カーボンナノチューブ：超強度・超軽量材料を切り拓く

鋼の100倍の強さがあり、アルミニウムより軽いものは何か？ カーボンナノチューブはこれまでに発見された最強クラスの材料の一つですが、エンジニアはその潜在能力を解き放ち始めたばかりです。

カーボンナノチューブは炭素の同素体であり、炭素が取り得る原子配列のいくつかのうちの一つを意味します。自然界では、純粋な炭素はグラファイト（柔らかく剥離しやすい固体）またはダイヤモンド（透明で自然界最硬度の材料）の形で見つかります。

カーボンナノチューブはダイヤモンドよりグラファイトに近い関係にあります。グラファイトは非常に柔らかいですが、厚さ原子1層のシート状に配列した炭素原子の層で構成されています。これらの個々のシートをグラフェンと呼び、グラフェンシートをチューブ状に巻いたものがカーボンナノチューブです。

グラフェンはそれ自体が注目すべき材料です。カーボンナノチューブと同様に信じられないほど強いです。2010年ノーベル物理学賞は、グラフェンシートを初めて単離したチームに授与されました。グラフェンは非常に強いため、理論上約1ミリグラムのグラフェンシートで猫を支えられるとされています。

この仮想的な「猫のハンモック」は原子1層分の厚さしかなく、人間の目には完全に見えません。カーボンナノチューブは、1層または複数層のグラフェンがチューブ状に配列されたもので、これもまた極めて強いです。

ノーベル賞授賞文書によると、グラフェン製の1平方メートルのハンモックが「二本の木の間に結ばれていれば、約4キログラムの重りを置いても破れない。したがって、猫を乗せても壊れないほぼ不可視のハンモックをグラフェンで作ることが可能である。」

現在、カーボンナノチューブは主にポリマー複合材料の特性向上に使用されています。カーボンナノチューブは以下の有益な特性を提供できます：

• 非常に高い強度
• 高い強度重量比
• 高い電気伝導性
• 高い熱伝導性

カーボンナノチューブの特性

他の補強材料と比較すると、カーボンナノチューブは繊維強化ポリマー複合材料で使用される他の繊維より相当強いです。最近の研究は、機能勾配ポリマーの開発にも焦点を当てており、カーボンナノチューブをポリマー構造内で戦略的に分布させてカスタムメカニカル特性を付与しています。

材料	強度（データソースはリンク参照）
多層カーボンナノチューブ	11 - 63 GPa
炭素繊維	3.5 - 5.5 GPa
ガラス繊維	3.5 - 4.6 GPa
ケブラー	3.0 GPa
鋼	0.23 - 0.73 GPa

カーボンナノチューブは優れた電気・熱伝導性も提供し、電子パッケージング用途や、ポリマーと接着剤への添加剤としてそれらを導電性にするのに有用です。伝統的に、金属が電子機器における電気・熱伝導体の主材料でしたが、ポリマーとセラミックスは比較して電気・熱伝導性が劣っていました。

しかし、カーボンナノチューブを添加することで、いくつかのポリマーを導電性にできるため、より高速で、低コストな電子製造の新たな可能性が開かれます。

材料	電気伝導度 (データソースはリンク参照)	熱伝導度 (データソースはリンク参照)
単層カーボンナノチューブ	102 - 106 S/cm	6000 W/mK
多層カーボンナノチューブ	103 - 105 S/cm	2000 W/mK
ダイヤモンド	10-2 - 10-15 S/cm	900 - 2320 W/mK
グラファイト	3.3 - 4000 S/cm	2.2-298 W/mK
銅	4.3•109- 5.9•109 S/cm	305 - 385 W/mK

カーボンナノチューブ強化複合材料

グラフェンとカーボンナノチューブがこれほど信じられないほど強いなら、なぜそれらをあらゆるものに使わないのか？ グラフェンやカーボンナノチューブに匹敵する強度を持つ部品は、他のあらゆる材料と比較して実質的に破壊不可能でしょう。

グラフェンとカーボンナノチューブの驚異的な強度を活用する課題を理解するには、なぜグラファイトが柔らかいのかを見てみましょう。個々のグラフェンシートは極めて強いですが、グラファイトが柔らかいのはグラフェンシート間の結合が弱いためです。

