JP4671102B2 - Method for producing colloidal crystals - Google Patents
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Description
本発明は,テンプレート粒子の周囲にナノシート層等からなるシェルが一層又は複数層積層されたコア/シェル型のコロイド粒子、又は、このようなコア/シェル型のコロイド粒子からテンプレート粒子を除去することにより得られる中空型のコロイド粒子を、規則的に配列させることにより得られるコロイド結晶の製造方法に関する。 The present invention is to remove core particles from a core / shell type colloidal particle in which one or more shells composed of a nanosheet layer or the like are laminated around the template particle, or such a core / shell type colloidal particle. the hollow colloidal particles obtained by, relates manufacturing method of the colloidal crystal obtained by regularly arranged.
粒子径のばらつきが小さく、所謂単分散なコロイド粒子は、該コロイド粒子を分散させた溶媒を蒸発させることにより、規則的に配列して秩序構造(コロイド結晶)を形成することが知られている。また、コロイド粒子は、これを分散させた溶媒中においても粒子間の相互作用によって規則的に配列しコロイド結晶を形成することができる。 It is known that so-called monodispersed colloidal particles having small particle size variations are regularly arranged to form an ordered structure (colloidal crystal) by evaporating the solvent in which the colloidal particles are dispersed. . Moreover, colloidal particles can be regularly arranged by the interaction between particles even in a solvent in which the colloidal particles are dispersed to form a colloidal crystal.
このようなコロイド結晶は、Bragg回折により、その格子定数に対応した波長の電磁波を反射することができる。例えば、コロイド結晶がサブミクロンオーダーの粒子径をもつコロイド粒子からなる場合には、紫外光や可視光から赤外光の範囲の波長を反射することができる。さらに可視光を反射する場合には、イリデセンス(虹彩色)を示すことが知られている。このような特徴を利用して、コロイド結晶は、特定の波長の光を透過しない光フィルターや特定の光を反射するミラー、フォトニック結晶とよばれる新規な光機能材料、又は光スイッチや光センサ等への応用が考えられている。 Such a colloidal crystal can reflect an electromagnetic wave having a wavelength corresponding to the lattice constant by Bragg diffraction. For example, when the colloidal crystal is made of colloidal particles having a particle size on the order of submicron, wavelengths in the range from ultraviolet light or visible light to infrared light can be reflected. Furthermore, when visible light is reflected, it is known to show iridescence (iris color). Utilizing these characteristics, colloidal crystals are optical filters that do not transmit light of a specific wavelength, mirrors that reflect specific light, new optical functional materials called photonic crystals, optical switches, or optical sensors. The application to etc. is considered.
このようなコロイド結晶は、これまでいくつかの公報等に開示されている。その作製方法としては、例えばシリカやポリスチレンのコロイド粒子を水分散液中で脱イオンして夾雑イオンを除去する方法等が知られている(特許文献1及び2参照)。
また、コロイド結晶の構造を制御する方法として、コロイド粒子の分散液を加熱又は冷却する方法(特許文献3参照)や、せん断流動を与える方法(特許文献4及び5参照)や、振動を与える方法(特許文献6参照)等が知られている。
また、コロイド結晶の応用例としては、2枚の透明な平板間にポリスチレン粒子からなるコロイド結晶を挟んだ構造の光フィルター(特許文献7参照)や、ポリスチレン粒子からなるコロイド結晶をポリマーでゲル化させて作製したコロイド結晶ゲル(特許文献8〜10参照)等が知られている。
Such colloidal crystals have been disclosed in several publications. As a production method thereof, for example, a method is known in which colloidal particles of silica or polystyrene are deionized in an aqueous dispersion to remove impurities (see
Further, as a method for controlling the structure of the colloidal crystal, a method of heating or cooling a dispersion of colloidal particles (see Patent Document 3), a method of applying shear flow (see
Examples of colloidal crystal applications include an optical filter with a structure in which a colloidal crystal composed of polystyrene particles is sandwiched between two transparent flat plates (see Patent Document 7), and a colloidal crystal composed of polystyrene particles is gelled with a polymer. Colloidal crystal gels produced by this method (see
上記のようなコロイド結晶を形成するためには、粒子径のばらつきが小さく、所謂単分散なコロイド粒子が必要不可欠である。
しかしながら、このようなコロイド粒子としては、これまで例えばエマルション重合により合成されたポリスチレン粒子やストーバー法によるシリカ粒子等しかなかった。このようなポリスチレン粒子やシリカ粒子は、屈折率が小さいため、例えばフォトニック結晶等の用途には適さず、コロイド結晶の応用展開には支障があった。
In order to form a colloidal crystal as described above, so-called monodispersed colloidal particles with a small variation in particle diameter are indispensable.
However, such colloidal particles have hitherto been only, for example, polystyrene particles synthesized by emulsion polymerization or silica particles by the Stover method. Since such polystyrene particles and silica particles have a small refractive index, they are not suitable for applications such as photonic crystals, which hinders the application development of colloidal crystals.
また、フォトニック結晶等の物性制御材料として利用するためには、コロイド結晶の格子定数や結晶型等の構造を制御することが重要である。しかし、ポリスチレン粒子やシリカ粒子等からなるコロイド結晶においては、その構造制御が非常に困難であり、加熱、冷却、せん断流動、又は振動などの物理的な方法に頼るしかなかった。 Also, in order to use as a physical property control material such as a photonic crystal, it is important to control the structure of the colloidal crystal such as the lattice constant and the crystal type. However, in a colloidal crystal composed of polystyrene particles, silica particles, etc., the structure control is very difficult, and there is no choice but to rely on physical methods such as heating, cooling, shear flow, or vibration.
そこでこの問題を解決するために従来から種々の提案がなされている。例えば、非特許文献1には、ZnSコアの表面にSiO2シェルが形成されたコロイド粒子、及び、SiO2コアの表面にZnSシェルが形成されたコロイド粒子、並びに、これらのコロイド粒子からコア粒子を除去することにより得られるSiO2シェル及びZnSシェルが開示されている。同文献には、コアに対するシェルの厚さを変えることによって、その光学的特性を制御することができる点が記載されている。
In order to solve this problem, various proposals have heretofore been made. For example, Non-Patent
さらに、非特許文献2には、負に帯電したポリスチレン球の表面に、正に帯電した高分子電解質及び負に帯電した高分子電解質を交互にコーティングし、この表面に、正に帯電した4−(ジメチルアミノ)ピリジン(DMAP)安定化Auナノ粒子を吸着させ、さらにその表面に高分子電解質をコーティングすることにより得られるコロイド粒子が開示されている。同文献には、このようなコア/シェル型のコロイド粒子を含む分散液を石英板上で保持すると、コロイド粒子の重力沈降及び水の蒸発がおこり、コロイド粒子を規則配列させることができる点が記載されている。
Further, in
非特許文献2には、その表面にAuナノ粒子を付着させたポリスチレン球を規則配列させた例が記載されている。しかしながら、一般に、コア/シェル型のコロイド粒子に関する報告は多数あるのに対し、このようなコア/シェル型のコロイド粒子を用いてコロイド結晶を作製した例は極めて少ない。特に、シェルの厚みを精密に制御可能なナノシートを用いたコア/シェル型のコロイド粒子の規則配列に成功した例は、従来にはない。
Non-Patent
本発明が解決しようとする課題は、従来のポリスチレン粒子やシリカ粒子等とは屈折率が異なる新規なコロイド粒子からなり、幅広い用途に対応できるコロイド結晶の製造方法を提供することにある。
また、本発明が解決しようとする他の課題は、コア/シェル型のコロイド粒子(特に、ナノシートを用いたコア/シェル型のコロイド粒子)又はコア/シェル型のコロイド粒子からテンプレートを除去することにより得られる中空型のコロイド粒子を規則配列させたコロイド結晶の製造方法を提供することにある。
An object of the present invention is to provide, in the conventional polystyrene particles or silica particles or the like made from the novel colloidal particles having different refractive indexes, to provide a manufacturing method of the colloidal crystals can respond to a wide range of applications.
Another problem to be solved by the present invention is to remove a template from core / shell colloidal particles (particularly core / shell colloidal particles using nanosheets) or core / shell colloidal particles. to provide a hollow mold manufacturing method of the colloidal crystals obtained by regularly arranged colloid particles obtained by.
上記課題を解決するために本発明に係るコロイド結晶の製造方法は、
粒子径が0.01μm〜10μmであるテンプレート粒子を第1の分散媒に分散させ、前記テンプレート粒子の表面に、前記第1の分散媒中における電荷の正負が前記テンプレート粒子とは異なる第1の中間層を形成する第1中間層形成工程と、
前記第1の分散媒中において、前記テンプレート粒子の表面に形成された前記第1の中間層の表面に、前記テンプレート粒子とは異なる物質からなり、かつ、前記第1の分散媒中における電荷の正負が前記第1の中間層とは異なるシェルを積層し、コア/シェル型のコロイド粒子を作製するコーティング工程と、
前記コロイド粒子の表面電荷の絶対値がゼータ電位で15mV以上となり、かつ、pH4〜10の範囲内となるようにpHを調整した第2の分散媒中に前記コロイド粒子を分散させ、前記コロイド粒子間に作用する電気的斥力によって前記コロイド粒子を規則的に配列させる結晶化工程とを備えていることを要旨とする。
この場合、前記結晶化工程の前に、前記テンプレート粒子を溶解する溶媒を用いて前記コア/シェル型のコロイド粒子から前記テンプレート粒子を抽出除去し、中空型のコロイド粒子を作製するテンプレート除去工程をさらに備えていても良い。
また、前記シェルは、前記テンプレート粒子の周囲に、ケイ酸塩、チタン酸塩、リン酸塩、ニオブ酸塩、バナジウム酸塩、タングステン酸塩、モリブデン酸塩、グラファイト、遷移金属ジカルコゲン化物、又は、二価金属リンカルコゲン化物からなる層状化合物を酸処理し、薄膜状に剥離させることにより得られるナノシートを積層させることにより得られるナノシート層からなるものが好ましい。
また、前記結晶化工程は、前記コロイド粒子を前記第2の分散媒に分散させる前に、前記コロイド粒子を焼成し、前記シェルを結晶化させる焼成工程をさらに備えていることが好ましい。
In order to solve the above problems, a method for producing a colloidal crystal according to the present invention includes:
A template particle having a particle diameter of 0.01 μm to 10 μm is dispersed in a first dispersion medium, and the first and second positive and negative charges in the first dispersion medium are different from the template particle on the surface of the template particle. A first intermediate layer forming step of forming an intermediate layer;
In the first dispersion medium, the surface of the first intermediate layer formed on the surface of the template particle is made of a substance different from the template particle, and the charge in the first dispersion medium is A coating step of stacking a shell whose positive and negative are different from those of the first intermediate layer to produce core / shell type colloidal particles;
The colloidal particles are dispersed in a second dispersion medium whose pH is adjusted so that the absolute value of the surface charge of the colloidal particles is 15 mV or more in terms of zeta potential and within the range of
In this case, before the crystallization step, a template removal step is performed in which the template particles are extracted and removed from the core / shell type colloid particles using a solvent that dissolves the template particles to produce hollow type colloid particles. Further, it may be provided.
In addition, the shell, around the template particles, silicate, titanate, phosphate, niobate, vanadate, tungstate, molybdate, graphite, transition metal dichalcogenide, or What consists of a nanosheet layer obtained by laminating | stacking the nanosheet obtained by acid-treating the layered compound which consists of a bivalent metal phosphochalcogenide, and making it peel into a thin film form is preferable.
Further, the crystallization step, wherein the colloidal particles prior to dispersing into the second dispersion medium, the colloidal particles by firing, the shell arbitrariness preferred that further comprises a firing step to crystallize.
