ナノチューブとは
ナノチューブとは、筒状構造の微細な物質のことです。
筒の大きさがナノメートルスケールなのでナノチューブと呼ばれています。一般的には、炭素で構成されたカーボンナノチューブを指します。
カーボンナノチューブは、1991年に飯島澄男博士 (現名城大学終身教授) により発見され、ベンゼン環を隙間なく敷き詰めたシートを円筒状に丸めた形をしています。この筒の中にはさらに細いチューブを入れ込むことが可能で、1層のものを単層ナノチューブ (SWNT: single-walled carbon nanotube) 、複数層状に重なっているものを多層ナノチューブ (MWNT: multi-walled carbon nanotube) と呼びます。
ナノチューブの使用用途
カーボンナノチューブは、ナノテクノロジーの分野で使用されることが多いです。導電率、アスペクト比が高いため、導電性チューブのネットワークを形成することができます。
また、その強固な化学結合からポリマーと一緒に使用すると、機械的強度を向上させることが可能で、熱伝導材料としても非常に優秀です。電子的、機械的特性を生かし、ナノテクノロジーの基盤となる素材として広い分野での利用が期待されています。製品への応用が始まっているものとして、テニスラケットや自転車のフレーム、スピーカーやヘッドフォンや電線等が挙げられます。
ナノチューブの原理
カーボンナノチューブは化学的に非常に安定した物質であり、密度がアルミニウムの約半分と非常に軽いです。それにも関わらず強度は鋼の20倍、電流密度耐性は銅の1,000倍以上、銅よりも高い熱伝導性を備えています。
1. 単層カーボンナノチューブ (SWNT: multi-walled carbon nanotube)
単層カーボンナノチューブ (SWNT) は、単層のグラフェンから形成される継ぎ目のない円筒状物質です。SWNTの電気伝導性 は、チューブを形成するグラフェンシートの巻き方や直径によってバンドギャップが変化し、金属性もしくは半導体性の挙動を示します。
2. 二層カーボンナノチューブ (DWNT: multi-walled carbon nanotube)
二層カーボンナノチューブ (DWNT) は、電界効果トランジスタとして適しているバンドギャップを有しています。しかし、電気的挙動が非常に複雑なため、用途は薄膜エレクトロニクスなどの分野に限定されています。その他、外層を選択的に官能基化させることによって生体系内での造影剤や治療薬の応用が可能とされています。
3. 多層ナノチューブ (MWNT: multi-walled carbon nanotube)
多層カーボンナノチューブ (MWNT) は、単層 (SWNT) のものよりも量産が容易であり、単位当たりのコストが安く済みます。通常、官能基化を行うと炭素の二重結合が開裂して特性が変化することがありますが、多層カーボンナノチューブでは外層だけが修飾されるために、本来の特性を維持することが可能です。
特定の用途のために新しい性質を導入する目的でカーボンナノチューブの表面を改質し、各種溶媒への可溶化や機能性の強化、分散性、相溶性などを付与する手法が必要です。これは酸、オゾン、プラズマ等を用いて酸化反応を起こすことによって可能となります。例えば、水酸基やカルボキシル基を生成すると極性が生まれ、溶解性が得られたり各種ポリマーとの親和性を増すことができます。
ナノチューブのその他情報
1. ナノチューブの実用化
産業技術総合研究所は、共同研究企業とともに、NEDOプロジェクトの成果を用い、スーパーグロース法で合成されたカーボンナノチューブ (CNT) を用いて、配管や容器のシール部材として使われるＯリングの実用化に成功しており、製品化第1号となっています (2018年)。
ナノチューブの合成としては、レーザーアブレーション法、アーク放電法、化学気相成長 (Chemical vapor deposition、以下、CVD) 法があります。これらのアプローチの中で工業的量産が可能なのはCVD法です。
スーパーグロース法は、CVD法の合成雰囲気に極微量 (ppmオーダー) の水分を添加することで、通常数秒の触媒寿命が数十分になり、極微量の触媒から従来の3,000倍の時間効率で、大量の単層カーボンナノチューブ (SWCNT) を合成することができる、極めて画期的な合成方法です。
スーパーグロース法で得られるCNTは、従来のCNTと比較して、「高アスペクト比」「高純度」「大表面積」といった特徴があり、新たな機能や特徴を持つ新機能性材料等への応用が期待される材料です。具体的には、高機能ゴム材料、高熱導電材料等の革新的材料などへ応用が期待され、その需要拡大が見込まれています。
今後は、スーパーキャパシタ電極や二次電池電極材料などのエネルギー分野、シリコン代替半導体回路やフレキシブル電気回路などのエレクトロニクス分野、透明導電膜やアクチュエーター等の高機能材料分野、自動車ボディ補強材料や航空機ボディ補強材料などの構造材料分野などへの実用化が見込まれています。
2. ナノチューブの量産
カーボンナノチューブの量産は、NEDOプロジェクトの成果を用い、産業技術総合研究所が開発したスーパーグロース法によりその技術が確立されました。そして、日本ゼオン (株) がスーパーグロース法によるカーボンナノチューブ (CNT) の量産工場を完成させ、2015年に世界で初めて量産工場が稼働しました。
3. ナノチューブの欠点
カーボンナノチューブは、人体に吸引された際に発がん性などのリスクが指摘されています。このため、様々な研究機関等で人体へのリスクについて評価がなされています。
また、カーボンナノチューブは他の素材と比較して高価である点が課題です。今後の量産技術の確立により、低価格化が期待されています。
参考文献
https://www.sigmaaldrich.com/japan/materialscience/nano-materials/single-double-multi-walled-carbon-nanotubes.html
https://newswitch.jp/p/19018
https://honcierge.jp/articles/shelf_story/6213
http://www.zeonnanotech.jp/products.html
https://www.nbci.jp/faq/handling_18.html
https://www.chem-station.com/chemistenews/2009/07/100-1.html#