独立行政机构国立产业技术综合研究所[会长野间口裕]（以下简称“AIST”）纳米系统研究部[研究部主任八濑清]纳米碳材料研究组片浦弘道、首席研究员田中武、AIST特别研究员刘华平在多级凝胶柱中单壁碳纳米管 (SWCNT)我们开发了一种技术，只需倒入分散液，即可轻松分离和回收具有不同碳原子排列的半导体单壁碳纳米管。
单壁碳纳米管被合成为各种结构的混合物，但它们不仅包括具有完全不同电性能的单壁碳纳米管，例如金属型和半导体型，而且还包括具有不同电性能的相同半导体类型的单壁碳纳米管。对于电子设备中的应用，有必要将单壁碳纳米管分离成具有不同电性能的单独结构。产业技术研究院开发了基于凝胶的单壁碳纳米管分离技术，这次我们大幅推进了这一技术，开发出一种划时代的技术，只需将单壁碳纳米管分散液倒入填充有凝胶的多级柱中，即可精确分离具有不同电特性的半导体单壁碳纳米管。所使用的分散剂价格低廉，凝胶柱可重复使用，分离手段可实现自动化，使得以低成本进行大规模分离成为可能。
该成果发表在英国科学杂志上自然通讯
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使用此方法从市售单壁碳纳米管中分离出 13 种半导体单壁碳纳米管的分散体。
每种都有不同的电气特性。图中的数字是代表SWCNT结构的索引。此外，还可以同时获得未结构分离的金属性SWCNT和半导体性SWCNT的混合物。
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*这项研究开发是由日本科学技术振兴机构（JST）战略创意研究推进项目团队研究（CREST）“基于纳米科学的创新制造技术的创造”[研究主管堀池，国立材料科学研究所名誉研究员] Yasuhiro]这是作为研究项目“通过创建第二代碳纳米管开发不可替代的设备”（2007-2017年度）的一部分进行的[首席研究员：片浦弘道]。
SWCNT 由于其碳原子排列（结构）而具有金属特性。金属型单壁碳纳米管) 和具有半导体特性的 (半导体类型SWCNT) 存在。此外，在半导体型SWCNT中，决定半导体电特性的“带隙”的特征在于其尺寸根据碳原子的排列而变化。通常，当合成单壁碳纳米管时，它们是具有各种电性能的单壁碳纳米管的混合物。半导体型SWCNT有望应用于柔性晶体管等，未来还有望实现超高集成度、超高速、高性能的SWCNT计算机。然而，多种电学性质不同的半导体单壁碳纳米管的混合存在无法充分展现单壁碳纳米管高性能的问题，需要一种精确的结构分离技术，能够仅分离具有相同电学性质，即相同碳原子排列（结构）的半导体单壁碳纳米管。
目前，还没有方法可以选择性地合成具有不同电性能的单壁碳纳米管，因此人们正在尝试从混合物中分离出具有单独结构的单壁碳纳米管。然而，为了利用现有技术进行精确的结构分离，需要使用昂贵的试剂并长时间仔细处理，使得大量分离和纯化极其困难。因此，人们希望开发一种高纯度、廉价且能够大规模处理的新分离技术。
目前AIST已开发出SWCNT琼脂糖对凝胶中固化的“含有SWCNT的凝胶”进行凝胶电泳，以高回收率将其分离为金属型和半导体型的方法(AIST 2008 年 2 月 26 日新闻稿)，无电场分离方法(2009 年 3 月 4 日 AIST 新闻稿)，以及使用琼脂糖凝胶柱的大规模分离方法(2009 年 11 月 27 日 AIST 新闻稿) 已开发。这次，我们进一步推进了研发，开发出了更好的单壁碳纳米管分离方法。
迄今为止开发的利用琼脂糖凝胶分离金属性和半导体性单壁碳纳米管的方法，利用了产业技术研究院发现的仅半导体性单壁碳纳米管被琼脂糖凝胶吸附的现象，实现了有效的分离。然而，使用该方法很难根据碳原子排列的差异来分离半导体单壁碳纳米管。
为了解决这个问题，Sephacryl的市售凝胶。结果，他们发现，当过量的SWCNT分散体添加到Sephacryl凝胶中时，具有特定碳原子排列的SWCNT被选择性地吸附。这被认为是由于SWCNT对凝胶的吸附能力根据结构而不同。基于这些知识，我们设计了一种基于全新概念的凝胶柱分离方法，其中将大量填充有少量凝胶的柱串联排列，并将过量的SWCNT分散液倒入其中（图1）。
当使用这种多级柱时，只有具有最容易吸附到凝胶的结构的半导体SWCNT被吸附在第一柱中，其余的被倒入第二柱中。具有未吸附在第一柱上的SWCNT中最容易吸附(换言之，第二容易吸附)的结构的半导体型SWCNT吸附在第二柱上。这样，在第一阶段中，最容易吸附的半导体型SWCNT按顺序吸附到各柱上，而在第二阶段中，第二个最容易吸附的半导体型SWCNT被吸附到各柱上。随后，通过将吸附在各柱上的半导体单壁碳纳米管单独洗脱，可以取出不同结构的半导体单壁碳纳米管。这次，通过再次使用多级柱分离第一次分离中获得的结构分离的SWCNT分散液，成功分离了几乎单一结构的13种SWCNT（图2）。
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图1 多级柱过量负载导致SWCNT结构分离示意图
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此处使用了 6 个列。将过量的SWCNT分散液倒入装有少量凝胶的六级柱中，洗去多余的SWCNT后，从每个柱中洗脱并回收结构分离的SWCNT。如果将从底部溢出的分散液重新注入六级塔六次，则其本质上起到串联的36级塔的作用。
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图2（右）这次分离的13种单结构SWCNT分散体（左）每种分散体的光吸收光谱
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最右侧的吸收峰对应于带隙间光学跃迁，并且每个吸收峰都不同。光谱从底部开始按与凝胶相互作用的升序排列。
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以前的大多数分离方法仅提取了一部分原始单壁碳纳米管，但由于这种分离方法将原始单壁碳纳米管细分为更小的碎片，因此大部分输入的单壁碳纳米管可以无损失地分离和回收。由于可以同时进行半导体类型的精确结构分离以及金属和半导体类型的分离，因此还可以分离和回收高纯度的金属SWCNT。此外，无法分离成单一结构的半导体单壁碳纳米管虽然是多种结构的混合物，但仍被回收为高纯半导体单壁碳纳米管，并且可以完全用于不需要与单结构单壁碳纳米管相同高性能的应用。
该分离方法仅使用可重复使用的市售凝胶和廉价的表面活性剂，并且是使分散液通过凝胶的简单过程，因此容易实现自动化，并且可以低成本、大批量地分离。另外，几乎没有物料损失，分离所需的能量也极少，是一种节能的分离方法。
我们将建立大规模生产技术，目标是在 10 年内将单结构半导体 SWCNT 作为下一代半导体材料实现商业化。我们也在寻找合作伙伴公司共同开发实用的应用程序。