カーボンナノチューブ
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カーボンナノチューブ（carbon nanotube、略称CNT）は、炭素によって作られる六員環ネットワーク（グラフェンシート）が単層あるいは多層の同軸管状になった物質。炭素の同素体で、フラーレンの一種に分類されることもある。
単層のものをシングルウォールナノチューブ (SWNT)、複層のものをマルチウォールナノチューブ (MWNT) という。特に二層のものはダブルウォールナノチューブ (DWNT) とも呼ばれる。
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[編集] 性質
- 一様な平面のグラファイト（グラフェンシート）を丸めて円筒状にしたような構造をしており、両端はフラーレンの半球のような構造で閉じられており5員環を必ず6個ずつ持つ。
- 構造（6員環の配列や直径など）によってバンド構造が変化し電気伝導率やバンドギャップなどが変わるため、シリコン以後の半導体の素材としても期待されている。
- 内部に筒状の中空空間を有しているため、様々な分子を内包させることが期待されている。燃料電池の電極などとして注目されている。
- アルミニウムの半分という軽さ、鋼鉄の20倍の強度（特に繊維方向の引っ張り強度ではダイヤモンドすら凌駕する）と非常にしなやかな弾性力を持つため、将来軌道エレベータ（宇宙エレベータ）を建造するときにロープの素材に使うことができるのではないかと期待されている。
- 2008年時点ではバッキーペーパーと呼ばれるシートの作成に成功している。
- ナノチューブ繊維をスーパーグロースCVD法を用いてブラシ状に構造化する事で反射率0.045%という世界で最も優れた灰色体を作り出す事ができる。この物質はカーボンナノチューブ黒体と呼ばれている。[4]
- 微細繊維の形をとる場合があるため、アスベスト状の毒性を示す可能性があると指摘されている。
- ナノオーダーの1次元的物質故、原子間力顕微鏡の探針やナノピンセットなどにも応用が期待される。
この他にも色々な性質を秘めているのではないかと期待され、さらなる利用価値を探して世界中で研究が進められている。
単一の構造（カイラリティー[5]）を持ったナノチューブだけでは作製できていないため、現在では、CNTを数本並べて高電圧を印加することで、導電性のCNTを焼き切るという方法をとって、半導体デバイスとして利用している。また、過酸化水素中で環流させると半導体チューブは酸化され金属チューブのみに精製される。半導体デバイスや配線材料に利用するためには作製方法のブレイクスルーが必要であろう。遠心分離などを使い比重の違いから分離が可能ではある。
近年は健康被害の可能性が取りざたされている。（詳細は以下、別項目に記す）
[編集] カーボンナノチューブの発見
1991年、日本の飯島澄男（当時NEC筑波研究所。現NEC特別主席研究員、産業技術総合研究所ナノチューブ応用研究センターセンター長、名城大学大学院理工学研究科教授）によって、フラーレンを作っている途中にアーク放電した炭素電極の陰極側の堆積物中から発見された[6]。この発見は幸運だけでなく、高度な電子顕微鏡技術も大きな役割を果たしていた。また、電子顕微鏡で観察・発見したというだけでなく、電子線回折像からナノチューブ構造を正確に解明した点に大きな功績が認められている。このときのCNTは多層CNT (MWNT) であった。この業績から飯島はノーベル賞候補のひとりと言われている[7]
[編集] 作製方法
[編集] アーク法
- 黒鉛電極をアーク放電で蒸発させた際に陰極堆積物の中にMWNTが含まれる。その際の雰囲気ガスはHeやAr、CH4、H2などである。
- 金属触媒を含む炭素電極をアーク放電で蒸発させるとSWNTが得られる。金属はNiやCo、Y、Feなどである。
[編集] フィジカルバイブレーション法
- アーク放電法の正負電極に微振動を連続して加えることにより、ナノチューブの純度および単位時間当たりの生成量を飛躍的に高めることが可能である。2009年3月4日（日刊工業新聞1面）
[編集] レーザーアブレーション法
- Ni-Co、Pd-Rdなどの金属触媒を混ぜた黒鉛にYAGレーザーを当て蒸発させ、Arの気流で1200℃程度の電気炉に送り出すと炉の壁面に付着したSWNTが得られる。
