利用静态光在碳纳米管流体流中拣选碳纳米管

摘要

描述了一种方法，包括拣选流体流中的多个碳纳米管(CNT)以得到多个CNT的目标子集。拣选包括沿着基本静态的光束的电场分量的强度增强的方向，吸引流体流中的多个CNT的至少一部分。电场分量的频率低于该部分中的多个CNT的一个或多个谐振频率。

说明书

技术领域

本发明的领域通常涉及碳纳米管(carbon nanotube，CNT)；更具 体而言，涉及将静态光应用于多个CNT的流体流中以拣选CNT。

背景技术

碳纳米管(CNT)可以被视为已经卷曲成管状(末端封闭或末端未 封闭)的碳的薄片。具有某些特性的CNT(例如，具有与金属类似的电 特性的“导电”CNT)适合于某些应用，而具有某些其它特性的CNT(例 如，具有与半导体类似的电特性的“半导体”CNT)则适合于某些其 它应用。CNT的特性趋向于是其“手性”和直径的函数。CNT的手 性表征了其碳原子的排列(例如，扶手椅式的，锯齿形的，螺旋状的/ 手性的)。CNT的直径是跨越管的横截面的跨距。

由于CNT的特性可以是其手性和直径的函数，所以某一特定 CNT与某一特定应用的适合性往往取决于CNT的手性和直径。令人 遗憾的是，当前的CNT制造工艺只能制造出管径和手性在一个很宽 的范围内变化的批量CNT。由此而产生的问题是无法在所制造的 CNT中收集直径和手性限制在一个窄的范围(或多个范围)内的 CNT(例如，为特定应用)。

由Zhang、Hannah和Woo(以下简称为“Zhang等”)申请的、发 明名称为“Sorting of Single-Walled Carbon Nanotubes Using Optical Dipole Traps”，的美国专利申请公开US 2004/0120880中讲授了具有特 定手性和直径的CNT将具有电偶极矩，会使CNT在被施加时变电场 时显示出典型的“吸引/排斥”特性。同样地，Zhang等进一步讲授了 利用这种典型的“吸引/排斥”特性作为基础来收集具有特定管手性 和直径的“目标”CNT的技术。

对于CNT的“吸引/排斥”特性，Zhang等讲授了置于时变电场 中的CNT的体系能量为U＝-1/2ε₀χE²，其中ε₀为自由空间的介电常 数，χ为CNT的介质极化率，E²为时变电场的强度。介质极化率χ 描述了响应所施加的时变电场的CNT单个电偶极矩的收集方向和强 度。根据Zhang等的理论，介质极化率χ是所施加的电场的频率的函 数；并且更具体而言，CNT的电偶极矩的收集“方向”作为频率的 函数而变化。

具体地，对于所施加的电场频率低于“谐振”频率的情况，偶极 矩集中地“指向”使CNT向增强的电场强度移动的方向(也就是说， 由于较高的电场强度产生较低的体系能量，CNT被吸引到增强的电 场强度的区域)；同时，对于所施加的电场频率高于上述谐振频率的 情况，偶极矩集中地“指向”使CNT远离增强的电场强度的方向(也 就是说，由于较高的电场强度产生较高的体系能量，使CNT被排斥 离开增强的电场强度的区域)。如果所施加的时变电场的频率等于谐 振频率，则CNT的集体指向和运动是不稳定的。

Zhang等还讲授了CNT的特定谐振频率是其能量带隙的函数， 并且，CNT的能量带隙是其手性和直径的函数。因此，CNT响应于 所施加的时变电场的上述典型吸引/排斥特性是CNT的手性和直径的 函数。

Zhang等进一步描述了基于上述吸引/排斥特性来拣选CNT的技 术。具体而言，如果向具有不同手性和直径的一组CNT(例如一批由 单一生产工艺生产出的CNT)施加一电场，则通过使用时变电场即可 拣选出特定的CNT，上述时变电场的频率依据所要收集的CNT的谐 振频率而定制。图1a至图1c更详细地说明了这一技术。