その表面電荷の絶対値がゼータ電位で15mV以上となるように、コア/シェル型又は中空型のコロイド粒子をpH4〜10である第2の分散媒中に分散させると、コロイド粒子間には相対的に大きな電気的斥力が作用する。その結果、溶媒中においてコロイド粒子が規則配列し、あるいは、溶媒が除去されるに伴ってコロイド粒子が規則配列し、コロイド結晶となる。
例えば、シェルにナノシート層を含むコア/シェル型のコロイド粒子(又は、これからテンプレートを除去することにより得られる中空型のコロイド粒子)は、pH7近傍において、表面電荷の絶対値がゼータ電位で15mV未満になり、コロイド結晶が得られない場合がある。これに対し、このようなコア/シェル型のコロイド粒子に対してある処理(例えば、焼成処理)を施すと、表面電荷の絶対値がゼータ電位で15mV以上になり、かつ、この電位を安定して維持することができるので、再現性良くコロイド結晶を作製することができる。
When the core / shell type or hollow type colloidal particles are dispersed in the second dispersion medium having a pH of 4 to 10 so that the absolute value of the surface charge is 15 mV or more in terms of zeta potential, there is a relative relationship between the colloidal particles. Large electrical repulsion acts. As a result, colloidal particles are regularly arranged in the solvent, or colloidal particles are regularly arranged as the solvent is removed to form a colloidal crystal.
For example, the core / shell type colloidal particles (or hollow type colloidal particles obtained by removing the template from the core) having a nanosheet layer in the shell have a surface charge absolute value of less than 15 mV at zeta potential near
以下に本発明の一実施の形態について詳細に説明する。本発明の第1の実施の形態に係るコロイド結晶の製造方法は、コア/シェル型のコロイド粒子からなるコロイド結晶の製造方法であり、コーティング工程と、結晶化工程を備えている。また、本発明の第1の実施の形態に係るコロイド結晶は、このような方法により得られたものからなる。 Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described in detail. The method for producing a colloidal crystal according to the first embodiment of the present invention is a method for producing a colloidal crystal composed of core / shell type colloidal particles, and includes a coating step and a crystallization step. The colloidal crystal according to the first embodiment of the present invention is obtained by such a method.
初めに、コーティング工程について説明する。コーティング工程は、粒子径が0.01μm〜10μmであるテンプレート粒子を第1の分散媒に分散させ、第1の分散媒中において、テンプレート粒子の周囲にテンプレート粒子とは異なる物質からなるシェルを積層し、コア/シェル型のコロイド粒子を作製する工程である。 First, the coating process will be described. In the coating step, template particles having a particle diameter of 0.01 μm to 10 μm are dispersed in a first dispersion medium, and a shell made of a material different from the template particles is laminated around the template particles in the first dispersion medium. In this step, core / shell type colloidal particles are produced.
第1の分散媒は、特に限定されるものではないが、水、水に酸やアルカリ等を加えてpHを調製した水溶液等を用いるのが好ましい。
テンプレート粒子としては、例えば水などの第1の分散媒中で、負電荷又は正電荷を帯びるものを用いることができる。具体的には、負電荷又は正電荷を帯びるテンプレート粒子として、ポリスチレン(PS)、ポリメタクリル酸メチル(PMMA)等のポリマ粒子、及びシリカ等からなるものがある。
The first dispersion medium is not particularly limited, but it is preferable to use water, an aqueous solution prepared by adding an acid, an alkali, or the like to water to adjust the pH.
As the template particles, for example, those having a negative charge or a positive charge in a first dispersion medium such as water can be used. Specifically, there are those composed of polymer particles such as polystyrene (PS) and polymethyl methacrylate (PMMA), silica, and the like as negatively or positively charged template particles.
シリカよりなるテンプレート粒子は、粒子径のばらつきを小さくすること(いわゆる「単分散」にすること)が容易である。そのため、テンプレート粒子として単分散のシリカ粒子を用いると、単分散のコロイド粒子を容易に作製することができる。その結果、コロイド粒子を規則的に配列させやすくなり、コロイド粒子が非常に規則的に並んだコロイド結晶を得ることができる。また、シリカは、後述するように、除去が比較的容易であるので、中空型のコロイド粒子であっても容易に作製することができる。 Template particles made of silica can be easily reduced in particle size variation (so-called “monodisperse”). Therefore, when monodispersed silica particles are used as template particles, monodispersed colloidal particles can be easily produced. As a result, colloidal particles can be easily arranged regularly, and a colloidal crystal in which colloidal particles are arranged very regularly can be obtained. Further, since silica is relatively easy to remove as will be described later, even hollow colloidal particles can be easily produced.
また、ポリスチレン又はポリメタクリル酸メチルよりなるテンプレート粒子は、上述のシリカよりなるテンプレート粒子の場合と同様に、「単分散」なコロイド粒子を容易に作製することができる。そのため、コロイド粒子が非常に規則的に並んだコロイド結晶を得ることができる。また、ポリスチレン又はポリメタクリル酸メチルは、後述するように、除去が比較的容易であるので、中空型のコロイド粒子であっても容易に作製することができる。 In addition, template particles made of polystyrene or polymethyl methacrylate can easily produce “monodispersed” colloidal particles as in the case of template particles made of silica. Therefore, a colloidal crystal in which colloidal particles are arranged very regularly can be obtained. Further, since polystyrene or polymethyl methacrylate is relatively easy to remove as described later, even hollow colloidal particles can be easily produced.
テンプレート粒子の粒子径は、0.01μm〜10μmである。粒子径が0.01μm未満の場合には、テンプレート粒子が小さいために、シェルを均一にコートできないおそれがある。一方、10μmを超える場合には、テンプレート粒子が大きいがために、やはりシェルを均一にコートできないおそれがある。 The particle diameter of the template particles is 0.01 μm to 10 μm. If the particle diameter is less than 0.01 μm, the shell may not be uniformly coated because the template particles are small. On the other hand, when the thickness exceeds 10 μm, the template particles are large, so that the shell may not be uniformly coated.
また、テンプレート粒子は、その粒子径のばらつきが10%以下であることが好ましい。テンプレート粒子のばらつきが10%を超える場合には、これに伴いコロイド粒子の粒子径のばらつきも大きくなり易く、コロイド粒子を規則的に配列させることが困難になるおそれがある。一方、粒子径のばらつきが10%以下であると、コロイド結晶におけるコロイド粒子の配列をより均一になものにすることができる。
なお、本発明において、「粒子径のばらつき」とは、粒子径の最大値から粒子径の最小値を引き、その値を粒子径の平均値で除した値を100分率で表したものをいう。このような粒子径のばらつきは、例えば粒度分布を測定して測ることができる。
Moreover, it is preferable that the dispersion | variation in the particle diameter of a template particle is 10% or less. When the variation of the template particles exceeds 10%, the variation in the particle diameter of the colloid particles tends to increase accordingly, and it may be difficult to regularly arrange the colloid particles. On the other hand, when the variation in particle diameter is 10% or less, the arrangement of colloidal particles in the colloidal crystal can be made more uniform.
In the present invention, “variation of particle diameter” means a value obtained by subtracting the minimum value of the particle diameter from the maximum value of the particle diameter and dividing the value by the average value of the particle diameters, expressed as 100 fractions. Say. Such a variation in particle diameter can be measured by measuring a particle size distribution, for example.
シェルは、テンプレート粒子とは異なる物質からなる。シェルは、テンプレート粒子の表面に微粒子(ナノ粒子)を吸着させたものでも良く、あるいは、テンプレート粒子の表面にナノシートが積層されたナノシート層でも良い。特に、シェルがナノシート層を含むものである場合、シェルの厚さを精密に制御できるという利点がある。 The shell is made of a material different from the template particles. The shell may be one in which fine particles (nanoparticles) are adsorbed on the surface of template particles, or a nanosheet layer in which nanosheets are laminated on the surface of template particles. In particular, when the shell includes a nanosheet layer, there is an advantage that the thickness of the shell can be precisely controlled.
ナノ粒子は、例えば、金属塩や金属酸化物の溶液を還元する、あるいは、金属アルコキシドを加水分解したり、水熱、共沈などの反応をさせるといった液相法や、金属ハロゲン化物を酸化、熱分解する、あるいは、金属をプラズマや誘導電気で蒸発・凝縮させるといった気相法により得られる。 Nanoparticles, for example, reduce the solution of metal salts and metal oxides, hydrolyze metal alkoxides, hydrothermal, coprecipitation, and other liquid phase methods, and oxidize metal halides. It can be obtained by a vapor phase method such as thermal decomposition or evaporation / condensation of metal by plasma or induction electricity.
また、ナノシートは、例えば層状化合物を一分子層又は数分子層まで剥離して得ることができる。
このような層状化合物としては、例えば粘土鉱物のモンモリロナイト等のケイ酸塩や、チタン酸塩、リン酸塩、ニオブ酸塩、バナジウム酸塩、タングステン酸塩、モリブデン酸塩等のイソ及びポリへテロ酸塩のイオン交換性層状化合物や、グラファイト、遷移金属ジカルコゲン化物、二価金属リンカルコゲン化物等の分子性層状化合物等がある。
これらの層状化合物は、水などの分散媒中で塩酸や硝酸などで酸処理を施すことにより、一層又は数層ごとの薄膜状のナノシートに剥離させ、分散媒中にコロイド状に分散させることができる。ナノシートの厚みはおよそ0.5nm〜1.5nmである。ナノシートの形状は、例えば薄片状である。
In addition, the nanosheet can be obtained, for example, by peeling a layered compound to a monomolecular layer or several molecular layers.
Examples of such layered compounds include silicates such as clay mineral montmorillonite, and iso- and polyhetero such as titanate, phosphate, niobate, vanadate, tungstate, and molybdate. Examples thereof include ion-exchange layered compounds of acid salts and molecular layered compounds such as graphite, transition metal dichalcogenides, and divalent metal phosphochalcogenides.
These layered compounds can be separated into single-layer or several-layer thin-sheet nanosheets by applying acid treatment with hydrochloric acid or nitric acid in a dispersion medium such as water, and dispersed in a colloidal form in the dispersion medium. it can. The thickness of the nanosheet is approximately 0.5 nm to 1.5 nm. The nanosheet has a flaky shape, for example.
ナノシート層は、幅5nm〜500nmのナノシートを組み合わせて構成してあることが好ましい。「組み合わせて構成」とは、組成が同一であるナノシートのみを用いてナノシート層を形成しても良く、あるいは、組成の異なる複数種類のナノシートを用いてナノシート層を形成しても良いことを言う。
所定の幅を有するナノシートを用いると、コロイド粒子の作製時に、ナノシート間に隙間がほとんどなく、厚みの均一なナノシート層を形成することができ、その結果、コロイド粒子の粒子径の均ばらつきがより小さくなる。そのため、この場合には、コロイド結晶におけるコロイド粒子の配列をより均一性の高いものにすることができる。
The nanosheet layer is preferably configured by combining nanosheets having a width of 5 nm to 500 nm. “Combined configuration” means that the nanosheet layer may be formed using only nanosheets having the same composition, or the nanosheet layer may be formed using a plurality of types of nanosheets having different compositions. .
When nanosheets having a predetermined width are used, when producing colloidal particles, there are almost no gaps between the nanosheets, and a nanosheet layer having a uniform thickness can be formed. Get smaller. Therefore, in this case, the arrangement of colloidal particles in the colloidal crystal can be made more uniform.