個々のカーボンナノチューブはこれまでに発見された最強材料の一つですが、それらを互いに接続しなければ、その強度を有用にできません。

カーボンナノチューブはグラフェンシートをチューブ状に巻いたものです。

これがカーボンナノチューブが他の材料、通常はポリマーに添加剤として使用され、それらの特性を改善する理由です。カーボンナノチューブが強度を付与し、それらが分散されている「マトリックス」材料がすべてを保持します。しかし、疑問が残ります：なぜこの小さなカーボンナノチューブがバルク材料よりはるかに強いのか？ それらは小さいから強いのです。

超強度ナノ材料

カーボンナノチューブの強度の鍵は、極めて小さなサイズのために炭素の理論強度に近づくことが可能な点にあります。材料の理論強度とは、欠陥のない完璧な結晶を破壊するために必要な応力です。

例えば、純鉄の理論強度は31.8 GPaですが、バルク鋼の強度は270〜740 MPaの範囲で、理論強度の2.5%未満です。これは、微小な欠陥である転位がバルク鋼を、仮想的な欠陥フリー結晶よりも低い応力で塑性変形と破壊に対して感受性を持たせるためです。

整列したカーボンナノチューブのSEM画像。© Fraunhofer IKTS

バルク材料は決して理論強度に近づけません。なぜなら、極めて慎重な加工でも、より大規模な材料は避けられず微細構造欠陥を含み、それらが強度を低下させるからです。これが、残念ながら、人間が2010年ノーベル賞授賞式で説明されたような、1原子厚の巨大で完璧なグラフェンシートを製造することはまずない理由でもあります。

そのような大きなシートは確実に欠陥を含み、強度を低下させ、猫はハンモックを突き破るでしょう。したがって、ほとんどのバルク材料の加工は、欠陥を完全に排除するのではなく、微細構造欠陥の影響を制限することに焦点を当てています. 現在の技術では、大量の完全欠陥フリー材料を作ることは実質的に不可能です。

電気化学的に成長したTiO2ナノチューブの電子顕微鏡画像。人間の髪の幅の10,000分の1のチューブが有機ポリマーで満たされ、現在の太陽電池より安価になり得る新しい技術で太陽電池を「成長」させる。

欠陥フリー材料の合成は、材料体積が非常に小さい場合、はるかに容易です。簡単に言えば、非常に少量の材料は、大量の材料よりも統計的に欠陥を含む可能性が低く、少量の材料は化学成長プロセスで少ない欠陥で作りやすいのです。

したがって、大量の欠陥フリーナノチューブを作ることは可能ですが、大きな単一体の欠陥フリー材料を作ることは不可能です。カーボンナノチューブが超強度なのは、超微小だからであり、それにより欠陥フリーであることが可能なのです。

糸を形成するために紡がれるカーボンナノチューブ。

また、材料の強度は、試験片を破壊するために必要な力をその試験片の断面積で割ることで測定されることを覚えておく価値があります。単位はメガパスカル（MPa）となり、1平方ミリメートルあたり1ニュートン（N/mm²）に相当します。したがって、強度測定は試験片の材料量を自動的に補正し、結果として、直径1cmの鋼ロッドと直径1μmのカーボンナノチューブの強度を比較できます。

微小なナノチューブは完全に欠陥フリーである可能性がはるかに高く、したがって極めて強いです。しかし、鋼ロッドと同サイズの部品を作るために十分なナノチューブを束ねるには、繊維強化複合材料を作る必要があります。

それらの小さなサイズと、それによる欠陥のなさが、カーボンナノチューブを超強度ナノ材料にし、個々の多層カーボンナノチューブは11〜63 GPaの強度を示し、これは炭素の理論強度156.0 GPaに近い値です。他の材料も超微小、欠陥フリーの「ワイヤー」形態に合成可能で、鉄もナノワイヤー形態で13 GPaの強度を示し、バルク鋼よりも鉄の理論強度により近い値です。

他の多くの材料も実験室条件下でナノチューブ、ナノワイヤー、ワイヤー形態で合成されてきましたが、カーボンナノチューブはGoodfellowのようなサプライヤーから商業量で入手可能な超強度ナノ材料の数少ない一つです。

結論

カーボンナノチューブは、極めて小さなサイズのために欠陥フリーであることが可能で、炭素の理論強度に近づけるため、これまでに発見された最強材料の一つです。これが、カーボンナノチューブが最も一般的に他の材料の特性向上に使用される理由です。例えば、ポリマーマトリックスに添加して強度、電気伝導性、熱伝導性を改善する場合などです。

カーボンナノチューブの強度は、繊維強化複合材料で一般的に使用される他の繊維より桁違いに高いです。カーボンナノチューブの優れた電気・熱伝導性により、金属が伝統的に使用されてきた電子用途で導電性ポリマーを作ることが可能になります。