カーボンナノチューブ

カーボンナノチューブ：驚異のナノマテリアル

カーボンナノチューブ（CNT）は、炭素原子が六角形ネットワーク状に結合し、円筒状に配列した物質です。その直径はわずか数ナノメートルと極めて細く、軽くて柔軟な性質を持ちます。シングルウォールナノチューブ（SWNT）とマルチウォールナノチューブ（MWNT）の2種類があり、MWNTはSWNTが同軸状に複数層になった構造をしています。特に2層のものはダブルウォールナノチューブ（DWNT）と呼ばれます。

CNTの優れた特性

CNTは、その微細な構造から、非常に高い導電性、熱伝導性、機械的強度を示します。一般的な樹脂やゴムなどの材料にCNTを添加することで、それらの材料に熱や電気を伝導させる機能を持たせることができます。また、長尺のCNTは少量でも高い導電性と熱伝導性、強度を発揮します。

CNTの構造

CNTの基本構造は、グラフェンシート（グラファイトの単原子層）を丸めて円筒状にしたものです。両端はフラーレン状に閉じられている場合が多く、5員環を必ず6個ずつ持ちます。5員環の数が少ないため、有機溶媒には溶けにくい性質があります。7員環や8員環が含まれると、チューブの太さや形状が変化し、枝分かれ構造も形成されます。筒状の構造のため、内部に様々な物質を取り込むことも可能です。

CNTの構造は、カイラル指数(n,m)で表されます。これはグラフェンシートの六角形の向きを示すベクトルで、この指数によってチューブの直径や螺旋構造（カイラリティ）が決まります。(n,n)はアームチェア型、(n,0)はジグザグ型、その他はカイラル型と呼ばれます。SWNTでは、カイラル指数によって金属型と半導体型の2種類が存在します。n-mが3の倍数の場合は金属型、そうでない場合は半導体型の特性を示します。

CNTの応用

CNTの優れた特性は、様々な分野での応用を可能にしています。

エレクトロニクス:

半導体: シリコンに代わる次世代半導体材料として期待されています。高い電流密度耐性、熱伝導性、機械的強度を活かし、集積回路などへの応用が期待されています。SWNTの金属型と半導体型の分離技術も開発され、半導体型CNTはトランジスタのチャンネルとして利用できる可能性があります。
燃料電池: 高い導電性と比表面積を活かし、燃料電池の電極材料として利用が研究されています。中空構造により様々な分子を内包できるため、ペーパーバッテリーなども考えられています。
光学機器: 電場をかけると電子を放出するため、FED（電界放出ディスプレイ）、平面蛍光管などのカソード材料としての応用が期待されます。また、X線発生源としての研究も行われています。CNT黒体は、反射率が極めて低く、高性能な黒体として利用できます。
ナノデバイス: 原子間力顕微鏡の探針やナノピンセットなど、ナノスケールのデバイスにも応用可能です。

構造材料:

高強度材料: アルミニウムより軽く、鋼鉄より強いという優れた機械的特性を持ちます。特に繊維方向の引っ張り強度はダイヤモンドを凌駕するとも言われています。軌道エレベータのロープ素材への応用が期待されています。CNT繊維を用いた複合材料は、航空機、宇宙船、自動車などの軽量化、高強度化に貢献すると考えられています。また、スポーツ用品などにも利用され始めています。
特殊機能材料: 極めて高い温度範囲で粘弾性を示し、繰り返し変形を与えても劣化しないCNTも発見されています。

CNTの製造方法

CNTの製造方法は、アーク放電法、レーザーアブレーション法、CVD法などがあります。

アーク放電法: 黒鉛電極をアーク放電によって蒸発させることで、MWNTを得ます。SWNTを得るには、金属触媒を含む電極を用います。
レーザーアブレーション法: 金属触媒を含む黒鉛にレーザーを照射することで、高純度のSWNTを得ます。大量合成には不向きです。
CVD法: 触媒金属のナノ粒子と炭化水素を熱分解することでCNTを得ます。大規模生産に適した方法です。このCVD法には様々な改良法があり、スーパーグロースCVD法は、高効率・高純度のCNTを大量に合成できる革新的な手法です。
その他: DIPS法、CoMoCAT法、HiPCO法など、様々な改良型CVD法が開発されています。

CNTの安全性

CNTは、アスベストと同様に、吸入すると肺に炎症を引き起こし、発がん性を持つ可能性が指摘されています。そのため、取り扱いには十分な注意が必要です。日本でも、労働安全衛生法に基づく規制が検討されています。

まとめ

CNTは、その優れた特性と多様な応用可能性から、材料科学分野で大きな注目を集める物質です。しかし、安全性に関する課題も存在するため、安全な取り扱いとリスク管理が重要です。今後の研究開発により、CNTの更なる可能性が拓かれると期待されます。

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