ナノシートの幅が5nm未満の場合には、例えばナノシートを水などの第1の分散媒に分散させ、これにテンプレート粒子を加えてコロイド粒子を作製する際に、ナノシートを分散させた第1の分散媒の粘度が高くなり、テンプレート粒子と均一に混合し難くなるおそれがある。
一方、ナノシートの幅が500nmを超える場合には、ナノシートをテンプレート粒子の周囲に集合させてナノシート層を形成する際に、ナノシート同士が重なり易くなり、ナノシート層の厚みが不均一になるおそれがある。また、ナノシート層に隙間が生じやすくなる。その結果、コロイド粒子の粒子径のばらつきが大きくなるおそれがある。
ここで、「ナノシートの幅」は、例えばナノシートの最大幅と最小幅との平均で表すことができる。
When the width of the nanosheet is less than 5 nm, for example, the nanosheet is dispersed in a first dispersion medium such as water, and template particles are added thereto to produce colloidal particles. There is a possibility that the viscosity of the medium becomes high, and it becomes difficult to uniformly mix with the template particles.
On the other hand, when the width of the nanosheet exceeds 500 nm, when the nanosheet is formed around the template particles to form the nanosheet layer, the nanosheets are likely to overlap each other, and the thickness of the nanosheet layer may be uneven. . In addition, a gap is likely to be generated in the nanosheet layer. As a result, there may be a large variation in the particle size of the colloidal particles.
Here, the “width of the nanosheet” can be expressed by, for example, an average of the maximum width and the minimum width of the nanosheet.
テンプレート粒子と、シェルを構成するナノシート又はナノ粒子(以下、単に「ナノシート等」という。)とは、第1の分散媒中で互いに正負が異なる電荷を帯びているものでも良い。この場合には、水等の第1の分散媒中で、テンプレート粒子とナノシート等とが電気的な相互作用によって互いに引きつけられるため、テンプレート粒子の周囲にナノシート等が集合し、容易にシェルを形成させることができる。 The template particle and the nanosheet or nanoparticle constituting the shell (hereinafter simply referred to as “nanosheet or the like”) may have different positive and negative charges in the first dispersion medium. In this case, since the template particles and the nanosheets are attracted to each other by electrical interaction in the first dispersion medium such as water, the nanosheets gather around the template particles and easily form a shell. Can be made.
また、テンプレート粒子とナノシート等とは、第1の分散媒中における電荷の正負が同じであっても良い。この場合、コーティング工程の前に、テンプレート粒子とシェルとの間に、両者と電荷の正負が異なる第1の中間層を形成するのが好ましい(第1中間層形成工程)。テンプレート粒子とシェルとの間に第1の中間層を設けると、中間層を介してテンプレート粒子との周囲にシェルを形成することができるため、テンプレート粒子とシェルとが正電荷同士又は負電荷同士であっても、コア/シェル型のコロイド粒子を容易に作製することができる。 Further, the template particles and the nanosheets or the like may have the same positive / negative charge in the first dispersion medium. In this case, it is preferable to form a first intermediate layer having positive and negative charges different from the template particles and the shell before the coating step (first intermediate layer forming step). When the first intermediate layer is provided between the template particle and the shell, the shell can be formed around the template particle via the intermediate layer, so that the template particle and the shell are positively charged or negatively charged. Even so, core / shell colloidal particles can be easily produced.
即ち、例えばテンプレート粒子とナノシート等がともに正電荷を帯びている場合や、ともに負電荷を帯びている場合には、テンプレート粒子の周囲にナノシート等が集合しにくくなる。テンプレート粒子とナノシート等との間に、これらとは正負の電荷が反対の第1の中間層を形成することにより、第1の中間層がテンプレート粒子とナノシート等との結合を仲立ちすることができる。第1の中間層は、テンプレート粒子やナノシート等とは分散媒中における正負の電荷が異なるものである。第1の中間層は、例えばテンプレート粒子とナノシート等を反応させる前に、予めテンプレート粒子にコーティングさせること等により形成できる。 That is, for example, when both the template particles and the nanosheets are positively charged or both are negatively charged, the nanosheets and the like are less likely to collect around the template particles. By forming a first intermediate layer that is opposite to the positive and negative charges between the template particle and the nanosheet, the first intermediate layer can mediate the bond between the template particle and the nanosheet. . The first intermediate layer is different from the template particles, nanosheets, and the like in terms of positive and negative charges in the dispersion medium. The first intermediate layer can be formed, for example, by coating the template particles in advance before reacting the template particles with the nanosheet or the like.
第1の分散媒中で正電荷を帯びる第1の中間層としては、例えばカチオン性の高分子電解質等を用いることができる。具体的には、ポリエチレンイミン(PEI)やポリアリルアミン等のアミン系ポリマー等がある。
また、分散媒中で負電荷を帯びる第1の中間層としては、アニオン性の高分子電解質等を用いることができる。具体的には、ポリアクリル酸、ポリスチレンスルホン酸などのカルボキシル基やスルホン酸基を含むポリマー等がある。
As the first intermediate layer having a positive charge in the first dispersion medium, for example, a cationic polymer electrolyte can be used. Specific examples include amine polymers such as polyethyleneimine (PEI) and polyallylamine.
An anionic polymer electrolyte or the like can be used as the first intermediate layer that is negatively charged in the dispersion medium. Specific examples include polymers containing carboxyl groups and sulfonic acid groups such as polyacrylic acid and polystyrene sulfonic acid.
シェルは、テンプレート粒子の周囲に1層のみ積層されていても良く、あるいは、2層以上積層されていても良い。テンプレート粒子の周囲に複数層のシェルが積層される場合、1層目のシェルが積層されたテンプレート粒子の表面に、さらに、第1の分散媒中における電荷の正負がシェルと異なる第2の中間層と、シェルとを交互に積層するのが好ましい(連続積層工程)。シェルの間に第2の中間層を設けると、複数層のシェルが積層されたコア/シェル型のコロイド粒子を容易に作製することができる。
そのため、コロイド粒子の粒子径や屈折率等を制御することができる。また、テンプレート粒子とほぼ同等の粒子ばらつきを有するコロイド粒子であっても作製することができる。さらに、シェルの積層数に応じて、コロイド結晶の干渉効果を制御することができる。これにより、コロイド粒子を規則的に配列したコロイド結晶の光学特性を容易に制御できる。
なお、第2の中間層には、シェルの電荷の正負に応じて、上述した第1の中間層と同様の各種材料を用いることができる。
Only one layer of the shell may be laminated around the template particle, or two or more layers may be laminated. When a plurality of shells are laminated around the template particles, a second intermediate in which the positive and negative charges in the first dispersion medium are different from the shells on the surface of the template particles on which the first shell is laminated. It is preferable to laminate | stack a layer and a shell alternately (continuous lamination process). When the second intermediate layer is provided between the shells, core / shell type colloidal particles in which a plurality of shells are laminated can be easily produced.
Therefore, the particle diameter, refractive index, etc. of the colloidal particles can be controlled. Further, even colloidal particles having almost the same particle variation as the template particles can be produced. Furthermore, the interference effect of the colloidal crystal can be controlled according to the number of laminated shells. Thereby, the optical characteristics of the colloidal crystal in which colloidal particles are regularly arranged can be easily controlled.
Note that, for the second intermediate layer, various materials similar to those of the first intermediate layer described above can be used depending on whether the charge of the shell is positive or negative.
図1(a)に、コア/シェル型のコロイド粒子の断面模式図を示す。図1(a)において、コロイド粒子1は、テンプレート粒子11の周囲にナノシート層15が複数層積層されたものである。テンプレート粒子11は、その粒子径が0.01μm〜10μmである。ナノシート層15は、一分子層又は数分子層のナノシート151からなる。本例において、ナノシート層15は、二酸化チタン(チタニア)からなる。
また、本例のコロイド粒子1においては、ナノシート層15とテンプレート粒子11との間に、第1の中間層13aが形成されている。この第1の中間層13aは、ポリエチレンイミン(PEI)からなる樹脂層である。また、テンプレート粒子11は、図3に示すように、表面に負電荷を帯びたシリカ(SiO2)よりなる。
FIG. 1A shows a schematic cross-sectional view of a core / shell type colloidal particle. In FIG. 1A,
Further, in the
また、ナノシート層15は、薄片状で幅およそ5〜500nmのナノシート151がテンプレート粒子11の周囲に集合して形成されている。図2の部分拡大図に示すごとく、ナノシート151は、互いにほとんど重なることなく、またほとんど隙間なく上記テンプレート粒子11の周囲に集合して配置され、ナノシート層15を形成している。
また、ナノシート層15は、テンプレート粒子11の周囲に複数層積層されており、各ナノシート層15同士の間には、第2の中間層13bとしてPEIよりなる樹脂層が形成されている。なお、図1においては、図面作成の面技のため、ナノシート層15の積層数を省略した図を示してある。
The
In addition, a plurality of nanosheet layers 15 are laminated around the
次に、結晶化工程について説明する。結晶化工程は、コロイド粒子の表面電荷の絶対値がゼータ電位で15mV以上となり、かつ、pH4〜10の範囲内となるようにpHを調整した第2の分散媒中にコロイド粒子を分散させ、コロイド粒子間に作用する電気的斥力によってコロイド粒子を規則的に配列させる工程である。 Next, the crystallization process will be described. In the crystallization step, the colloidal particles are dispersed in a second dispersion medium whose pH is adjusted so that the absolute value of the surface charge of the colloidal particles is 15 mV or more in terms of zeta potential and is in the range of pH 4-10 . by electrical repulsion acting between colloidal particles is a step for arranging colloid particles regularly.
コロイド粒子を規則的に配列させる際に用いる第2の分散媒は、特に限定されるものではないが、水、水に酸やアルカリ等を加えてpHを調製した水溶液等を用いるのが好ましい。この場合、第2の分散媒のpHは、4〜10が好ましい。pHが4未満である場合、及び、pHが10を超える場合は、いずれも、狭雑イオンの影響が多くなり、良好なコロイド結晶が得られない。 The second dispersion medium used when regularly arranging the colloidal particles is not particularly limited, but it is preferable to use water, an aqueous solution prepared by adding acid or alkali to water, and the like. In this case, the pH of the second dispersion medium is preferably 4-10. When the pH is less than 4 and when the pH exceeds 10, the influence of the narrow ions increases and a good colloidal crystal cannot be obtained.
第2の分散媒中にコロイド粒子を単に分散させただけで、コロイド粒子の表面電荷の絶対値がゼータ電位で15mV以上になるときには、そのまま、周知の方法を用いてコロイド結晶を作製すればよい。
一方、第2の分散媒中にコロイド粒子を単に分散しただけでは、コロイド粒子の表面電荷の絶対値がゼータ電位で15mV未満であるときには、第2の分散媒中においてその表面電荷の絶対値がゼータ電位で15mV以上となるような処理を施す。このような処理としては、具体的には、以下のようなものがある。
When the absolute value of the surface charge of the colloidal particles is 15 mV or more by simply dispersing the colloidal particles in the second dispersion medium, a colloidal crystal may be produced using a known method as it is. .
On the other hand, when the absolute value of the surface charge of the colloidal particles is less than 15 mV in zeta potential by simply dispersing the colloidal particles in the second dispersion medium, the absolute value of the surface charge in the second dispersion medium is Processing is performed so that the zeta potential is 15 mV or more. Specific examples of such processing include the following.
