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[研究部部长八濑清]智能材料组研究组组长吉田胜和研究员松泽阳子检查分子结构并使用紫外线照射单壁碳纳米管（SWCNT）的孤立分散状态和团聚状态
8541_8733发色团（光反应位点），其结构通过紫外线照射引起的光反应发生变化，并且可以很容易地从SWCNT表面分离。这种通过非接触刺激去除分散剂的技术有望改进单壁碳纳米管纯化方法，并应用于各种基于碳纳米管的材料。
有关该技术的详细信息，请参阅 2011 年 7 月 26 日的“先进材料''》杂志。
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（上）光解吸分散剂的概念图（蓝色是新开发的分散剂）
(下)光照射前后分散性变化的SWNCT水溶液(光照射前：分散，光照射后：聚集)
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近年来，随着纳米技术领域的发展，各种类型的碳纳米管（包括单壁碳纳米管和多壁碳纳米管）作为其核心材料的工业应用备受关注（经济产业省《技术战略图2010》）。其应用的关键技术之一是先进的纯化技术，以半导体单壁碳纳米管和金属单壁碳纳米管的分离为代表（2011 年 5 月 11 日 AIST 新闻稿）。在许多纯化技术中，对于不具有任何溶解性的单壁碳纳米管，使用合适的分散剂来制备分离和分散单壁碳纳米管的溶液是极其重要的。尽管已知许多这样的分散剂，但精确控制分散状态的技术尚未建立，并且从制备后的分散溶液中选择性去除分散剂的技术已成为不仅对于SWCNT而且对于各种CNT的应用的主要问题。
AIST 正在研究新型阳离子分散剂电解质发现具有结构的有机化合物表现出高分散能力（AIST 2007 年 5 月 25 日新闻稿）。此外，我们一直积极致力于新型光学功能材料的开发，并开发出一种有机材料，只需用光照射即可从固态熔化为液态，然后又恢复到原来的固态，无需加热。AIST 2010 年 12 月 2 日新闻稿）。这次，通过结合这些不同类型的研究，并基于新的分子设计将光反应基团引入有机电解质化合物中，我们解决了迄今为止人们知之甚少的单壁碳纳米管分散能力的光学控制问题。
这项研究和开发得到了日本学术振兴会科学研究补助金（2010-2010 财年）的部分支持。
在这项技术开发中，作为光反应位点，二苯乙烯的芳香族化合物。通过紫外线照射，二苯乙烯从E型转变为Z型（光异构化），然后使用溶解氧作为氧化剂进行脱氢反应。菲（图1）。这次，基于分子设计，我们尝试以光反应性二苯乙烯部分为核心，并在分子两端引入带有铵基的苯甲酰胺基团以提供水溶性，从而同时实现单壁碳纳米管的分散性和光反应性。事实上，使用市售化学试剂通过两步反应高产率合成了一种新的水溶性二苯乙烯化合物1（图2），然后进行了评估。
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图1 二苯乙烯的光异构化反应和环化反应
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图2（上）开发的光响应性SWCNT分散剂的结构式和（下）分子模型
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利用分子轨道计算确定优化结构的结果表明，二苯乙烯化合物1具有线性且高度平面的板状结构，但当它通过紫外线照射变成菲化合物2时，它变成极度弯曲的结构（图2）。这种分子结构的巨大变化极大地改变了SWCNT表面与分散剂分子之间的相互作用（与SWCNT表面的亲和力），因此可以通过紫外光照射来控制吸附（分散SWCNT）和解吸（聚集SWCNT）。
图3显示了由于分散剂分子结构的差异而导致的SWCNT分散性变化的评估结果。二苯乙烯化合物1与SWCNT表面具有非常高的亲和力，并且被吸附到SWCNT表面上，解除了SWCNT之间强烈的分子间相互作用，并将其分散在水中。因此，可以观察到SWCNT的吸收光谱特征（图3，黑线）。由于二苯乙烯化合物1具有阳离子电荷（正），因此覆盖有1的SWCNT上覆盖有对水具有高亲和力的静电涂层。因此，它们不再能够由于相互静电斥力而聚集，并且非常稳定地隔离并分散在水中，这就是为什么可以观察到SWCNT的吸收光谱。另一方面，菲化合物2具有弯曲的分子结构，因此与SWCNT表面的亲和力较低，即使在相同条件下也无法吸附到SWCNT表面，从而完全不可能将SWCNT分散在水中（图3，蓝线）。
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图3（左）由于分子结构的变化（在重水中）引起的光学吸收光谱的变化
（右）UV光照射前后SWCNT分散性的变化（光照射前：分散，光照射后：聚集）
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当使用二苯乙烯化合物1作为分散剂制备的SWCNT分散体在搅拌的同时用紫外线连续照射时，发现SWCNT不能再分散在水中并团聚（图3，红线和右图）。这被认为是因为，通过紫外线照射，SWCNT表面的二苯乙烯化合物1逐渐进行图1所示的光反应（环化和氧化），将其转化为与SWCNT表面的亲和力低的菲化合物2（当前所需时间：约6小时）。这是世界上第一个利用已知的二苯乙烯光环化反应来控制SWCNT分散状态的成功范例。另外，在没有进行紫外线照射的对照实验中，SWCNT没有聚集，证实了SWCNT的聚集是由于光照射造成的。这次，我们使用SWCNT评估了新开发的分散剂的分散控制，其分散状态可以很容易地通过光吸收来评估，但原则上，分散控制技术可以很容易地应用于其他CNT。
利用紫外光照射控制单壁碳纳米管分散能力的技术非常新颖，未来我们的目标是加快分散态和聚集态之间的转换，并通过新的分子设计开发出可重复使用的单壁碳纳米管光响应分散剂。此外，我们的目标是建立一种质量合成方法，以便向外部各方提供样品，并且我们计划与实验室内外合作，考虑将其作为一种轻松去除分散剂的技术应用于各种领域，这些领域由于碳纳米管被分散剂覆盖而难以充分评估其特性，例如先进的单壁碳纳米管纯化技术和使用各种碳纳米管的器件制造工艺。