カーボンナノチューブ材料：無限の可能性を秘めた新素材

この投稿は Little Raccoon によって 2017-4-23 18:40 に最後に編集されました。

カーボンナノチューブ <br /> カーボンナノチューブ（CNT）は、1 層以上のグラファイトを特定の方法で巻き上げて管状の構造を形成するナノ材料です。1991 年 1 月に日本電気つくば研究所の物理学者、飯島澄男氏によって発見されました。本体は六角形の炭素リングで構成されており、単層のグラファイト六角網がカールして形成されたシームレスな中空チューブと言えます。

現在産業界で一般的に使用されている強化繊維の中で、その強度を左右する重要な要素はアスペクト比、つまり長さと直径の比です。一般的に、材料技術者は少なくとも20:1のアスペクト比を達成することを望んでいますが、カーボンナノチューブのアスペクト比は通常1000:1を超えています。カーボンナノチューブを組み合わせると、強度は同じ体積の鋼鉄の100倍になり、質量は鋼鉄のわずか1/6になります。そのため、「超強力繊維」と呼ばれています。

カーボンナノチューブは炭素繊維本来の特性を備えた優れた繊維材料であり、その強度と靭性は他の繊維材料よりもはるかに優れています。カーボンナノチューブの円筒状の炭素分子は、熱伝導性、機械的特性、電気的特性に優れており、金属と半導体の両方の性質を持っていると言えます。これにより、ナノテクノロジー、半導体、エレクトロニクス、光学、材料科学の分野で大きな可能性が生まれます。

カーボンナノチューブの炭素分子

カーボンナノチューブは、グラファイト層の数に応じて、単層カーボンナノチューブ (SWCNT) と多層カーボンナノチューブ (MWCNT) に分けられます。単層カーボンナノチューブは引張強度が高く、伸び率は最大20％です。圧力が加わっても折れることなく、ねじれたような形状に曲がります。外力が解放されると、カーボンナノチューブは元の形状に戻ります。

単層カーボンナノチューブ（左）と多層カーボンナノチューブ（右）

研究によると、ABS 素材に 2.5% のカーボンナノチューブを加えると、新しいタイプの多層カーボンナノチューブフィラメントが形成され、印刷された物体は従来の ABS 素材よりも強度が増すことがわかりました。たとえば、ESD カーボンナノチューブフィラメントは、多層カーボンナノチューブを混合した 100% 純粋な ABS 樹脂で作られています。 ESD カーボンナノチューブフィラメントにポリマーをドープすると、優れた導電性を備えた新しいタイプの複合材料を形成できます。この材料をベースにした 3D プリント製品は、電子機器、通信機器、医療機器、軍事産業、航空宇宙などの分野で広く使用されています。
カーボンナノチューブ複合材料から作られた 3D プリントフィラメント (画像提供: Avante)

カーボンナノチューブセンサー (CNS) は、さまざまなインタラクティブデバイスなど、多くの小型電子製品に統合できる非常に便利な電子部品です。しかし、現状では、コストが高い（特に大量生産の場合）、硬い表面でしか生成できない、小さな物体に埋め込むのが難しいなど、多くの欠点があり、その適用範囲は大きく制限されています。 2016年、エルサレムのヘブライ大学の科学者たちは、インクジェット3Dプリント技術を使用してカーボンナノチューブセンサー（CNS）の製造に成功しました。材料とスペースの利用率が高いため、コストは現在の他の方法よりも大幅に低くなります。
インクジェット3Dプリント技術を使用してCNSを作製することに成功

この新しい方法は室温で実行できるだけでなく、柔軟性もあり、CNS 製造の鍵となる柔軟な表面にカーボンナノチューブを簡単に印刷できます。 CNS はさまざまな機械部品に組み込むことができ、部品自体の状態を感知する能力を与えることができます。これは、インタラクティブな電子製品や検出器 (放射線検出器など) にとって非常に重要です。研究者らはそれ以上の情報は明かさなかったが、この方法は簡単に拡大でき、車や建物など、あらゆる柔軟な表面に使用できると述べた。

カーボンナノチューブの用途
1.集積回路
2005年に国際半導体技術ロードマップ委員会は、シリコンベースのCMOS技術が2020年頃に性能限界に達することを初めて明確に指摘し、ポストムーア時代の集積回路技術の研究がますます緊急性を増していることを意味しています。従来のシリコンウエハーをカーボンナノチューブ材料に置き換えることが一つの解決策です。 2011 年 12 月中旬の IEE 電子デバイス会議で、IBM の科学者は世界初となる 10 ナノメートル未満のトランジスタを世界に披露し、2012 年 1 月に具体的なサイズが 9 ナノメートルであることを発表しました。