表面電荷の絶対値をゼータ電位で15mV以上とする第1の方法は、第2の分散媒のpHを調製することである。コロイド結晶は、一般に、pHが7近傍の水中にコロイド粒子を分散させることにより作製される。これは、水中に狭雑イオンが含まれていると、狭雑イオンの電荷とコロイド粒子の電荷とが干渉し、コロイド粒子が整列しない場合があるためである。
しかしながら、コア/シェル型のコロイド粒子の場合、シェルの材質によっては、pH7近傍において、ゼータ電位が15mV未満になることがある。そのため、このようなコア/シェル型のコロイド粒子をpH7近傍の水に分散させても、電気的斥力が小さいので、良好なコロイド結晶は得られない。
そこで、このような場合には、コロイド粒子の表面電荷の絶対値がゼータ電位で15mV以上となるように、pH4〜10の範囲内で第2の分散媒のpHを調製するのが好ましい。
The first method for setting the absolute value of the surface charge to 15 mV or higher in terms of zeta potential is to adjust the pH of the second dispersion medium. Colloidal crystals are generally produced by dispersing colloidal particles in water having a pH of around 7. This is because when the ions are contained in water, the charges of the ions and the colloidal particles interfere with each other, and the colloidal particles may not be aligned.
However, in the case of core / shell type colloidal particles, the zeta potential may be less than 15 mV near
Therefore, in such a case, it is preferable to adjust the pH of the second dispersion medium within the range of
例えば、シェルがナノシート層からなる場合において、ナノシート層がチタニアナノシートからなるときには、pH7近傍でのチタニアナノシートの表面電荷の絶対値は、ゼータ電位で15mV未満である。従って、このような場合には、ゼータ電位が15mV以上となるように、pH4〜10の範囲内において、第2の分散媒のpHを酸性側又はアルカリ性側にシフトさせるのが好ましい。
第2の分散媒のpHを酸性側にシフトさせる場合、そのpHは、具体的には、4〜6が好ましい。また、第2の分散媒のpHをアルカリ側にシフトさせる場合、そのpHは、具体的には、8〜10が好ましい。
また、この場合、第2の分散媒としては、塩酸水溶液、酢酸水溶液等の酸性水溶液や水酸化ナトリウム水溶液、アンモニア水溶液等のアルカリ性水溶液を用いるのが好ましい。
For example, when the shell is made of a nanosheet layer and the nanosheet layer is made of a titania nanosheet, the absolute value of the surface charge of the titania nanosheet near
When shifting the pH of the second dispersion medium to the acidic side, the pH is specifically preferably 4-6. In addition, when the pH of the second dispersion medium is shifted to the alkali side, the pH is specifically preferably 8 to 10.
In this case, the second dispersion medium is preferably an acidic aqueous solution such as an aqueous hydrochloric acid solution or an aqueous acetic acid solution, or an alkaline aqueous solution such as an aqueous sodium hydroxide solution or an aqueous ammonia solution.
表面電荷の絶対値をゼータ電位で15mV以上とする第2の方法は、コロイド粒子を第2の分散媒に分散させる前に、コロイド粒子を焼成し、シェルを結晶化させること(焼成工程)である。シェルが無機材料からなる場合において、これを焼成すると、シェルの結晶構造が変化し、所定のpHを有する第2の分散媒中において、より大きなゼータ電位を示す場合がある。 The second method to the absolute value of the surface charge 15mV or more zeta potential, prior to dispersing the colloidal particles in the second dispersion medium, forms a colloidal particle baked, this and (firing step to crystallize the shell ). When the shell is made of an inorganic material, when the shell is baked, the crystal structure of the shell is changed, and a larger zeta potential may be exhibited in the second dispersion medium having a predetermined pH.
例えば、pH7近傍において、チタニアナノシートの表面電荷の絶対値は、相対的に小さい。しかしながら、このようなチタニアナノシートを所定の条件下で焼成すると、結晶構造が変化し、pH7近傍において表面電荷の絶対値がゼータ電位で15mVを超える。そのため、シェルがチタニアナノシート層からなるコロイド粒子において、結晶化前にこれを焼成すると、狭雑イオンの影響が少ないpH7近傍においても相対的に大きな電気的斥力が発生し、良好なコロイド結晶が得られる。
For example, in the vicinity of
焼成条件は、コア及びシェルの材質に応じて、最適な条件を選択する。例えば、テンプレート粒子がシリカであり、ナノシート層がチタニアからなる場合、焼成温度は、300℃以上1100℃以下が好ましい。焼成温度が300℃未満であると、シェルの結晶化が不十分であり、高い表面電荷が得られない。一方、焼成温度が1100℃を超えると、テンプレートのシリカ粒子が溶融してしまうので好ましくない。焼成温度は、さらに好ましくは、400℃以上1000℃以下である。
焼成時間は、シェルの結晶化が十分に進行するように、焼成温度に応じて最適な時間とするのが好ましい。
As the firing conditions, optimum conditions are selected according to the materials of the core and the shell. For example, when the template particles are silica and the nanosheet layer is made of titania, the firing temperature is preferably 300 ° C. or higher and 1100 ° C. or lower. When the firing temperature is less than 300 ° C., the crystallization of the shell is insufficient and a high surface charge cannot be obtained. On the other hand, if the firing temperature exceeds 1100 ° C., the silica particles of the template are melted, which is not preferable. The firing temperature is more preferably 400 ° C. or higher and 1000 ° C. or lower.
The firing time is preferably set to an optimum time according to the firing temperature so that the crystallization of the shell proceeds sufficiently.
図1(b)に、図1(a)に示すコア/シェル型のコロイド粒子を焼成することにより得られるコロイド粒子1’の断面模式図を示す。シェルがナノシート層15からなるコア/シェル型のコロイド粒子1を所定の条件下で焼成すると、第1の中間層13a及び第2の中間層13bが熱分解により除去されると同時に、ナノシート層15の焼結が進行する。その結果、ナノシート層15が強固になると同時に、第2の分散媒中において、相対的に絶対値の大きな表面電荷を安定して示すコア/シェル型のコロイド粒子1’が得られる。
FIG. 1B is a schematic cross-sectional view of
表面電荷の絶対値をゼータ電位で15mV以上とする第3の方法は、コロイド粒子を結晶化させる前に、コロイド粒子の表面にゼータ電位の大きな物質からなる表面層を形成することである。
例えば、チタニアナノシートは、上述したように、pH7近傍における表面電荷の絶対値は、ゼータ電位で15mV未満であるが、アルカリ側では、ゼータ電位の絶対値は相対的に大きくなり、かつ、負の値を持つ。そこで、シェルがチタニアナノシート層からなるコロイド粒子をアルカリ水溶液中に分散させ、これにさらにある種のカチオン性ポリマを分散させると、コロイド粒子の表面がカチオン性ポリマで被覆される。カチオン性ポリマは、pHが変動した場合でも正の電荷を維持するという特徴がある。そのため、チタニアナノシート層からなるシェルの表面に相対的に大きなゼータ電位を示すカチオン性ポリマからなる表面層を形成すれば、狭雑イオンの影響が少ないpH7近傍においても相対的に大きな電気的斥力が発生し、良好なコロイド結晶が得られる。
A third method for setting the absolute value of the surface charge to 15 mV or more in terms of zeta potential is to form a surface layer made of a substance having a large zeta potential on the surface of the colloid particles before crystallization of the colloid particles.
For example, in the titania nanosheet, as described above, the absolute value of the surface charge in the vicinity of
表面電荷の絶対値がゼータ電位で15mV以上となるように、必要に応じてコロイド粒子及び/又は第2の分散媒に所定の処理を施した後、コロイド粒子を規則的に配列させと、本発明に係るコロイド結晶が得られる。
コロイド粒子を規則的に配列させる方法としては、例えば、コロイド粒子を分散させた第2の分散媒を蒸発させて粒子を配列させる方法や、第2の分散液中で沈降させて粒子を配列させる方法や、第2の分散液中から基板を引き上げて集積化して粒子を配列させる方法等がある。この場合には、コロイド粒子を例えば最密充填構造で配列させることができる。
また、コロイド粒子を液体に分散させ、液体中におけるコロイド粒子の粒子間にはたらく静電相互作用や疎水性相互作用等により、コロイド粒子を規則的に配列させる方法がある。特に、静電相互作用によってコロイド結晶を作製する場合には、液体中に共存する低分子イオンを取り除くことによって、コロイド粒子の表面近傍のイオンによる電気二重層が厚くなり、コロイド粒子間の相互作用が強くなる。
After the colloidal particles and / or the second dispersion medium are subjected to a predetermined treatment as necessary so that the absolute value of the surface charge is 15 mV or more in zeta potential, the colloidal particles are regularly arranged. A colloidal crystal according to the invention is obtained.
As a method for regularly arranging colloidal particles, for example, a method of arranging particles by evaporating a second dispersion medium in which colloidal particles are dispersed, or a method of arranging particles by sedimentation in a second dispersion liquid is used. And a method of arranging the particles by pulling up the substrate from the second dispersion and integrating them. In this case, the colloidal particles can be arranged in a close packed structure, for example.
Further, there is a method in which colloidal particles are dispersed in a liquid and the colloidal particles are regularly arranged by electrostatic interaction or hydrophobic interaction that works between the particles of the colloidal particles in the liquid. In particular, when colloidal crystals are produced by electrostatic interaction, by removing low-molecular ions that coexist in the liquid, the electric double layer of ions near the surface of the colloidal particles becomes thicker, and the interaction between the colloidal particles Becomes stronger.
また、コロイド結晶は、例えば下記のような方法により固定化させることができる。具体的には、例えばアクリルアミド、メチレンビスアクリルアミド、ポリエチレングリコール(メタ)アクリレート、ポリエチレングリコールジ(メタ)アクリレート等の親水性モノマーを添加して重合する方法や、ポリアクリル酸や多糖類などのゲル化する親水性ポリマーを添加する方法等がある。固定化したコロイド結晶は、特定の波長の光を透過しない光フィルターや特定の光を反射するミラー、さらにはフォトニック結晶のような光機能材料、光スイッチ、光センサ等の各種材料に好適に用いることができる。 The colloidal crystal can be immobilized, for example, by the following method. Specifically, for example, a method of polymerizing by adding a hydrophilic monomer such as acrylamide, methylenebisacrylamide, polyethylene glycol (meth) acrylate, polyethylene glycol di (meth) acrylate, or gelation of polyacrylic acid or polysaccharides There is a method of adding a hydrophilic polymer. Immobilized colloidal crystals are suitable for various materials such as optical filters that do not transmit light of specific wavelengths, mirrors that reflect specific light, optical functional materials such as photonic crystals, optical switches, and optical sensors. Can be used.
次に、本発明の第2の実施の形態に係るコロイド結晶の製造方法について説明する。本実施の形態に係るコロイド結晶の製造方法は、中空型のコロイド粒子を用いたコロイド結晶の製造方法であり、コーティング工程と、テンプレート除去工程と、結晶化工程とを備えている。また、本発明の第2の実施の形態に係るコロイド結晶は、このような方法により得られたものからなる。
これらの内、コーティング工程及び結晶化工程は、上述した第1の実施の形態と同様であるので、説明を省略する。
Next, a method for producing a colloidal crystal according to the second embodiment of the present invention will be described. The method for producing a colloidal crystal according to the present embodiment is a method for producing a colloidal crystal using hollow colloidal particles, and includes a coating step, a template removing step, and a crystallization step. The colloidal crystal according to the second embodiment of the present invention is obtained by such a method.
Among these, the coating process and the crystallization process are the same as those in the first embodiment described above, and thus the description thereof is omitted.
テンプレート除去工程は、コーティング工程において作製されたコア/シェル型のコロイド粒子からテンプレート粒子を除去し、中空型のコロイド粒子を作製する工程である。
テンプレートを除去する方法には種々の方法があり、テンプレート粒子及びシェルの材質に応じて最適な方法を選択する。
The template removal step is a step of removing the template particles from the core / shell type colloidal particles produced in the coating step to produce hollow type colloidal particles.
