炭素(C)同素体新材料が活躍する近未来

元はラテン語で消し炭のスミの意である carbonカーボン) はカーボン紙のカーボンですし 近頃はコンピュータ化が進んで電子メールでは C.C.(カーボンコピー)などと意味が時代に合わせて転化する如く 人類に実に馴染み深い元素の一つで、 元素記号はCarbonの頭文字からCで表されるのはお馴染みの 炭素 であり、中学校で基本的知識として教えられ、よく周知されてもいる処です。

この炭素に於いて20世紀の後半から様々な発見がされ、 人類の近未来に実に重要な役割を果たそうとしています[※1]

炭素同素体は大凡以下のように分類できるでしょう。

名称発見年形状
備考
フラーレン(C601985年球状
炭素原子60個で構成されるサッカーボール状の構造、更に原子数の多いフラーレンも存在する
グラフェン1987年板状
グラファイトを構成する1層として古くから概念上は知られていたものが1987年に用語として登場
カーボンナノチューブ1991年チューブ状
発見者飯島澄夫氏、フラーレンの一種に分類されることがある
グラファイト(黒鉛)-板状
共有結合結晶、原子一個分しかない単一層のグラフェンが弱いファンデルワールス力で結合し多層化したもの
ダイヤモンド--
共有結合結晶、結晶構造は多くが8面体で、12面体や6面体もある天然で最も硬い物質

上表に於いて発見年を見れば上部3社はかなりその年代が新しいものであることが分かります。 人類が手にしてまだそれほど馴染みのない材料である訳です。 これ等の応用研究が進む中に、 更に炭素の新材料がその特徴も鮮明なものとして発見されるに至った[※1] のです。 その代表的なもの2つの特徴を挙げれば以下となります。

  • 硬い
  • 軽い

硬いものはカーネギー研究所の研究チームが発見した ダイヤモンドに傷を付けられるほど硬い炭素材料でまだ正式名称はないようです。 人工ダイヤモンド合成の新手法を開発している同チームならではの発見と言えます。 フラーレンC60と、有機溶媒であるm-キシレンを混合して 高圧化に置いて生成せられるものだそうで、 その硬さはダイヤモンドにキズを付けられる程だそうです。

そして軽いものは エアログラファイトAerographite) と呼ばれる新材料で、テトラポッド構造を取ったカーボンチューブからなる3次元多孔質素材です。 その重さは驚きの発泡スチロールの1/75しかないにも関わらず機械的強度を持つと言います。

エアログラファイトの先ず考えられる利用法は電池だそうで、 その軽さを活かせば重く煩わしいモバイルバッテリーなどにどれほど役立ってくれるでしょうか。 またその導電性と軽さを応用すれば 静電気レスプラスチック も可能だそうでこれが実現されれば乾燥した冬にも嫌な思いをしなくて済みそうです。 更には撥水性が高いことも確認されており素人でも応用の夢は広がりますね。

人類が古くから親しんできた炭が今尚最新のものとして応用が研究され、 近未来に大いに役に立ってくれそうなのには期待で胸が膨らみます。

追記 (2012年10月30日)
本記事に挙げる炭素同素体新材料の一つである カーボンナノチューブ について半導体素材の面から取り上げた記事 カーボンナノチューブ~近未来の半導体素材の代表 を配信しました。

追記 (2013年1月10日)
東北大学のCNTベアリング研究開発について 精密構造設計と量産を同時に実現する東北大学開発のカーボンナノチューブベアリング を配信しました。

追記 (2018年3月8日)
2012年10月30日配信の記事 カーボンナノチューブ~近未来の半導体素材の代表 にカーボンナノチューブを使用した不揮発性メモリであるNRAMの商品化について追記しました。

参考URL(※)
  1. ダイヤよりも硬く、羽毛よりも軽く――炭素が開く新材料(EE Times Japan:2012年8月31日)
  2. フラーレン(Wikipedia)
  3. グラファイト(Wikipedia)
  4. カーボンナノチューブ(Wikipedia)
  5. ダイヤモンド(Wikipedia)
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