IBM は、現在のシリコントランジスタとは異なり、カーボンナノチューブ材料を使用し、1 つのチップ上に数万個のトランジスタを統合することに成功しました。従来のシリコン材料と比較するとトランジスタの数にはまだ差がありますが、サイズが小さく、重量が軽いという利点は明らかです。

2016年11月、IBMはカーボンナノチューブ製造技術を発表しました。この技術は、これまでで最も強力なマイクロチップを開発できる可能性があり、注射可能なマイクロチップや折りたたみ式コンピューターへの道を開くことになる。

カーボンナノチューブをベースにした集積回路

2. ストレージ/ハードディスク既存のコンピュータでは、停電後に保存されていないコンテンツが失われ、ハードディスクの読み取り速度が遅すぎます。将来的には、カーボンナノチューブをベースにしたメモリがこの問題を解決するでしょう。巨大なストレージ容量、高速な読み書き速度（通常のフラッシュメモリの1,000倍）、コンテンツ損失がないだけでなく、消費電力が低く、信頼性と耐久性が高く、製造コストも低く抑えられます。

3. バッテリー現在のバッテリー配合には、最大 96% ～ 98% の活性物質が含まれています。したがって、カーボンナノチューブ技術を通じて活物質を改良し、バッテリーのエネルギー密度を高めることが可能になります。

最近最も注目されているのは、特殊な導電性添加剤である単層カーボンナノチューブ (SWC-NT) です。低濃度でも導電性ネットワークを形成し、わずか0.001%の濃度で導電性を高めることができ、今後5～10年で既存のバッテリーのエネルギー密度を60%向上させる可能性を秘めています。

4.医学

オックスフォード大学の研究チームは初めて、X線蛍光分光法（XRF）の造影剤を人間の髪の毛の5万分の1の細さのカーボンナノチューブに封入し、画像化することに成功した。

造影剤は、介入放射線学でよく使用される薬剤の 1 つです。通常、造影剤は放射線形成を高めるために人体の組織や臓器に注入されます。造影剤のほとんどは非生物学的化学物質であるため、人体に有害です。カーボンナノチューブ技術を使用した造影剤は人体に害を及ぼすことがなくなり、画像もより鮮明になります。

5. バイオセンサー

MITのエンジニアたちは、個々の細胞から分泌される個々のタンパク質分子を検出できる新しいセンサーを初めて設計した。

センサーは、レーザー光が照射されると自然に蛍光を発する化学的に修飾されたカーボンナノチューブで構成されています。

研究者たちは、特定の標的に結合できる DNA、タンパク質、またはその他の分子でカーボンナノチューブをコーティングします。これらの分子が標的に結合すると、カーボンナノチューブの蛍光の変化が観察されます。
黄色の捕捉剤で処理されたカーボンナノチューブは、紫色の標的タンパク質に結合して検出することができます。これにより、ナノチューブの抵抗が変化し、感知デバイスが作成されます。 (画像提供: オレゴン州立大学)

6. ナノロボット

カーボンナノチューブは非常に小さいため、医師は心臓病を治療するためにカーボンナノチューブロボットを人間の血液に注入することができます。

こうしたロボット 100 万台を 1 本の注射器に収めることができます。動脈血管の壁に沈着したコレステロールやウイルスなどのターゲットを自動的に識別し、分解または破壊して老廃物に変え、腎臓から排出することで治癒の役割を果たします。

7. 導電性プラスチックカーボンナノチューブをプラスチックに均一に拡散させることで、強度と導電性を高めた材料が得られます。

この技術は静電噴霧や静電気除去材料などの分野で応用でき、この材料を採用することで、高級自動車用プラスチック部品は、元のエンジニアリングプラスチックを通常のプラスチックに置き換えることができ、製造工程が簡素化され、コストが削減され、より複雑な形状、より高い強度、より美しい表面を持つプラスチック部品が得られます。

8. 電磁干渉シールド、ステルス材料カーボンナノチューブは、レーダーに対するステルス性を実現できる航空機表面用の複合材料の製造に使用できます。原理は、レーダー波を吸収することで雷による被害を軽減し、装置をスムーズに通過させることができるというものです。

翼、胴体、舵などの部品の製造にも使用できます。さらに、耐高温性、高耐熱性、難燃性を備えているため、高速ミサイルの表面材料に最適です。
カーボンナノチューブで作られたステルス機の表面素材

イノベーションもまた大きな抵抗に直面するだろう。材料科学企業は業界からの支援を得るのが難しいため、事業拡大が困難です。新しい材料は、特定の用途が見つかるまで、または市場がまだ開発されるまで、大量生産できないことがよくあります。例えば、カーボンナノチューブは非常に高価であり、普及させるのが困難です。用途の拡大と生産能力の増大のバランスを見つけることは、材料科学が直面している大きな課題です。
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