There are various methods for removing the template, and an optimum method is selected according to the material of the template particles and the shell.
例えば、テンプレート粒子がポリスチレンやポリメタクリル酸メチル等のポリマーからなる場合には、このようなポリマーを溶解する溶媒で抽出除去する方法や、ポリマーを焼成する方法や、酸素プラズマで処理する方法などがある。好ましくは、粒子形状を球状に維持するために、例えばテトラヒドロフランなどの極性溶媒を水で希釈した溶媒中でポリマーを抽出除去する方法がよい。
また、例えば、テンプレート粒子がシリカ等からなる場合には、水酸化ナトリウム水溶液中で加熱する方法や、フッ化水素酸水溶液でエッチングする方法などがある。
For example, when the template particles are made of a polymer such as polystyrene or polymethyl methacrylate, there are a method of extracting and removing with a solvent that dissolves such a polymer, a method of baking the polymer, a method of treating with oxygen plasma, etc. is there. Preferably, in order to keep the particle shape spherical, a method of extracting and removing the polymer in a solvent obtained by diluting a polar solvent such as tetrahydrofuran with water is preferable.
For example, when the template particles are made of silica or the like, there are a method of heating in a sodium hydroxide aqueous solution, a method of etching with a hydrofluoric acid aqueous solution, and the like.
図10(a)に、中空型のコロイド粒子の断面模式図を示す。図10(a)において、コロイド粒子2は、中空部21の周囲にナノシート層25が複数層積層されてなる。中空部21は、直径がおよそ0.01μm〜10μmである。また、ナノシート層25は、図1(a)に示すコア/シェル型のコロイド粒子と同様の一分子層又は数分子層のナノシートからなる。
FIG. 10A shows a schematic cross-sectional view of hollow colloidal particles. In FIG. 10A, the
また、コロイド粒子2においては、ナノシート層25と中空部21との間に、第1の中間層23aが形成されている。この第1の中間層23aは、図1(a)に示すコア/シェル型のコロイド粒子1と同様にポリエチレンイミン(PEI)からなる樹脂層である。
また、ナノシート層25は、中空部21の周囲に複数層積層されており、各ナノシート層25同士の間には、第2の中間層23bとしてPEIよりなる樹脂層が形成されている。
In the
A plurality of nanosheet layers 25 are laminated around the
このような中空型のコロイド粒子2は、例えば、図11に示すように、ポリメタクリル酸メチル等からなるテンプレート粒子31の表面に、ポリエチレンイミン等からなる第1の中間層33a及び第2の中間層33bとナノシート層35とを交互に積層させてコア/シェル型のコロイド粒子3とし、テトラヒドロフラン等を用いてテンプレート粒子31を抽出除去することにより得られる。なお、図10及び図11においては、図面作成の便宜のためナノシート層25(35)の積層数を省略した図を示してある。
For example, as shown in FIG. 11, the hollow
また、テンプレート粒子を焼成以外の方法を用いて除去した場合において、得られた中空型のコロイド粒子をさらに焼成(焼成工程)しても良い。上述したように、シェルがある種の無機材料からなる場合において、これを焼成すると、シェルの結晶構造が変化し、所定のpHを有する第2の分散媒中において、より大きなゼータ電位を示す場合がある。 When the template particles are removed using a method other than firing, the obtained hollow colloidal particles may be further fired (firing step). As described above, when the shell is made of a certain kind of inorganic material, when the shell is fired, the crystal structure of the shell is changed, and a larger zeta potential is exhibited in the second dispersion medium having a predetermined pH. There is.
図10(b)に、図10(a)に示す中空型のコロイド粒子を焼成することにより得られるコロイド粒子2’の断面模式図を示す。
例えば、シェルがナノシート層25からなり、かつ、テンプレート粒子を抽出除去した中空型のコロイド粒子を所定の条件下で焼成すると、第1の中間層23a及び第2の中間層23bが熱分解により除去されると同時に、ナノシート層25の焼結が進行する。その結果、ナノシート層25が強固になると同時に、第2の分散媒中において、相対的に絶対値の大きな表面電荷を安定して示す中空型のコロイド粒子2’が得られる。
FIG. 10B shows a schematic cross-sectional view of the
For example, when hollow type colloidal particles whose shell is composed of the
このようにして得られた中空型のコロイド粒子を上述した各種の方法を用いて規則配列させると、本実施の形態に係るコロイド結晶が得られる。 When the hollow colloidal particles thus obtained are regularly arranged using the various methods described above, the colloidal crystal according to the present embodiment is obtained.
次に、本発明に係るコロイド結晶及びその製造方法の作用について説明する。
コロイド結晶は、一般に、pH7近傍の溶媒中にコロイド粒子を分散させ、あるいは、このような溶液から溶媒を除去することにより作製されている。溶液のpHを7近傍とするのは、狭雑イオンによる影響を少なくするためである。しかしながら、コア/シェル型のコロイド粒子又はこれからテンプレートを除去することにより得られる中空型のコロイド粒子の場合、良好なコロイド結晶が得られない場合が多い。これは、シェルの材質によっては、pH7近傍において大きな電気的斥力が得られないためである。
これに対し、pH4〜10の範囲において、その表面電荷の絶対値がゼータ電位で15mV以上となるように、コロイド粒子及び/又は第2の分散媒に対して各種の処理を施すと、狭雑イオンの影響を大きく受けることなく、相対的に大きな電気的斥力を発生させることができ、良好なコロイド結晶を得ることができる。
Next, the operation of the colloidal crystal and the production method thereof according to the present invention will be described.
Colloidal crystals are generally produced by dispersing colloidal particles in a solvent near
On the other hand, when various treatments are performed on the colloidal particles and / or the second dispersion medium so that the absolute value of the surface charge is 15 mV or more in zeta potential in the range of
また、シェルがナノシート層からなるコア/シェル型のコロイド粒子は、テンプレート粒子の周囲に、電気的な相互作用により一分子層又は数分子層のナノシートを集合させることにより得られる。また、シェルが複数層のナノシート層からなるコア/シェル型のコロイド粒子は、レイヤー・バイ・レイヤー法を用いて、第1の中間層及び第2の中間層とナノシート層とを交互に形成することにより得られる。
そのため、テンプレート粒子の周囲にナノシートがほとんど重なることなく、均一な厚みで集合し、厚みのばらつきのほとんどないナノシート層を形成することができる。また、シェルの厚さの精密制御が可能であるので、単分散のコア/シェル型のコロイド粒子が容易に得られ、かつ、コロイド粒子の規則配列も容易化する。
Further, core / shell type colloidal particles whose shell is composed of a nanosheet layer can be obtained by assembling nanosheets of one molecular layer or several molecular layers around the template particles by electrical interaction. In addition, core / shell colloidal particles each having a shell having a plurality of nanosheet layers are formed by alternately forming a first intermediate layer, a second intermediate layer, and a nanosheet layer using a layer-by-layer method. Can be obtained.
Therefore, nanosheets can be formed with a uniform thickness and almost no variation in thickness, with the nanosheets hardly overlapping around the template particles. In addition, since the thickness of the shell can be precisely controlled, monodisperse core / shell colloidal particles can be easily obtained, and the regular arrangement of the colloidal particles is facilitated.
また、シェルの材質及び厚さを制御することができるので、従来のシリカ粒子やポリスチレン粒子からなるコロイド結晶とは異なる屈折率を有するコロイド結晶が得られる。さらに、屈折率に加えて、コロイド結晶の格子定数も制御することができる。
その結果、コロイド結晶のBragg回折による反射ピークの波長やフォトニックバンドギャップ等を制御することができる。また、これによって、本発明に係るコロイド結晶は、従来困難であったフォトニック結晶や、光フィルターや、ミラー等の光機能材料等にも好適に用いることができると共に、その特性を容易に制御できる。
Further, since the material and thickness of the shell can be controlled, a colloidal crystal having a refractive index different from that of conventional colloidal crystals made of silica particles or polystyrene particles can be obtained. Furthermore, in addition to the refractive index, the lattice constant of the colloidal crystal can be controlled.
As a result, it is possible to control the wavelength of the reflection peak by Bragg diffraction of the colloidal crystal, the photonic band gap, and the like. In addition, the colloidal crystal according to the present invention can be suitably used for photonic crystals, optical filters, optical functional materials such as mirrors, etc., which have been difficult in the past, and easily control the characteristics thereof. it can.
また、コア/シェル型のコロイド粒子を用いたコロイド結晶においては、シェルが有する特性をコロイド結晶に付与することができる。例えば、シェルが特定の波長を吸収するナノシート層を含む場合には、特定の波長を吸収できるコロイド結晶が得られる。
さらに、コア/シェル型のコロイド粒子からテンプレートを除去すると、中空型のコロイド粒子が得られる。中空型のコロイド粒子は、重量が小さくなるので、コロイド結晶を作製する際に重力の影響を除いたり、コロイド結晶の軽量化を図ることができる。
In addition, in a colloidal crystal using core / shell type colloidal particles, the characteristics of the shell can be imparted to the colloidal crystal. For example, when the shell includes a nanosheet layer that absorbs a specific wavelength, a colloidal crystal that can absorb the specific wavelength is obtained.
Further, when the template is removed from the core / shell colloidal particles, hollow colloidal particles are obtained. Since the hollow colloidal particles have a small weight, it is possible to eliminate the influence of gravity or to reduce the weight of the colloidal crystals when producing the colloidal crystals.
以上のように、コア/シェル型のコロイド粒子又は中空型のコロイド粒子は、ポリスチレン粒子やシリカ粒子等とは屈折率が異なる新規なコロイド粒子からなっているので、幅広い用途に対応できるコロイド結晶を提供することができる。 As described above, core / shell colloidal particles or hollow colloidal particles are composed of novel colloidal particles having a refractive index different from that of polystyrene particles, silica particles, etc. Can be provided.
(実施例1)
[1. ナノシートゾルの作製]
炭酸セシウム(Cs2CO3)と二酸化チタン(TiO2、以下「チタニア」という)とをCs:Ti=0.7:1.825というモル比で混合し、大気中において温度800℃で20時間焼成した。その後、室温に急冷してCs0.7Ti1.825O4よりなる粉末を合成した。この粉末1gに対して0.1規定の塩酸水溶液1000mlを加えて酸処理を行った。この酸処理においては、一日ごとに新しい塩酸水溶液を取り替える操作を3回繰り返した。
その後、固相をろ過し水洗した後風乾し、層状化合物のチタン酸(H0.7Ti1.825O4・H2O)よりなる粉末を得た。この粉末0.5gをテトラブチルアンモニウム水酸化物水溶液100mlに加えて、室温において回転数150rpmで1週間程度撹拌し、チタニアゾル(Ti1−δO24δ−)を得た。このゾル中には、Ti1−δO24δ−よりなり、幅が約10nm〜200nmのナノシートが分散している。
次いで、このゾルを水で50倍に希釈し、pHを9に調整し、これをナノシートゾルとした。
Example 1
[1. Preparation of nanosheet sol]
Cesium carbonate (Cs 2 CO 3 ) and titanium dioxide (TiO 2 , hereinafter referred to as “titania”) are mixed at a molar ratio of Cs: Ti = 0.7: 1.825, and the atmosphere is at a temperature of 800 ° C. for 20 hours. Baked. Then, to synthesize a powder of Cs 0.7 Ti 1.825 O 4 was quenched to room temperature. An acid treatment was performed by adding 1000 ml of 0.1N aqueous hydrochloric acid to 1 g of this powder. In this acid treatment, the operation of replacing a new hydrochloric acid aqueous solution every day was repeated three times.
