☆世界を変えるか・驚異の新素材カーボンナノチューブ

 鋼鉄の数十倍の強さを持ち、いくら曲げても折れないほどしなやかで、薬品や高熱にも耐え、銀よりも電気を、ダイヤモンドよりも熱をよく伝える。コンピュータを今より数百倍高性能にし、エネルギー問題を解決する可能性まで秘めている……。そんな材料があると聞いたら、みなさんは信じられるでしょうか?その夢の新素材は日本で、ついでに言えば筆者の住むつくば市で発見されました。


 1990年のC60の大量合成法発見により、90年代初頭の科学界はフラーレンブームに沸き返っていました。これは、炭素電極をアーク放電によって蒸発させると、陽極側にたまった「すす」にC60が大量に含まれているというものです。こうして各国の研究所がフル稼動でフラーレンを生産しようと躍起になっていたころ、世界でたったひとりだけ「陰極側」のすすを観察していた人物がいました。NEC基礎研究所の、飯島澄男主席研究員(現在名城大教授兼任)がその人です。

博士がフラーレンを観察しようと陰極にたまったすすを電子顕微鏡にかけてみたところ、球状のフラーレンとは全く違う、からみ合った細長いチューブ状のものがたくさん観察されました。驚異の新素材「カーボンナノチューブ」が人類の前に初めて姿を現わした瞬間でした。

当初カーボンナノチューブは「フラーレンのちょっと変わった親戚」くらいに考えられていましたが、1996年にSmalley(フラーレンの発見者の一人、ノーベル賞受賞者)が大量合成法を発見したのをきっかけに爆発的に研究が進み、今ではフラーレン類よりも大きな注目を集める存在となっています。


 炭素の最も普通の形態であるグラファイト(鉛筆の芯に含まれる)は、蜂の巣状の平面的なシートが積み重なったものです。それに対してカーボンナノチューブは、このグラファイトのシートがチューブ状に丸まったものです。当初発見されたナノチューブは大小のチューブが入れ子のように数層重なったものでしたが、やがて1層だけのものも合成できるようになりました。ナノチューブの太さはその名の通り1nm(10億分の1メートル)前後、長さはその数千倍に達します。

グラファイト(上)とカーボンナノチューブ(下)

 ベンゼン環などの六角形を作る炭素(専門的にはsp2炭素といいます)同士の結合は、ありとあらゆる原子結合の中でも最も強いといわれます。カーボンナノチューブは全体がこの最強の結合でできていますから、極めて曲げや引っぱりに強く、かつ多くの薬品とも反応せず非常に安定なのです。またナノチューブは、このsp2炭素のおかげで電子材料としても非常に優れた特性を持っています。ナノチューブはなんと電気をよく通す良導体にも、また半導体にもなりうるのです。

先に、ナノチューブは六角形の蜂の巣状のシートを丸めたような形態といいましたが、この丸め方も端と端をまっすぐくっつける丸め方と、上下のずれた、らせん状にねじれたような丸め方とが考えられます。このねじれ具合とチューブの径の太さによって、そのナノチューブが半導体になるか良導体になるかが決まります。

 

ねじれ構造のカーボンナノチューブ(上)と、その内部(下)。

 半導体のナノチューブは次項で述べる通りコンピュータの素子として大きな可能性が考えられますし、良導体の方も金属の電線などを上回る性質が期待されます。例えば、一般的な銅線では1平方センチあたり100万アンペアほどの電流を流すと焼き切れてしまいますが、安定かつ丈夫なナノチューブは10億アンペアを流すことができます。こうしたことから、「人類は今後何万年かかっても、カーボンナノチューブ以上の素材を作り出すことはできないだろう」と言う人までいるほどです。


 上のグラフィックではナノチューブの両端は開けっ放しになっていますが、実際にはどうなっているのでしょうか?電子顕微鏡での観察の結果などから、両端にはフラーレンを半分に切ったような半球が「キャップ」としてかぶさっていると考えられています。

キャップ部分拡大。黄緑色が5員環。

 このように、6員環だけだとまっすぐなチューブになりますが、そこに5員環を取り込むと丸くドーム状になり、管が閉じることがわかります。では7員環が入るとどうなるでしょうか?

7員環入りナノチューブ(左)と拡大図(右)

 ご覧の通り、7員環はチューブの径を拡げる働きを持ちます。5員環と組み合わせれば、太さの違うチューブをなめらかにつなぎ合わせることができるようになります(このようなナノチューブも実際に見つかってきています)。またさらに8員環を導入すれば、枝分かれのある構造なども作り出せるようになると考えられます。

枝分かれナノチューブの模型。

今のところカーボンナノチューブの詳しい生成機構はよくわかっていません。そのため現在のレベルではチューブの太さや長さをある程度調節できる程度で、こうした自由な形のナノチューブを制御して作り出すには至っていません。しかしこうした技術が確立してくれば、後述する電子的性質と組み合わせていろいろな応用が考えられそうです。それこそ原子そのものを素材にした彫刻さえ可能かも知れません。

 こうした素晴らしいナノチューブの特性を生かし、驚くほどたくさんの応用が考えられ、いくつかはすでに実用化に向けて動き出しています。これらについては項を改めてお話したいと思います。

 

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