图1a显示了包含制得的CNT的流体流103。假定制备的CNT 具有手性与直径的不同组合。为简单起见，图1a只显示了两种类型 的制得的CNT：1)具有第一手性和直径组合的第一组105,107,110， 111,112，114,117,119；以及2)具有第二手性和直径组合的第二 组106,108,109,113,115,116,118,120。所有的CNT105至 120作为流体流103₁的一部分进入装置中。第二流体流104与流体流 103沿着侧边流动。

通常的思想是将特定类型的CNT，例如上述定义的第一组CNT， 从流体流103中提取出来并引入流体流104中。因而，第一类CNT 将作为流体流104₂的一部分从装置中流出，第二类CNT将作为流体 流103₂的一部分从装置中流出。

提取过程使用激光束电场分量来施加时变电场。激光束点101被 画为撞击到流体流103上。激光束聚焦并从而进一步沿着大约在流体 流103横截面中心的x轴会聚于源像102之上(将在后面更加详细论 述的图2提供了如前述方式进行聚焦的激光束的三维透视图)。

流体流中心的聚焦点102使激光束照射到的任何区域的电场强 度沿着指向聚焦点102的方向增强。因此，通过选择频率低于第一组 CNT的谐振频率而高于第二组CNT的谐振频率的激光束，将第一组 中的CNT吸引向聚焦点102，而第二组中的CNT将被斥离聚焦点 102。

在图1a所代表的实例中，将激光束从流体流103扫向流体流104， 将使CNT 105和107由于被吸引向聚焦点102而被汲取到流体流104 中；而CNT 106由于被斥离聚焦点102将留在流体流103中。图1b 描述了激光束扫射后的状态。

从图1b中所显示的状态可以清楚地看到，CNT 105和107将作 为流出流104₂的一部分流出，而CNT 106将作为流出流103₂的一部 分流出。图1c显示了激光束从流体流103再次扫向流体流104以捕 获流体流103中的CNT 110,111和112，并将它们引入流体流104 中的状态。同样可以清楚地看到，重复这种扫射运动将使第一组CNT 作为流出流104₂的一部分流出，而第二组CNT将作为流出流103₂的一部分流出。从而实现多个CNT的拣选。

附图说明

通过举例来说明本说明，但本发明并不局限于此，附图中相似的 标记指代类似的要素，其中：

图1(现有技术)显示了采用激光束扫射来拣选多个CNT的技术；

图2显示了响应于含有多个CNT的流体流中的聚焦激光束的电 场分量，具有不同手性与直径的CNT的吸引/排斥特性；

图3显示了采用静态的激光束在流体流中拣选多个CNT的技术；

图4显示了图3中技术的扩展，其中使用多个静态的激光束来在 流体流中拣选多个CNT；

图5显示了用于拣选流体流中的多种类型CNT的级联拣选装置；

图6显示了图5中级联拣选装置的扩展版本；

图7显示了用于制取纯化浓度的目标CNT的拣选装置；

图8a至图8f显示了CNT的拣选，其中所收集的多个CNT沿着 与将要被拣选的多个CNT所沿着流动的平面不同的垂直面流动。

具体实施方式

图2提供了响应于聚焦激光束的电场分量的流体流中CNT的吸 引/排斥特性的三维透视图。这里，图2是从流体流横截面的角度绘 制的。也就是说，图2与图1是一致的，在图2中假定流体流沿+z 轴方向。假定流体流的横截面211为长方形。将流体流中被聚焦激光 束的光所照射的区域在图中画为无阴影的；将流体流中未被聚焦激光 束的光所照射的区域在图中画为有阴影的。

激光束光线聚焦在流体流大约中央的212上，以便在所有被照射 的区域上形成电场强度梯度。具体地，在被照射区域内，电场强度在 向着聚焦点212的任何方向上都是增强的。此处，不同于图1，需要 注意图2的流体流中的CNT 201至210被描述为聚集于流体流的一 侧(也就是在右手侧)。

图2中从CNT 201到210的每个上都画出了矢量来显示每个CNT 在激光束电场分量影响下将引起的运动的方向。这里，CNT 201,202， 203,204和205正如在上文中所讨论的图1中的“第二组”CNT一 样，这些CNT中的每一个都被斥离聚焦点212。同样地，CNT 206， 207，208，209和210正如在上文中所讨论的图1中的“第一组”CNT 一样，这些CNT中的每一个都被吸引向聚焦点212。图2中观察到 的矢量排列可以进行设定，例如使激光的频率小于第一组CNT的谐 振频率但高于第二组CNT的谐振频率。