Thereafter, the solid phase was filtered, washed with water, and then air-dried to obtain a powder composed of titanic acid (H 0.7 Ti 1.825 O 4 .H 2 O) as a layered compound. 0.5 g of this powder was added to 100 ml of an aqueous tetrabutylammonium hydroxide solution, and stirred at room temperature at a rotation speed of 150 rpm for about 1 week to obtain a titania sol (Ti 1-δ O 24δ- ). In the sol, nanosheets made of Ti 1-δ O 24δ- and having a width of about 10 nm to 200 nm are dispersed.
Next, this sol was diluted 50 times with water and the pH was adjusted to 9 to obtain a nanosheet sol.
[2. コア/シェル型のコロイド粒子の作製]
濃度2wt%のポリエチレンイミン(PEI)水溶液(pH9)を準備した。
次に、テンプレート粒子を準備した。図3に示すごとく、このテンプレート粒子11はSiO2からなるテンプレート粒子(株式会社日本触媒製のシーホスターKEW30)で粒子径が280nmであり、水に分散され負電荷を帯びている。
次いで、このテンプレート粒子1gを上記にて準備したPEI水溶液150mlに混合し、超音波浴で10分間分散させ、さらに15分間撹拌した。その後、回転数4000rpmで10分間の遠心分離を3回行い、表面にPEIからなる第1の中間層(樹脂層)を形成したテンプレート粒子を回収した。
次に、この第1の中間層を形成したテンプレート粒子を蒸留水150mlへ混合し、超音波浴で10分間分散させ、さらに15分間撹拌した。その後、上記にて準備したナノシートゾルを5ml加え、再び15分間撹拌した。続いて、回転数4000rpmで10分間の遠心分離を3回行い、テンプレート粒子にナノシート層が1層積層したコロイド粒子を回収した。このコロイド粒子においては、ナノシート層とテンプレート粒子との間に第1の中間層が形成されている。
[2. Preparation of core / shell type colloidal particles]
A polyethyleneimine (PEI) aqueous solution (pH 9) having a concentration of 2 wt% was prepared.
Next, template particles were prepared. As shown in FIG. 3, the
Next, 1 g of this template particle was mixed with 150 ml of the PEI aqueous solution prepared above, dispersed in an ultrasonic bath for 10 minutes, and further stirred for 15 minutes. Then, centrifugation for 10 minutes was performed 3 times at 4000 rpm, and the template particle | grains which formed the 1st intermediate | middle layer (resin layer) which consists of PEI on the surface were collect | recovered.
Next, the template particles forming the first intermediate layer were mixed with 150 ml of distilled water, dispersed in an ultrasonic bath for 10 minutes, and further stirred for 15 minutes. Thereafter, 5 ml of the nanosheet sol prepared above was added and stirred again for 15 minutes. Subsequently, centrifugation for 10 minutes at 4000 rpm was performed three times to collect colloidal particles in which one nanosheet layer was laminated on the template particles. In this colloidal particle, a first intermediate layer is formed between the nanosheet layer and the template particle.
次に、上記にて作製した1層のナノシート層が積層されたコロイド粒子を、上記と同様にPEI水溶液に混合し、超音波浴で分散させ、撹拌し、遠心分離を行って、ナノシート層の表面にさらに第2の中間層を形成した。その後、上記と同様に蒸留水へ混合し超音波浴で10分間分散させさらに15分間撹拌した後、ナノシートゾルを5ml加え、再び15分間撹拌した。回転数4000rpmで10分間の遠心分離を3回行い、テンプレート粒子にナノシート層が2層積層されたコロイド粒子を回収した。さらに第2の中間層とナノシート層とを交互に積層させて、図1に示すごとく、ナノシート層15が3層積層されたコロイド粒子1を作製した。テンプレート粒子11とナノシート層15との間、及び各ナノシート層15の間にはPEIからなる第1の中間層13a及び第2の中間層13bが形成されている。
Next, the colloidal particles on which the single nanosheet layer prepared above is laminated are mixed with the PEI aqueous solution in the same manner as described above, dispersed in an ultrasonic bath, stirred, centrifuged, and the nanosheet layer A second intermediate layer was further formed on the surface. Thereafter, the mixture was mixed with distilled water in the same manner as described above, dispersed in an ultrasonic bath for 10 minutes and stirred for 15 minutes, and then 5 ml of nanosheet sol was added and stirred again for 15 minutes. Centrifugation for 10 minutes at 4000 rpm was performed three times to collect colloidal particles in which two nanosheet layers were laminated on template particles. Furthermore, the second intermediate layer and the nanosheet layer were alternately laminated to produce
[3. コロイド結晶の作製]
上記のようにして作製したナノシート層を3層積層したコロイド粒子をpH5の塩酸水溶液に分散させた。その後、ガラス板上に滴下し、乾燥させることにより、コロイド粒子を規則的に配列させて、膜状のコロイド結晶を作製した。これを試料E1とする。
また、比較のため、ナノシート層を積層していないシリカよりなるテンプレート粒子を水に分散させ、上記と同様にガラス板上に滴下し、乾燥させてテンプレート粒子を規則的に配列させた膜状のコロイド粒子を作製した。これを試料C1とする。
[3. Preparation of colloidal crystals]
Colloidal particles obtained by laminating three nanosheet layers prepared as described above were dispersed in an aqueous hydrochloric acid solution having a pH of 5. Thereafter, the solution was dropped on a glass plate and dried, whereby colloidal particles were regularly arranged to form a film-like colloidal crystal. This is designated as Sample E1.
In addition, for comparison, template particles made of silica with no nanosheet layer laminated are dispersed in water, dropped onto a glass plate in the same manner as described above, and dried to form a film-like array of regularly arranged template particles. Colloidal particles were prepared. This is designated as Sample C1.
また、本例においては、試料E1に用いたコロイド粒子に、さらに第2の中間層とナノシート層とを交互に積層させて、ナノシート層を合計6層積層したコロイド粒子を作製した。このコロイド粒子を上記と同様に、水に分散させた後、ガラス板上で乾燥させることにより、膜状のコロイド結晶を作製した。これを試料E2とする。 In this example, the colloidal particles used for sample E1 were further laminated with the second intermediate layer and the nanosheet layer alternately to produce colloidal particles having a total of six nanosheet layers. In the same manner as described above, the colloidal particles were dispersed in water and then dried on a glass plate to prepare a film-like colloidal crystal. This is designated as Sample E2.
以上のようにして、ナノシート層を3層積層したコロイド粒子からなるコロイド結晶(試料E1)、ナノシート層を6層積層したコロイド粒子からなるコロイド結晶(試料E2)、及びテンプレート粒子のみからなるコロイド結晶(試料C1)の3種類のコロイド結晶を作製した。 As described above, a colloidal crystal (sample E1) composed of colloidal particles in which three nanosheet layers are laminated, a colloidal crystal (sample E2) composed of colloidal particles in which six nanosheet layers are laminated, and a colloidal crystal composed only of template particles. Three types of colloidal crystals (sample C1) were prepared.
[4. 評価]
本例にて得られたコロイド粒子の透過型電子顕微鏡(TEM)写真を撮影した。その結果を図4に示す。また、比較のため、ナノシート層を積層していないシリカよりなるテンプレート粒子についてもTEM写真を撮影し、その結果を図5に示す。なお、図4及び図5に示すTEM写真において、写真下部の白線は、100nmの長さを示すものである。
図4及び図5から知られるごとく、ナノシート層でコートしたコロイド粒子は、テンプレート粒子と同様に単分散であることがわかる。
[4. Evaluation]
A transmission electron microscope (TEM) photograph of the colloidal particles obtained in this example was taken. The result is shown in FIG. For comparison, a TEM photograph was also taken for template particles made of silica with no nanosheet layer laminated, and the results are shown in FIG. In the TEM photographs shown in FIGS. 4 and 5, the white line at the bottom of the photograph indicates a length of 100 nm.
As is known from FIGS. 4 and 5, the colloidal particles coated with the nanosheet layer are found to be monodispersed in the same manner as the template particles.
次に、3種類のコロイド結晶の走査型電子顕微鏡(SEM)写真を撮影した。図6に試料E1のSEM写真を、図7に試料E2のSEM写真を、及び図8に試料C1のSEM写真を示す。なお、各SEM写真において、中央下部の白線は、1μmの長さを示すためのものである。図6〜図8より知られるごとく、いずれのコロイド結晶(試料E1、試料E2、及び試料C1)においても、粒子が規則的に配列し、結晶化していることがわかる。 Next, scanning electron microscope (SEM) photographs of three types of colloidal crystals were taken. FIG. 6 shows an SEM photograph of sample E1, FIG. 7 shows an SEM photograph of sample E2, and FIG. 8 shows an SEM photograph of sample C1. In each SEM photograph, the white line at the bottom center is for showing a length of 1 μm. As is known from FIGS. 6 to 8, it can be seen that in any colloidal crystal (sample E1, sample E2, and sample C1), the particles are regularly arranged and crystallized.
次に、上記試料E1、E2及びC1のコロイド結晶について、その反射スペクトルを分光計を用いて測定した。その結果を図9に示す。
図9から知られるごとく、試料C1に比べて、試料E1及び試料E2においては、反射スペクトルのピークが短波長側にシフトしていた。また、ナノシート層を6層コートしてある試料E2の方が、3層コートしてある試料E1よりもさらに短波長側にシフトしていた。即ち、ナノシート層の厚みの大きい方が短波長側にシフトすることがわかる。
このように、ナノシート層をテンプレート粒子にコーティングすることにより、そのコロイド結晶の光学特性を制御できることがわかる。
Next, the reflection spectra of the colloidal crystals of the samples E1, E2, and C1 were measured using a spectrometer. The result is shown in FIG.
As can be seen from FIG. 9, in the samples E1 and E2, the peak of the reflection spectrum is shifted to the short wavelength side as compared with the sample C1. Further, the sample E2 coated with six nanosheet layers was shifted to the shorter wavelength side than the sample E1 coated with three layers. That is, it turns out that the one where the thickness of a nanosheet layer is larger shifts to the short wavelength side.
Thus, it can be seen that the optical properties of the colloidal crystal can be controlled by coating the nanosheet layer on the template particles.
(比較例1)
本例は、シリカよりなるテンプレート粒子と、実施例1と同様のナノシートゾルとを直接反応させた後、反応後の粒子の結晶化を試みた例である。
まず、実施例1と同様のテンプレート粒子の水分散液(株式会社日本触媒製のシーホスターKEW30)に実施例1と同様のナノシートゾルを加えて撹拌した。次いで、実施例1と同様に遠心分離を3回行い粒子を回収したが、この粒子には、ナノシートが充分に吸着していなかった。
(Comparative Example 1)
In this example, template particles made of silica and a nanosheet sol similar to that in Example 1 were directly reacted, and then crystallization of the particles after the reaction was attempted.
First, the same nanosheet sol as in Example 1 was added to an aqueous dispersion of template particles similar to that in Example 1 (Seahoster KEW30 manufactured by Nippon Shokubai Co., Ltd.) and stirred. Subsequently, the particles were collected by performing centrifugation three times in the same manner as in Example 1. However, the nanosheet was not sufficiently adsorbed on these particles.
さらに、実施例1と同様に、本例にて得られた粒子を水に分散させ、ガラス板上に滴下した後、乾燥させた。その後、分光計で反射スペクトルを測定したが、反射ピークを示さず、本例の粒子は、コロイド結晶を形成できなかった。 Furthermore, similarly to Example 1, the particles obtained in this example were dispersed in water, dropped onto a glass plate, and then dried. Thereafter, the reflection spectrum was measured with a spectrometer. However, no reflection peak was shown, and the particles of this example could not form a colloidal crystal.