- 高純度なSWNTが得られるが、大量合成には向かない。触媒の種類と炉の温度を変えることで直径を制御できる。
[編集] CVD法
[編集] HiPCO法
- High Pressure Carbon monooxideの略。CVD法の一種で触媒にペンタカルボニル鉄 (Fe(CO)5) を用い、一酸化炭素を高圧で熱分解することにより高純度で比較的小さな直径（1nm前後）のSWNTを得る。
- Carbon Nanotechnologies Inc.[1]より市販されており、日本では住友商事を通して購入できる。
- ナノチューブの物性研究にとってスタンダードな試料。
[編集] スーパーグロースCVD法
産業技術総合研究所ナノカーボン研究センター[2]において、畠賢治らによりスーパーグロースCVD法が発表された。CVD法の一種である本法は高効率、高純度な単層ナノチューブを得ることができる。その効率は2000倍といわれ、純度等の問題も併せて量産が難しかったナノチューブの量産を実現する技術とされる。また、この技術を用いると、その配向性の高さから、花びらのような構造体を成長させることも可能である。この方法で合成されたカーボンナノチューブは、基板の上に貝割れ大根のように上向きに密集して成長する。また同研究センターは2006年11月に、単層カーボンナノチューブの優れた物理・化学特性を保持したまま配向高密度化した固体の開発に成功した、とプレス発表した。
[編集] 健康被害を及ぼす恐れ
- 日本トキシコロジー学会が発行する『ジャーナル・オブ・トキシコロジカル・サイエンス』（2008年2月号）において、がん抑制遺伝子欠損マウスによる実験で発癌性がある可能性が報告されており、健康影響に関する研究、予防的曝露防止対策等に関する検討を推進すること、さらに安全対策が早急に図られるよう国に対して提案要求がされた[8]。
- カーボン・ナノチューブ技術を用いた製品は、アスベストに似た健康被害を及ぼす可能性があることが2008年5月21日、英科学専門誌「Nature Nanotechnology」に掲載された論文により明らかとなった。この研究発表を行ったのはエジンバラ大学（University of Edinburgh）のケネス・ノナルドソン（Kenneth Donaldson）教授を中心とする研究グループ。研究グループによるとナノチューブ一般、特に、カーボン・ナノチューブ技術を用いた素材はアスベストに似た健康被害を及ぼし、肺癌などを誘発する危険性が高いと論じている[9]。
[編集] カーボン以外のナノチューブ
カーボンナノチューブ以外にも、他の物質によって作られたナノチューブが多数発見されている。代表的な物質には、炭素と性質が似た元素であるケイ素 (Si) や、グラファイトと同様の層状構造を取るBN、BC2N、MS2（MはMo、W、Nbなどの金属）がある[10] 。
[編集] 脚注
- ^ 栗野祐二『応用物理』2004年9月、 73、1212 。
- ^ 栗野祐二「カーボンナノチューブのLSIデバイスへの応用」『応用物理』2007年10月、76、1112。
- ^ プレス・リリース
- ^ 産業技術総合研究所ナノチューブ応用研究センター、カーボンナノチューブ黒体
- ^ 正しく読めばキラリティーであるがこう呼ぶのが慣例
- ^ S.Iijima, Nature 318, 162 (1991).
- ^ トムソンサイエンティフィックが発表する2007年ノーベル賞の有力候補者に選ばれている
- ^ カーボンナノチューブ等に関する安全対策について（提案要求）平成20年2月22日19福保健健第1470号 東京都福祉保健局
- ^ ナノチューブはアスベストに似た健康被害を及ぼす恐れ、ネイチャーに研究発表
- ^ 伊達宗行『新しい物性物理』講談社〈ブルーバックス〉、2005年、236頁。
[編集] 関連項目
- 炭素の他の同素体:グラファイト - フラーレン - ダイヤモンド - カーボンナノホーン - - ナノグラフェン - グラフェンナノリボン - ナノカーボン
- カーボンナノファイバー
- ナノテクノロジー
- カーボンナノチューブ黒体
- バッキーペーパー
- 飯島澄男
- 片浦弘道
- 軌道エレベータ
- 畠賢治
- 斉藤理一郎
- 遠藤守信
- リチャード・スモーリー