重要的是，由于CNT 201-210都聚集在聚焦点212的右手侧，所 以第二组中每一个CNT的矢量都具有一沿着-y轴方向的分量；而第 一组中每一个CNT的矢量都具有一沿着+y轴方向的分量。这样，第 二组中的所有CNT将在-y轴方向呈现出一定程度的动量/运动，第一 组中的所有CNT将在+y轴方向呈现出一定程度的动量/运动。

这样，存在一个拣选机制。也就是说，在总体上，第一组CNT 的移动方向与第二组CNT的移动方向相反。在足够的时间下，在不 产生任何碰撞的情况下，即使激光束被移开，不同组中的CNT也会 完全分离(即，由于动量守恒使所述CNT得以继续沿着指示的矢量方 向移动)。上述这种新的分离技术与之前所讨论的图1中的技术不同， 不需要扫射激光束。也就是说，激光束在流体流中的位置可以保持基 本固定(“静态”)。因此，至少就光学而言，图2中的新技术要比图 1中的技术简单。

为使图2中的分离机制产生作用，如上所述，CNT应当聚集到 朝向聚焦激光束点212的一侧。图3描绘了一种用以影响CNT流沿 着聚焦激光束点312一侧移动的装置，以便使上述拣选技术起作用。 根据图3中的装置，两种流体流303和304在+z方向上彼此沿着侧 边流动。沿着流体流304的输入流(即流体流304₁)引入多个CNT。基 本的策略是，将具有特定手性和直径(或其范围)的“目标”CNT从流 体流304中吸引到流体流303中。

配置激光束光线来实现对目标CNT的吸引。特别地，由于只有 那些被激光照射的CNT才受到该拣选技术的影响，所以扩宽激光束 光线301的直径以便照射到尽可能多的流体流304₁中的CNT。这里， 一种将扩宽的光束聚焦为激光束光线的技术是从具有大数值孔径 (NA)的透镜(例如，数值孔径在0.5和1.5之间)来聚焦光线。此外， 聚焦点312位于流体流303内(或者位于流体流303和304的边界)并 且接近输入流303₁和304₁的会聚点，以便保证目标CNT不会被排斥 出流体流303。最后，激光束的电场分量的频率小于目标CNT的谐 振频率。

图3显示了被激光束光线301照射的那些CNT的示例性运动矢 量。至少由于流体流，所有观察到的运动矢量都具有在+z轴方向上 的分量。此外，目标CNT具有沿着朝向流体流303的+y轴方向上的 运动分量；非目标CNT具有沿着背离流体流303的-y轴方向上的运 动分量。作为+y轴运动分量的结果，目标CNT即使在流过激光301 下游之后也将进入流体流303中(也就是说，由于动量守恒，使目标 CNT即使不再受时变电场的作用也将沿着+y轴方向继续移动)。同样 地，作为-y轴运动分量的结果，非目标CNT即使在流过激光301下 游之后也将游离流体流303(也就是说，由于动量守恒，使非目标CNT 即使不再受时变电场的作用也将沿着-y轴方向继续移动)。这样，在 流体流到达出口区域之前，目标CNT将由流出流303₂携带，非目标 CNT将由流出流304₂携带。

图4中显示了对图3中基本装置的改进。根据图4中的方法，使 用多个激光束401₁至401₄来吸引目标CNT。这里尽管显示了四个分 离的激光束，但是应当理解，依照设计也可以使用多于或少于四个的 激光束。如同图3中的方法那样，一对流体流403和404彼此沿着侧 边流动。多个CNT作为流入流404₁的一部分进入到装置中。

多个激光束401₁—401₄有效地形成一面光墙，随着所述CNT向 下游流动一段很长的距离，光墙将使目标CNT持续地被吸引向流体 流403，并将非目标CNT持续地斥离流体流403(例如，根据一个实 施例，每个激光束的电场分量的频率小于目标CNT的谐振频率)。如 同图3中的方法那样，目标CNT将出现在流出流403₂中，非目标CNT 将出现在流出流404₂中。当然，可以使用一系列的透镜来形成光墙。