(比較例2)
本例は、シリカよりなるテンプレート粒子に、チタニア粒子をコーティングし、コーティング後の粒子の結晶化を試みた例である。
まず、実施例1と同様のテンプレート粒子の水分散液(株式会社日本触媒製のシーホスターKEW30)にチタニア粒子(触媒化成工業株式会社製)を加えて15分間撹拌した。これにより、チタニア粒子が一部吸着したテンプレート粒子を得た。
(Comparative Example 2)
In this example, template particles made of silica are coated with titania particles, and crystallization of the coated particles is attempted.
First, titania particles (manufactured by Catalyst Kasei Kogyo Co., Ltd.) were added to an aqueous dispersion of template particles similar to Example 1 (Seahoster KEW30 manufactured by Nippon Shokubai Co., Ltd.) and stirred for 15 minutes. Thereby, template particles in which titania particles were partially adsorbed were obtained.
さらに、このチタニア粒子が吸着したテンプレート粒子を水に分散させ、実施例1と同様にガラス板上に滴下した後、乾燥させた。その後、分光計で反射スペクトルを測定したが、反射ピークを示さず、本例の粒子は、コロイド結晶を形成できなかった。 Further, the template particles adsorbed with the titania particles were dispersed in water, dropped onto a glass plate in the same manner as in Example 1, and then dried. Thereafter, the reflection spectrum was measured with a spectrometer. However, no reflection peak was shown, and the particles of this example could not form a colloidal crystal.
(実施例2)
[1. 中空型コロイド粒子の作製]
まず、実施例1と同様のナノシートゾル及びPEI水溶液を準備した。
また、粒子径300nmのポリメタクリル酸メチル(PMMA)からなるテンプレート粒子(綜研化学株式会社製のMX300)を準備した。
次いで、このテンプレート粒子を上記にて準備したPEI水溶液に混合し、その後実施例1と同様にして、表面にPEIからなる第1の中間層(樹脂層)を形成したテンプレート粒子を回収した。
(Example 2)
[1. Production of hollow colloidal particles]
First, the same nanosheet sol and PEI aqueous solution as Example 1 were prepared.
Moreover, template particles (MX300 manufactured by Soken Chemical Co., Ltd.) made of polymethyl methacrylate (PMMA) having a particle diameter of 300 nm were prepared.
Next, this template particle was mixed with the PEI aqueous solution prepared above, and then the template particle having the first intermediate layer (resin layer) made of PEI formed on the surface was recovered in the same manner as in Example 1.
次に、この第1の中間層を形成したテンプレート粒子を、実施例1と同様に蒸留水へ混合し、超音波浴で分散させ、さらに15分間撹拌した後、上記にて準備したナノシートゾルを加え、再び15分間撹拌した。さらに実施例1と同様にして、遠心分離を行い、テンプレート粒子にナノシート層が1層積層したコロイド粒子を回収した。 Next, the template particles forming the first intermediate layer were mixed with distilled water in the same manner as in Example 1, dispersed in an ultrasonic bath, stirred for another 15 minutes, and then the nanosheet sol prepared above was prepared. The mixture was stirred again for 15 minutes. Further, as in Example 1, centrifugation was performed to collect colloidal particles in which one nanosheet layer was laminated on the template particles.
このコロイド粒子に、実施例1と同様にして、第2の中間層とナノシート層とを交互に積層させて、図11に示すごとく、ナノシート層35が3層積層されたコロイド粒子3を作製した。このコロイド粒子3においては、テンプレート粒子31はPMMAからなり、テンプレート粒子31とナノシート層35との間、及び各ナノシート層35の間にはPEIからなる第1の中間層33a及び第2の中間層33bが形成されている。
In the same manner as in Example 1, the second intermediate layer and the nanosheet layer were alternately laminated on this colloidal particle, thereby producing a
次に、上記にて得られたコロイド粒子からPMMAからなるテンプレート粒子を抽出除去する。
即ち、上記のようにして得られたコロイド粒子を0.1wt%のテトラヒドロフラン水溶液に分散させ、50rpmで24時間撹拌した。これにより、テンプレート粒子が抽出除去され、図10に示すごとく、中空部21の周囲にナノシート層25が積層されたコロイド粒子2を得た。
Next, the template particles made of PMMA are extracted and removed from the colloidal particles obtained above.
That is, the colloidal particles obtained as described above were dispersed in a 0.1 wt% tetrahydrofuran aqueous solution and stirred at 50 rpm for 24 hours. Thereby, the template particles were extracted and removed, and as shown in FIG. 10,
[2. コロイド結晶の作製]
次に、上記のようにして作製したナノシート層を3層積層した中空型のコロイド粒子をpH5の塩酸水溶液に分散させた。その後、ガラス板上に滴下し、乾燥させることにより、コロイド粒子を規則的に配列させて、膜状のコロイド結晶を作製した。これを試料E3とする。
また、比較のため、ナノシート層を積層していないPMMAよりなるテンプレート粒子を水に分散させ、上記と同様にガラス板上に滴下し、乾燥させてテンプレート粒子を規則的に配列させた膜状のコロイド粒子を作製した。これを試料C2とする。
[2. Preparation of colloidal crystals]
Next, hollow colloidal particles obtained by laminating three nanosheet layers prepared as described above were dispersed in a
Further, for comparison, template particles made of PMMA not laminated with nanosheet layers are dispersed in water, dropped onto a glass plate in the same manner as described above, and dried to form a film-like array in which the template particles are regularly arranged. Colloidal particles were prepared. This is designated as Sample C2.
また、本例においては、PMMAからなるテンプレート粒子にナノシート層を6層積層したコロイド粒子を準備し、該コロイド粒子から上記と同様にしてテンプレート粒子を抽出除去したコロイド粒子を作製した。このコロイド粒子を上記と同様に、水に分散させた後、ガラス板上で乾燥させることにより、膜状のコロイド結晶を作製した。これを試料E4とする。 In this example, colloidal particles in which six nanosheet layers were laminated on template particles made of PMMA were prepared, and colloidal particles were prepared by extracting and removing template particles from the colloidal particles in the same manner as described above. In the same manner as described above, the colloidal particles were dispersed in water and then dried on a glass plate to prepare a film-like colloidal crystal. This is designated as Sample E4.
以上のようにして、ナノシート層を3層積層した中空型のコロイド粒子からなるコロイド結晶(試料E3)、ナノシート層を6層積層した中空型のコロイド粒子からなるコロイド結晶(試料E4)、及びテンプレート粒子のみからなるコロイド結晶(試料C2)の3種類のコロイド結晶を作製した。 As described above, a colloidal crystal (sample E3) composed of hollow colloidal particles in which three nanosheet layers are laminated, a colloidal crystal (sample E4) composed of hollow colloidal particles in which six nanosheet layers are laminated, and a template. Three types of colloidal crystals (sample C2) consisting only of particles were prepared.
[3. 評価]
テンプレート粒子を除去した中空型のコロイド粒子の走査型電子顕微鏡(SEM)写真を撮影した。その結果を図12に示す。また、比較のため、ナノシート層を形成していないPMMAからなるテンプレート粒子についてもSEM写真を撮影し、その結果を図13に示す。なお、図12及び図13に示すSEM写真において、右部分に示す白線は、1μmの長さを示すものである。
図12及び図13から知られるごとく、ナノシート層でコートしたコロイド粒子は、テンプレート粒子と同様に単分散であることがわかる。
[3. Evaluation]
A scanning electron microscope (SEM) photograph of the hollow colloidal particles from which the template particles were removed was taken. The result is shown in FIG. For comparison, SEM photographs were also taken of template particles made of PMMA without forming a nanosheet layer, and the results are shown in FIG. In the SEM photographs shown in FIG. 12 and FIG. 13, the white line shown on the right part indicates a length of 1 μm.
As is known from FIGS. 12 and 13, it can be seen that the colloidal particles coated with the nanosheet layer are monodispersed like the template particles.
次に、上記試料E3、E4及びC2のコロイド結晶について、その反射スペクトルを分光計を用いて測定した。その結果を図14に示す。
図14から知られるごとく、試料C2に比べて、試料E3及び試料E4においては、反射スペクトルのピークが低波長側にシフトしていた。また、ナノシート層を6層コートしてある試料E4の方が、3層コートしてある試料E3よりもさらに低波長側にシフトしていた。
このように、ナノシート層をテンプレート粒子にコーティングすることにより、そのコロイド結晶の光学特性を制御することができた。
Next, the reflection spectra of the colloidal crystals of the samples E3, E4, and C2 were measured using a spectrometer. The result is shown in FIG.
As can be seen from FIG. 14, in the samples E3 and E4, the peak of the reflection spectrum was shifted to the lower wavelength side as compared with the sample C2. Further, the sample E4 coated with 6 nanosheet layers was shifted to the lower wavelength side than the sample E3 coated with 3 layers.
Thus, the optical properties of the colloidal crystals could be controlled by coating the nanosheet layer on the template particles.
(比較例3)
本例は、PMMAよりなるテンプレート粒子と、実施例1と同様のナノシートゾルとを直接反応させた後、実施例2と同様の中空型のコロイド粒子の作製を試みた例である。
まず、実施例2と同様のテンプレート粒子(綜研化学株式会社製のMX300)の水分散液に実施例1と同様のナノシートゾルを加えて15分間撹拌した。次いで、実施例1と同様に遠心分離を3回行い粒子を回収したが、この粒子には、ナノシートが充分に吸着していなかった。
(Comparative Example 3)
In this example, template particles made of PMMA and a nanosheet sol similar to that in Example 1 were directly reacted, and then the production of hollow colloidal particles similar to that in Example 2 was attempted.
First, the same nanosheet sol as in Example 1 was added to an aqueous dispersion of template particles similar to Example 2 (MX300 manufactured by Soken Chemical Co., Ltd.) and stirred for 15 minutes. Subsequently, the particles were collected by performing centrifugation three times in the same manner as in Example 1. However, the nanosheet was not sufficiently adsorbed on these particles.
次いで、実施例2と同様に、本例にて得られた粒子を0.1wt%のテトラヒドロフラン水溶液に分散させ、50rpmで24時間撹拌したところ、粒子は消失し、中空の粒子は得られなかった。 Next, as in Example 2, the particles obtained in this example were dispersed in a 0.1 wt% aqueous tetrahydrofuran solution and stirred at 50 rpm for 24 hours. The particles disappeared and hollow particles were not obtained. .
(比較例4)
本例は、PMMAよりなるテンプレート粒子にチタニア粒子をコーティングした後、実施例2と同様の中空型のコロイド粒子の作製を試みた例である。。
まず、実施例2と同様のテンプレート粒子(綜研化学株式会社製のMX300)の水分散液にチタニア粒子(触媒化成工業株式会社製)を加えて15分間撹拌した。これにより、チタニア粒子が一部吸着したテンプレート粒子を得た。
(Comparative Example 4)
In this example, template particles made of PMMA are coated with titania particles, and then an attempt is made to produce hollow colloidal particles similar to those in Example 2. .
First, titania particles (manufactured by Catalyst Kasei Kogyo Co., Ltd.) were added to an aqueous dispersion of template particles similar to Example 2 (MX300 manufactured by Soken Chemical Co., Ltd.) and stirred for 15 minutes. Thereby, template particles in which titania particles were partially adsorbed were obtained.
さらに、このチタニア粒子が吸着したテンプレート粒子を0.1wt%のテトラヒドロフラン水溶液に分散させ、50rpmで24時間撹拌したところ、粒子は消失し、中空の粒子は得られなかった。 Further, when the template particles adsorbed with the titania particles were dispersed in a 0.1 wt% tetrahydrofuran aqueous solution and stirred at 50 rpm for 24 hours, the particles disappeared and no hollow particles were obtained.
