度和惰性是產(chǎn)生穿過CNT的高分子通量的屬性。納米管膜的另一種制備方法包括將非晶質(zhì)碳包覆的石墨管嵌入環(huán) 氧樹脂基體(上文的Sun et al. (2000))。然而，這些材料的所得的孔隙 直徑同樣較大(約150rnn)。設(shè)法產(chǎn)生單一納米尺寸狀態(tài)的膜的方法包 括使用準(zhǔn)直分裂碎片束在聚碳酸酯薄膜中產(chǎn)生損傷軌道，接著以堿性 溶液蝕刻(上文的Harrelleta1.(2003))。采用后續(xù)的無電電鍍，制備了 約2nm的單個金納米管。最近，制造了聚苯乙烯包覆的CNT膜(上文的Hinds et al. (2004))。 這一膜的孔徑據(jù)報道與多壁CNT的內(nèi)徑(約7.5nm)—致。然而，以前 沒有報道極小的碳納米管，它們可以制造成陣列或膜。水穿過單壁碳納米管(SWCNT)傳輸?shù)娜舾赡Ｐ驮囼灠凳舅坏?占據(jù)這些溝道，而且發(fā)生快速的分子傳輸，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過若在這種長度規(guī) 模上施加而連續(xù)體流體動力學(xué)理論將預(yù)計的分子傳輸(上文Hummeret al. (2001)和Kalra et al. (2003) Proc. Natl Acad. Sci. USA, 100， 10175)。分子動力學(xué)(MD)模型試驗認(rèn)為這種增強(qiáng)屬于納米管表面的原 子光滑性和分子序態(tài)現(xiàn)象，該分子序態(tài)現(xiàn)象可能在l-2nm范圍中的約 束長度規(guī)才莫上發(fā)生(上文Hummer et al. (2001)和上文Kalra et al. (2003))。對于類似的原因，氣體穿過SWCNT的傳輸?shù)哪Ｐ驮囼?(Skoulidas et al. (2002)Phys. Rev. Lett. 89， 185901)預(yù)測相對于其它類 似尺寸的納米多孔材料有若干數(shù)量級的通量增強(qiáng)。膜基氣體分離，例 如利用沸石(Lai et al. (2003)Science 300， 456)的那些提供精確的分離 和尺寸排阻，但是通常以生產(chǎn)量或通量為代價。在申請人的公開內(nèi)容 之前，SWCNT膜可以提供目前本領(lǐng)域中不存在的高度選擇性，高通 量膜。研究人員最近已經(jīng)制造了具有垂直定向多壁碳納米管(MWCNT) 陣列的更大孔隙直徑(6-7nm)的MWCNT膜(上文Hinds et al. (2004)) 并且通過在納米溝道氧化鋁內(nèi)的模板生長制造(Li et al. (1999) Appl. Phys Lett. 75:367)。然而，將穿過MWCNT膜中的單個管子的傳輸量 化是困難的，因為MWCNT易于堵塞，尤其是被可以遷移到納米管內(nèi) 部并進(jìn)行阻塞的"竹子"結(jié)構(gòu)和催化劑顆粒堵塞(Cui et al. (2000) J. Appl. Phys. 88，6072)。此種堵塞的結(jié)果是活性膜孔隙密度的顯著減小。 相反，對于SWCNT或雙壁碳納米管(DWCNT),存在很少(即使有)"竹 子，，結(jié)構(gòu)形成或催化劑遷移的報道。然而，若干組已經(jīng)報道說難以產(chǎn)生 具有這種尺寸的垂直定向碳納米管(Hata et al. (2004) Science 306:1362)。不容許本節(jié)或任何其它節(jié)引用的任何參考文獻(xiàn)是承認(rèn)的現(xiàn) 有技術(shù)。專利技術(shù)詳述申請人在此公開碳納米管由于它們的納米尺寸和原子光滑表面為 分子傳輸和納米流體的研究提供重要的體系。雖然并不限于這種應(yīng)用， 但是水穿過碳納米管傳輸是尤其令人感興趣的，原因在于水能占據(jù)此 種受約束的疏水性溝道的略微違反直覺的暗示。實(shí)驗證據(jù)已經(jīng)證實(shí)水可以占據(jù)這些溝道(Kolesnikov et al. (2004) Phys. Rev. Lett. 93:035503 和Naguib et al. (2004) Nano Lett. 4:2237)。由于這一體系與橫跨膜蛋 白質(zhì)孔隙例如水通道蛋白的共性，水穿過本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
用于增強(qiáng)的流體傳輸?shù)哪ぃ骸　　　〈怪倍ㄏ虻奶技{米管陣列，其中該納米管具有約２ｎｍ或更低的平均孔徑大小，　　　　置于該碳納米管之間的基體材料。

【技術(shù)特征摘要】
【國外來華專利技術(shù)】...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：O巴卡吉恩，J霍爾特，A諾伊，樸亨圭，
申請(專利權(quán))人：加利福尼亞大學(xué)董事會，
類型：發(fā)明
國別省市：US[美國]