在图4的实施例中，激光束“墙”是定向排列的，使得所述墙沿 着+y轴方向逐渐退入到流体流403中。以这种方式使所述墙定向排 列的结果是先在第一光束401₁附近开始吸引目标CNT，然后将目标 CNT“传递”到第二光束401₂的吸引力作用范围内。随着目标CNT 向下游移动，它们随后被传递到第三光束401₃的吸引力作用范围内。 在目标CNT移动到足够下游的地方以被传递到第四光束401₄的吸引 力作用范围内之前，它们都存在于流体流403中，从而从流出流403₂离开装置。

相反地，存在于流体流403中的任何非目标CNT将被光墙排斥。 在图4的实施例中，最后一个光束401₄距离流出流404₂足够远，以 便由光束401₄的排斥力提供足够长时间的指向流体流404的动量， 使任何非目标CNT得以进入流体流404。

在又一个实施例中，激光束401₁至401₄的聚焦点位于沿x轴的 不同平面上，以便更充分地照射通过装置的流体流。因此，目标CNT 的收集效率比图3中方法的效率更高。为了更详细地理解该内容，参 照图2，注意，对于那些只穿过没有被照射的阴影区域的那些CNT， 目标CNT和非目标CNT的运动都不会受到影响。通过使用聚焦点位 于沿x轴的不同平面上的多个光束，将会有更少的目标CNT“错过” 流体流的被照射区域。

在一替换实施例中，为了进一步提高目标CNT的收集效率，激 光束墙不仅包括提供各个聚焦点的不同x轴位置，而且该墙并不是逐 渐退入流体流403中的，而是沿着+z轴方向延伸(即实质上沿着流体 流的方向)。如此定向的激光束墙使所有的CNT有更大的可能流过至 少一个激光束的照射区域。

图5显示了另一个实施例，其中两个如图4中那样的拣选器以级 联方式连在一起，以便拣选多种类型的CNT。特别地，图5中的拣 选器装置想要拣选三种不同类型的CNT：“打点的”，“阴影的”和“涂 黑的”。第一墙501由频率低于“打点的”CNT的谐振频率但是高于 “阴影的”和“涂黑的”CNT的谐振频率的光线构成。第二墙502 由频率低于“阴影的”CNT的谐振频率但是高于“涂黑的”CNT的 谐振频率的光线构成。

多个CNT从流入流503处进入。根据前述的方案，第一墙501 将吸引“打点的”CNT，以便它们从流出流504处流出，并排斥“阴 影的”和“涂黑的”CNT进入流向墙502的流。第二墙502将吸引 “阴影的”CNT，以便它们从流出流505处流出，并排斥“涂黑的” CNT，以便它们从流出流506处流出。在一实施例中，在所有的CNT 中，“打点的”CNT具有最低的谐振频率，“阴影的”CNT具有第二 低的谐振频率。以上的设定保证任何被墙501错过的“打点的”目标 CNT将被墙502所排斥，以便输出流505中不会掺杂“打点的”CNT。

为了提高图3，图4和图5中观察到的任一拣选技术的收集效率， 可以将没有被吸引力所吸引的流体流送回输入流中。例如，参阅图3， 可以将流出流304₂送回输入流304₁中；参阅图4，可以将流出流404₂送回输入流404₁中；参阅图5，可以将流出流506送回输入流503中。 这里假定不是所有目标CNT都被配置为捕获这些CNT的激光束的吸 引力所捕获。这样，有可能目标CNT在第一次经过光线时不会从所 想要的出口中流出。

在图3和图4的情况下，将流体流304₂送回流304₁以及将流404₂送回流404₁，使得那些在经过激光时没有被捕获的(即“错过的”)目 标CNT有再一次被捕获的机会。此外，在图5的情况下，将流506 送回流503，使那些在经过墙501时没有被捕获的“打点的”CNT得 以被捕获。这里，如上所述，只要“打点的”CNT的谐振频率低于 “阴影的”CNT的谐振频率，则任何被错过的“打点的”CNT将被 墙502排斥。

