グラフェンとは
グラフェン (英語: graphene) とは、炭素原子のみからなるシート状の物質です。
炭素原子が互いに結合することで六角形のハニカム構造を作り、それが二次元状に広がった構造を形成しています。高さ方向には秩序を持っていませんので、炭素原子1個分の厚みしかありません。そのため、非常に薄く透明な性質を持っています。
グラフェンの使用用途
グラフェンは、透明性や熱電伝導性、電気伝導性に優れるため、幅広い分野で使用されています。
1. エレクトロニクス
グラフェンは非常に薄く、透明な性質を持っているので、ディスプレイ用途に応用されています。また、グラフェンは、常温での電子の移動速度があらゆる物質の中で最も速いです。そのため、透明なタッチパネルや導電性フィルム、太陽電池などへの応用も期待されています。さらに、耐薬品性や耐熱性も有しているので、シリコンなどの代替品として注目されています。
2. 繊維
グラフェン自体を繊維状に加工することは難しいですが、グラフェンを含有する繊維については開発が進んでいます。グラフェンを配合した繊維は、グラフェンと同様の機能を有しているので、新規材料として様々な業界で期待されています。特に服飾業界では、服に求められる機能をグラフェンが充分満たしており、注目を集めています。
グラフェンの原理
グラフェンは、炭素原子の2pz軌道を占有する電子が平面内を自由に運動するため、導電性を示します。炭素原子はそれぞれ4個の価電子を持っています。その内の3つの価電子はsp2混成軌道 (シート方向の軌道) に分布しており、残りの1つは2pz軌道 (シートに垂直な方向の軌道) に分布しています。
2pz軌道を占有する価電子は自由電子となって、グラフェン内を自由に運動することが可能です。そのため、グラフェンは優れた導電性を持っています。
グラフェンのその他情報
1. グラフェンの作り方
グラフェンは、2010年のノーベル物理学賞を受賞した研究テーマで取り上げられた物質で、炭素原子が積層したグラファイト (黒鉛) にテープを貼り付けた後、それをはがしてテープ表面にくっついたグラフェンを採取するという簡単な手法で作ることができます。
* Andre GeimとKonstantin Novoselovが2010年にグラフェンについての実績が評価されノーベル賞を受賞しました。https://www.nobelprize.org/prizes/physics/2010/press-release/
前者の物理的な作り方と違って、化学的に作る方法にCVD (chemical vapor deposition) 法があります。メタン・水素・アルゴンのガスを入れ、加熱した基板上でガスの化学反応によりグラフェンを作ることが可能です。
2. グラフェンの価格
グラフェンの価格は、グラフェンの層数、大きさ、重量、基板の種類などで多少変化します。グラフェンは単層膜や多層膜、粉末の状態で販売されています。膜の場合、基本的には他の金属を基板として、その上にグラフェンが積層した状態です。
基板としては、銅箔などの金属製基板、二酸化ケイ素、石英などの無機材料製基板、PET (ポリエチレンテレフタレート) やPVC (ポリビニルセルロース) などの高分子材料製基板などがあります。
使用用途に合わせて基板を選択します。石英などの基板上のグラフェンは、いったん銅基板上で作製したグラフェンを転写して作製しているため、転写材などの不純物がある場合があります。アセトン等の有機溶媒による洗浄や加熱により不純物を取り除くことができます。
膜の場合は、小さいサイズでは数万円前後で購入可能なものが多いです。例えば、1cm×1cmの大きさで約30,000円 (2021年2月時点の価格) で市販されています。サイズが大きくなるにつれて価格も上昇し、大きさによっては数十万円するものもあります。
粉末状のグラファイトも販売されていますが、こちらも数百mgあたり数万円で入手可能です。同じグラフェンでも欠陥の度合いはメーカーによって異なります。欠陥の度合いの簡易的な評価は、ラマン分光スペクトルから評価することができます。
参考文献
https://www.chart.co.jp/subject/rika/scnet/42/sc42-2.pdf
https://repository.kulib.kyoto-u.ac.jp/dspace/bitstream/2433/193748/1/chem.40017430637.pdf
https://www.sbj.or.jp/wp-content/uploads/file/sbj/9503/9503_biomedia_2.pdf
https://ameblo.jp/uni-con/entry-10853466996.html
https://www.makuake.com/project/aiigoodmask/
https://atr-atr.co.jp/products/nanotech/graphene/
https://www.nobelprize.org/prizes/physics/2010/press-release/