ガラス状炭素

ガラス状炭素 (Glassy carbon)とは

ガラス状炭素は、その名の通りガラスのような特性と、セラミックのような特性を併せ持つユニークな炭素材料です。黒鉛化しない非晶質の炭素であり、その特異な構造と物性から、様々な分野で注目されています。

主な特徴

高い温度抵抗: 高温環境下でも安定した性能を維持します。
高い硬度: モース硬度7と非常に硬く、耐摩耗性に優れています。
低い密度: 軽量であり、取り扱いが容易です。
低い電気抵抗: 電気伝導性があり、電極材料として利用できます。
低い摩擦係数: 摩擦による損失を低減できます。
低い熱抵抗: 熱による影響を受けにくいです。
高い化学的安定性: 酸やアルカリなどの腐食性物質に強く、化学反応を起こしにくいです。
気体・液体の不浸透性: ガスや液体を通さず、密閉性を保てます。

用途

これらの優れた特性から、ガラス状炭素は様々な用途で利用されています。

電極材料: 電気化学分析や電池の電極として使用されています。
るつぼ: 高温での実験や材料合成に用いられます。
人工装具: 生体適合性が高いため、医療分野での利用も進んでいます。
その他: 半導体製造装置部品、センサー、高温炉部品など、幅広い分野で活躍しています。

歴史

ガラス状炭素は、1950年代にイギリスのカーボランダム社の研究者、バーナード・レッドファーンによって偶然発見されました。彼は、加熱炉内でセロハンテープが不活性ガス中で加熱された後も構造を維持していることに気づき、そこからガラス状炭素の研究が始まりました。

1960年代には、イギリスとアメリカで特許が取得されましたが、当初は核爆発兵器の素材としての研究が進められ、一部の特許は国家安全保障の観点から取り消されました。しかし、その後、ガラス状炭素の優れた特性が評価され、様々な分野での応用研究が進められました。

2011年には、高圧下で製造された新しいタイプのガラス状炭素が開発され、ダイヤモンドと同等の硬度を持ちながら、構造は非晶質で等方性であることが示されました。現在も、ガラス状炭素の構造や物性に関する研究は続けられています。

構造

ガラス状炭素の構造は、長年にわたり議論されてきました。初期のモデルでは、sp2結合とsp3結合の両方の炭素が存在すると考えられていましたが、現在の研究では、ガラス状炭素内の炭素はすべてsp2結合であることがわかっています。しかし、最近の研究では、ガラス状炭素はフラーレンのような構造を持つという説も出てきています。

ガラス状炭素は非晶質炭素と混同されることがありますが、IUPAC（国際純正・応用化学連合）は、「ガラス状炭素は、二次元構造で構成され、ダングリングボンドを持たないため、非晶質炭素とは異なる」と定義しています。また、ガラス状炭素は、貝殻状の割れ口を持つことも特徴です。

電気化学的性質

ガラス状炭素電極は、水溶液中でヒドロニウムイオンの還元に対して不活性な電極として機能します。この反応は、以下の式で表されます。

H3O⁺(aq) + e⁻ ⇌ H•(aq)

この反応の標準電極電位は、25℃で-2.10V（対標準水素電極）です。

一方、白金電極では、以下の反応が起こります。

H3O⁺(aq) + Pt(s) + e⁻ ⇌ Pt:H(s)

この反応の標準電極電位は、25℃で0.000V（対標準水素電極）です。

この約2.1Vの差は、Pt-H結合が共有結合であり、安定化される白金の特性に起因します。

まとめ

ガラス状炭素は、そのユニークな特性から、様々な分野での応用が期待される注目の材料です。今後の研究開発によって、さらに幅広い分野での活用が期待されます。

出典

* 外部リンク
HTW, supplier's website, for Glassy Carbon SIGRADUR

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