作为另一种方法，当两个墙501和502的电场分量频率相同时(或 者至少两个墙501和502的电场分量频率是定制的以吸引相同的 CNT)，可以使用图5中的级联结构来增加每个循环中目标CNT的总 流量。依据这种方法，即使任何目标CNT“错过”墙501，它们也将 被墙502吸引，以便从输出流505中流出。可以增加另外的步骤来进 一步提高拣选效率。

图6显示了图5中拣选策略的多维扩展，其中将所应用的各种激 光束的电场强度设置来为不同类型目标CNT提供多种输出流。根据 图6中的技术，一批制备好的CNT进入输入流601，第一激光束602(墙 或其它方式)的电场分量频率f1分离出(例如，大约“分为两半”)预 期范围的制备的手性与直径的组合，以便将那些谐振频率低于f1的 CNT吸引到流体流支路603，并将那些谐振频率高于f1的CNT排斥 到流体流支路604。

第二激光束605的电场分量频率f2(墙或其它方式，这里f2低于 f1)将流过支路603的那些CNT分离(例如，大约“分为两半”)，以 便将那些谐振频率低于f1和f2的CNT吸引到流体流支路614，并将 那些谐振频率低于f1但高于f2的CNT排斥到流体流支路613。第三 激光束606的电场分量频率f3(墙或其它方式，这里f3高于f1)将流 过支路604的那些CNT分离(例如，大约“分为两半”)，以便将那 些谐振频率高于f1但是低于f3的CNT吸引到流体流支路612，并将 那些谐振频率高于f1和f3的CNT排斥到流体流支路611。

第四激光束610的电场分量频率f4(墙或其它方式，这里f4低于 f2)将流过支路614的那些CNT分离(例如，大约“分为两半”)，以 便将那些谐振频率低于f1，f2和f4的CNT吸引到流体流支路615， 并将那些谐振频率低于f1和f2但高于f4的CNT排斥到流体流支路 616。第五激光束609的电场分量频率f5(墙或其它方式，这里f5高 于f2但是低于f1)将流过支路613的那些CNT分离(例如，大约“分 为两半”)，以便将那些谐振频率低于f1和f5但是高于f2的CNT吸 引到流体流支路617，并将那些谐振频率低于f1但高于f2和f5的 CNT排斥到流体流支路618。

第六激光束608的电场分量频率f6(墙或其它方式，这里f6低于 f3但是高于f1)将流过支路612的那些CNT分离(例如，大约“分为 两半”)，以便将那些谐振频率高于f1但是低于f3和f6的CNT吸引 到流体流支路619，并将那些谐振频率高于f1和f6但是低于f3的 CNT排斥到流体流支路620。第七激光束607的电场分量频率f7(墙 或其它方式，这里f7高于f1和f3)将流过支路611的那些CNT分离(例 如，大约“分为两半”)，以便将那些谐振频率高于f1和f3但是低于 f7的CNT吸引到流体流支路621，并将那些谐振频率高于f1，f3和 f7的CNT排斥到流体流支路622。

图7显示了另一种可以用来生产高纯浓度的目标CNT的方法(也 就是说，减少在目标范围外的CNT收集)。图7与图5相比其区别在 于存在一输出流体通道705，其由吸引目标CNT的两个或更多激光 束墙701和702供给。也就是说，激光束墙701吸引目标CNT进入 流体流704；激光束墙702吸引目标CNT进入流体流705。这样，为 了使流体流705中不存在非目标CNT，将不得不避开墙701和702 的排斥力。可以沿着流体流705设计用于吸引目标CNT的另外的一 个或更多激光束墙段，以进一步提高最终输出流的纯度。

在上述描述中，总是建议所施加的激光的电场分量频率小于“目 标”CNT的谐振频率。在相反的实施例中，与如上所述的试图吸引 目标CNT不同，将电场分量频率设定为大于目标CNT的谐振频率(以 便排斥目标CNT)但是小于一个或多个非目标CNT的谐振频率(以便 吸引非目标CNT)。在这种情况下，以图3，图4和图5的情况为例， 目标CNT分别从流体流304₂，404₂和506中流出。