(実施例3、比較例5〜8)
各種のコロイド粒子をpHの異なる水溶液中に分散させ、ゼータ電位を測定した。また、第2の分散媒として、pH7の水を用いた以外は、実施例1の[3.]と同一の手順に従い、各種のコロイド粒子からなるコロイド結晶の作製を試みた。使用したコロイド粒子は、以下の通りである。
(1) 実施例1で用いたシリカ粒子(比較例5)。
(2) ポリスチレン粒子(Duke Scientific製W030)(比較例6)。
(3) 実施例1で得られたコロイド粒子(チタニアナノシート層が3層積層されたシリカ粒子)を、さらに、大気中において450℃×1hr焼成したもの(実施例3)。
(4) PMMAに代えて、ポリスチレン粒子(Duke Scientific製W030)を用い、かつ、ポリスチレンの抽出除去を行わなかった以外は実施例2の[1.]と同一の手順により作製された、コア/シェル型のコロイド粒子(チタニアナノシート層が3層積層されたポリスチレン粒子)(比較例7)。
(5) 実施例1で得られたコロイド粒子(チタニアナノシート層が3層積層されたシリカ粒子)(比較例8)
(Example 3, Comparative Examples 5-8)
Various colloidal particles were dispersed in aqueous solutions having different pH values, and the zeta potential was measured. Further, [3. of Example 1] except that water having a pH of 7 was used as the second dispersion medium. The colloidal crystal which consists of various colloidal particles was tried according to the same procedure. The colloidal particles used are as follows.
(1) Silica particles used in Example 1 (Comparative Example 5).
(2) Polystyrene particles (W030 manufactured by Duke Scientific) (Comparative Example 6).
(3) The colloidal particles obtained in Example 1 (silica particles in which three titania nanosheet layers were laminated) were further fired at 450 ° C. for 1 hour in the atmosphere (Example 3).
(4) In place of PMMA, polystyrene particles (W030 manufactured by Duke Scientific) were used, and polystyrene extraction and removal were not performed [1. ] Core / shell type colloidal particles (polystyrene particles in which three titania nanosheet layers are laminated) produced by the same procedure as in (Comparative Example 7).
(5) Colloidal particles obtained in Example 1 (silica particles in which three titania nanosheet layers are laminated) (Comparative Example 8)
図15及び図16に、ゼータ電位の測定値及びガラス板上のコロイド粒子のSEM写真を示す。なお、図15(a)、図15(b)及び図15(c)は、それぞれ、上述した(1)、(2)及び(3)のコロイド粒子を用いたものである。また、図16(a)及び図16(b)は、それぞれ、上述した(4)及び(5)のコロイド粒子を用いたものである。 15 and 16 show measured values of zeta potential and SEM photographs of colloidal particles on a glass plate. FIGS. 15A, 15B, and 15C are obtained by using the above-described colloidal particles (1), (2), and (3), respectively. FIGS. 16 (a) and 16 (b) use the colloidal particles (4) and (5) described above, respectively.
比較例7(図16(a))及び比較例8(図16(b))の場合、いずれも、pH7近傍において、ゼータ電位は、ほぼゼロであった。そのため、コロイド粒子は、いずれも規則的に配列せず、コロイド結晶は得られなかった。
これに対し、比較例5(図15(a))、比較例6(図15(b))及び実施例3(図15(c))の場合、いずれも、pH7近傍において、ゼータ電位は負であり、かつその絶対値は15mV以上であった。そのため、コロイド粒子は、いずれも規則的に配列し、コロイド結晶が得られた。図15より、シェルがチタニアナノシート層からなるコア/シェル型のコロイド粒子である場合において、pH7近傍で良好なコロイド結晶を得るためには、コロイド粒子の焼成が有効であることがわかる。
In the case of Comparative Example 7 (FIG. 16 (a)) and Comparative Example 8 (FIG. 16 (b)), the zeta potential was almost zero near
In contrast, in Comparative Example 5 (FIG. 15A), Comparative Example 6 (FIG. 15B), and Example 3 (FIG. 15C), the zeta potential is negative near
(実施例4、比較例9、10)
コロイド粒子の規則配列状況に及ぼす第2の分散媒のpHの影響を調べるために、pHの異なる第2の分散媒にコロイド粒子を分散させ、コロイド結晶の作製を試みた。
なお、コロイド粒子には、実施例1の[2.]で得られたコロイド粒子(チタニアナノシート層が3層積層されたシリカ粒子)を用いた。また、第2の分散媒は、pH=3の塩酸水溶液(比較例9)、pH=5の塩酸水溶液(実施例4)、及び、pH=7の水(比較例10)の3種類とした。さらに、コロイド結晶の作製は、第2の分散媒の種類を変えた以外は、実施例1の[3。]と同一の手順で行った。
図17に、ガラス板上に並んだコロイド粒子のSEM写真を示す。図17より、pH=3及びpH=7の場合、いずれもコロイド粒子が規則配列していないのに対し、pH=5の場合、コロイド粒子が規則配列しているのがわかる。pH=3において規則配列しなかったのは、狭雑イオンの影響が大きいためである。また、pH=7において規則配列しなかったのは、ゼータ電位の絶対値が小さく、粒子間に十分な電気的斥力が作用しなかったためである。
(Example 4, Comparative Examples 9, 10)
In order to investigate the influence of the pH of the second dispersion medium on the regular arrangement state of the colloidal particles, the colloidal particles were dispersed in the second dispersion medium having a different pH, and an attempt was made to produce colloidal crystals.
For colloidal particles, [2. ] Was used (silica particles in which three titania nanosheet layers were laminated). In addition, the second dispersion medium includes three types of hydrochloric acid aqueous solution having pH = 3 (Comparative Example 9), hydrochloric acid aqueous solution having pH = 5 (Example 4), and water having pH = 7 (Comparative Example 10). . Furthermore, the production of colloidal crystals was performed as described in [3] of Example 1 except that the type of the second dispersion medium was changed. The same procedure was performed.
FIG. 17 shows an SEM photograph of colloidal particles arranged on the glass plate. From FIG. 17, it can be seen that colloidal particles are not regularly arranged when pH = 3 and pH = 7, whereas colloidal particles are regularly arranged when pH = 5. The reason why regular arrangement was not performed at pH = 3 is that the influence of the narrow ions is great. Further, the reason why the regular arrangement was not performed at pH = 7 is that the absolute value of the zeta potential was small and sufficient electric repulsion did not act between the particles.
(実施例5)
実施例1の[1.]及び[2.]と同一の手順に従い、チタニアナノシート層が3層、5層又は10層積層されたコロイド粒子を作製した。次いで、得られたコロイド粒子を、大気中において、450℃×1hr焼成した。さらに、第2の分散媒としてpH7の水を用いた以外は、実施例1の[3.]と同一の手順に従い、焼成されたコロイド粒子からなるコロイド結晶を作製した。
(Example 5)
[1. ] And [2. ], Colloidal particles in which three, five or ten titania nanosheet layers were laminated were prepared. Next, the obtained colloidal particles were baked at 450 ° C. for 1 hour in the air. Furthermore, [3 .. in Example 1 except that water having a pH of 7 was used as the second dispersion medium. The colloidal crystal which consists of the baked colloidal particle was produced in accordance with the same procedure as the above.
図18に、コロイド結晶のSEM写真を示す。なお、図18には、テンプレート粒子(SiO2)からなるコロイド結晶のSEM写真も併せて示した。図18より、いずれの場合も、良好なコロイド結晶が得られていることがわかる。 FIG. 18 shows an SEM photograph of the colloidal crystal. FIG. 18 also shows an SEM photograph of a colloidal crystal composed of template particles (SiO 2 ). FIG. 18 shows that good colloidal crystals are obtained in both cases.
また、各コロイド結晶の格子定数d及び有効屈折率neffを測定した。格子定数d及び有効屈折率neffは、角度分解反射スペクトル装置(相馬光学製S−2650に角度可変ユニットを設置)を用いて、入射角度θと反射ピーク波長λの関係をBraggの式λ=2d(neff 2−sin2θ)1/2に代入、フィッティングして求めた。さらに、各コロイド結晶について、分光計を用いて、その反射スペクトルを測定した。
次の表1に、各コロイド粒子の格子定数d及び有効屈折率neffを示す。また、図19に、各コロイド結晶の反射スペクトルを示す。図19より、チタニアナノシート層の層数が多くなるほど、反射スペクトルのピークが長波長側にシフトしていることがわかる。これは、チタニアナノシート層の層数が多くなるほど、格子定数dが小さくなり、かつ、有効屈折率neffが大きくなるためである。
Further, the lattice constant d and the effective refractive index n eff of each colloidal crystal were measured. The grating constant d and the effective refractive index n eff are determined using the Bragg equation λ = the relationship between the incident angle θ and the reflection peak wavelength λ using an angle-resolved reflection spectrum device (an angle variable unit is installed in S-2650 manufactured by Soma Optics). It was obtained by substituting and fitting to 2d (n eff 2 −sin 2 θ) 1/2 . Further, the reflection spectrum of each colloidal crystal was measured using a spectrometer.
Table 1 below shows the lattice constant d and effective refractive index n eff of each colloidal particle. FIG. 19 shows the reflection spectrum of each colloidal crystal. FIG. 19 shows that the peak of the reflection spectrum is shifted to the longer wavelength side as the number of titania nanosheet layers is increased. This is because as the number of titania nanosheet layers increases, the lattice constant d decreases and the effective refractive index n eff increases.
以上、本発明の実施の形態について詳細に説明したが、本発明は上記実施の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の改変が可能である。 Although the embodiments of the present invention have been described in detail above, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made without departing from the gist of the present invention.
本発明に係るコロイド結晶は、光フィルター、特定の光を反射するミラー、フォトニック結晶、光スイッチ、光センサ等に使用することができる。 The colloidal crystal according to the present invention can be used for optical filters, mirrors that reflect specific light, photonic crystals, optical switches, optical sensors, and the like.
1 コロイド粒子
11 テンプレート粒子
13a 第1の中間層
13b 第2の中間層
15 ナノシート層
DESCRIPTION OF
Claims (10)
前記第1の分散媒中において、前記テンプレート粒子の表面に形成された前記第1の中間層の表面に、前記テンプレート粒子とは異なる物質からなり、かつ、前記第1の分散媒中における電荷の正負が前記第1の中間層とは異なるシェルを積層し、コア/シェル型のコロイド粒子を作製するコーティング工程と、
前記コロイド粒子の表面電荷の絶対値がゼータ電位で15mV以上となり、かつ、pH4〜10の範囲内となるようにpHを調整した第2の分散媒中に前記コロイド粒子を分散させ、前記コロイド粒子間に作用する電気的斥力によって前記コロイド粒子を規則的に配列させる結晶化工程とを備えたコロイド結晶の製造方法。 A template particle having a particle diameter of 0.01 μm to 10 μm is dispersed in a first dispersion medium, and the first and second positive and negative charges in the first dispersion medium are different from the template particle on the surface of the template particle. A first intermediate layer forming step of forming an intermediate layer;
In the first dispersion medium, the surface of the first intermediate layer formed on the surface of the template particle is made of a substance different from the template particle, and the charge in the first dispersion medium is A coating step of stacking a shell whose positive and negative are different from those of the first intermediate layer to produce core / shell type colloidal particles;
The colloidal particles are dispersed in a second dispersion medium whose pH is adjusted so that the absolute value of the surface charge of the colloidal particles is 15 mV or more in terms of zeta potential and within the range of pH 4 to 10, and the colloidal particles And a crystallization step in which the colloidal particles are regularly arranged by an electric repulsive force acting between them.
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