图8a—图8c显示了拣选技术的另一个实施例，该拣选技术使用 静态的激光进行拣选，其中所收集的CNT沿着与待拣选的CNT流 803不同的垂直面流动。根据图8a—图8c的方法，待拣选的CNT流 803沿着在第二流体通道802“之下”(沿x轴方向测量)的第一流动 通道801流动，第二流体通道802用来收集待拣选的CNT流803中 的目标CNT。第二通道802中的流体流沿着+y轴方向运动。这样， 纯流体805在通道801和802的交叉点之前沿着通道802流动；所收 集的目标CNT流体流806在通道801和802的交叉点之后流动。

调整激光束光线并使其具有合适的电场分量频率，以将目标CNT 从流803吸引到通道802中。根据所观察到的描绘，确定激光聚焦点 808的位置，以便：1)激光809照射两个通道的交叉区域；以及2)待 拣选的CNT流803沿着光线809的圆形/椭圆形的一侧移动，这与图 2中所述的情况相似(特别地，如图中所看到的，流803移动通过光线 809的圆形/椭圆形区域的“较低”部分)。此外，使光线的电场分量 的频率小于目标CNT的谐振频率。

这些条件将导致在两个通道的交叉区域形成增强的电场强度梯 度，以致：1)沿着+x轴方向将目标CNT 807从通道801吸引到通道 802中；以及2)将在通道802中沿-x轴方向将非目标CNT(或者至少 那些谐振频率高于激光束电场分量频率的CNT)进一步排斥“向下”。 这样目标CNT在流806处流出，非目标CNT在流804处流出。

在另一替换实施例中，可以将激光束点808从所述位置直接降低 到通道801之下，并且光线的电场分量频率可以升高到高于目标CNT 的谐振频率，但低于所有其它CNT的谐振频率。这种方法会将目标 CNT“向上”“排斥”到通道802中，并将吸引所有其它CNT保留在 通道801中。

图8a—图8c的方法中，一个潜在的实施上的问题是光学问题。 也就是说，假定通道801是真正地位于通道802“之下”，光线809 沿着包含通道801和802的芯片/载体的一侧聚焦。图8d和图8e显 示了另一种方法，如果通道802沿垂直轴方向高于通道801，则可能 更易于实施图8a—图8c中的方法。根据图8d和图8e中的方法，如 果通道801和通道802处于不同的垂直面上，则所施加的光线810将 沿着垂直轴移动。

各种流803至807的表现与在图8a至图8c中所描述的相同。注 意，根据图8d和图8e的描绘，所施加的光线810的电场分量频率低 于目标CNT的谐振频率，以将它们“向上”吸引到通道802中。在 另一方法中，光线聚焦点808可被降低到通道801的底部(或位于通 道801之下)，光线电场分量频率可被设定为高于目标CNT的谐振频 率。这将导致目标CNT被“向上”排斥到通道中。

图8f显示了图8d和图8e中技术的详尽细节。这里，描述成通 过通道801和802的交叉处施加多个光束。与之前相对于图4所讨论 的内容相似，通过施加较强的电场强度梯度和/或将光线施加到那些 使用单一外加光束时只能接收到很少或接收不到光线的通道区域，多 个光束可以提高收集效率。根据图8f的描绘，发现不同光束的聚焦 点沿z轴方向排列。同样地，尽管没有显示，也可以发现其它附加光 束的聚焦点沿y轴方向排列。同时，尽管在图8f中没有显示，可以 在不同的x轴平面上设置聚焦点，以恰当地形成收集光线。图8a至 图8c所述收集方法以及刚才所述图8d和图8e的收集方法中，可以 施加多个光束。最后，基于聚焦点的位置，可以定位光束的位置来吸 引或排斥目标CNT。

对于上述任意一种方法，注意，如果激光功率很高，将产生与强 光学力相对应的强吸引力/排斥力。通常，为了提供最强的拣选效果， 建议将流速保持在一定水平，使流动所产生的曳力小于光学吸引力/ 排斥力。关于实现流体流可使用的溶液，只要该溶液不破坏流体通道， 水或任何可溶解CNT的溶液都可以使用(水，有机溶剂，酸等)。

在前述的详细说明中，已经参照具体的示例性实施例对本发明进 行了描述。然而显然，在不脱离所附权利要求中提出的本发明的更广 精神和范围的情况下，可以对本发明进行各种修改和变化。因此，说 明书和附图应视为是说明性的而非限制性的意义。