カーボンナノチューブ

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単層のカーボンナノチューブの構造 ほとんどの部分が蜂の巣状の六員環になっているが、五員環や七員環（赤色）の部分が存在し、これによって単なる円筒ではない構造を取り得る。例えば、図ではチューブの軸の方向が変化している。

カーボンナノチューブ（Carbon nanotube、略称CNT）は、炭素によって作られる六員環ネットワーク（グラフェンシート）が単層あるいは多層の同軸管状になった物質。炭素の同素体で、フラーレンの一種に分類されることもある。

単層のものをシングルウォールナノチューブ (SWNT)、複層のものをマルチウォールナノチューブ (MWNT) という。特に二層のものはダブルウォールナノチューブ (DWNT) とも呼ばれる。

[編集] 性質

六員環の配列だけからも構造にいくつもの違いが産まれる。

一様な平面のグラファイト（グラフェンシート）を丸めて円筒状にしたような構造をしており、両端はフラーレンの半球のような構造で閉じられており5員環を必ず6個ずつ持つ。
- 電場をかけると5員環から電子が放出されるためFED、平面蛍光管、冷陰極管のカソード（陰極）デバイスへの応用も研究されている。また、X線の発生源としての研究も進められている。
- 5員環の数が少ないため有機溶媒等には溶けず、超音波処理などにより分散するだけである（一部、極性の高い有機溶媒への分散は容易とされている）。
構造（6員環の配列や直径など）によって電気伝導率が変わるため、シリコン以後の半導体の素材としても期待されている。
- 導体としてのCNTは集積回路配線材料として用いる研究が行われている。
- 半導体としてのCNTをゲート電極（チャンネル）として用いることで、高速スイッチング素子として用いられることが期待される。
内部に筒状の中空空間を有しているため、様々な分子を内包させることが期待されている。燃料電池の電極などとして注目されている。
- 各種フラーレンを内包したピーポッドやTCNQ、カロテノイド、種々のポルフィリンなどの有機分子を内包したものが作製されている。
- 最近になって単層カーボンナノチューブ内部では水の融点が高くなり、常温常圧下でも氷を作ることが発見された。プレス・リリース
アルミニウムの半分という軽さ、鋼鉄の20倍の強度（特に繊維方向の引っ張り強度ではダイヤモンドすら凌駕する）と非常にしなやかな弾性力を持つため、将来軌道エレベータ（宇宙エレベータ）を建造するときにロープの素材に使うことができるのではないかと期待されている。
微細繊維の形をとる場合があるため、アスベスト状の毒性を示す可能性があると指摘されている。
ナノオーダーの1次元的物質故、原子間力顕微鏡の探針やナノピンセットなどにも応用が期待される。

この他にも色々な性質を秘めているのではないかと期待され、さらなる利用価値を探して世界中で研究が進められている。

単一の構造（キラリティー）を持ったナノチューブだけでは作製できていないため、現在では、CNTを数本並べて高電圧を印加することで、導電性のCNTを焼き切るという方法をとって、半導体デバイスとして利用している。また、過酸化水素中で環流させると半導体チューブは酸化され金属チューブのみに精製される。半導体デバイスや配線材料に利用するためには作製方法のブレイクスルーが必要であろう。

[編集] カーボンナノチューブの発見

1991年、日本の飯島澄男（当時NEC筑波研究所。現NEC特別主席研究員、名城大学理工学部教授、科学技術振興事業団）によって、フラーレンを作っている途中にアーク放電した炭素電極の陰極側の堆積物中から発見された。この発見はセレンディピティだけでなく、高度な電子顕微鏡技術も大きな役割を果たしていた。また、電子顕微鏡で観察・発見したというだけでなく、電子線回折像からナノチューブ構造を正確に解明した点に大きな功績が認められている。このときのCNTは多層CNT (MWNT) であった。この業績から飯島はノーベル賞候補のひとりと言われている。

[編集] 作製方法

[編集] アーク法

黒鉛電極をアーク放電で蒸発させた際に陰極堆積物の中にMWNTが含まれる。その際の雰囲気ガスはHeやAr、CH₄、H₂などである。
金属触媒を含む炭素電極を黒鉛電極をアーク放電で蒸発させるとSWNTが得られる。金属はNiやCo、Y、Feなどである。

[編集] レーザーアブレーション法

Ni-Co、Pd-Rdなどの金属触媒を混ぜた黒鉛にYAG レーザーを当て蒸発させ、Arの気流で1200℃程度の電気炉に送り出すと炉の壁面に付着したSWNTが得られる。
高純度なSWNTが得られるが、大量合成には向かない。触媒の種類と炉の温度を変えることで直径を制御できる。

[編集] CVD法

触媒金属のナノ粒子とメタン (CH₄) やアセチレン (C₂H₂) などの炭化水素を500～1000℃で熱分解してCNTを得る。

[編集] HiPCO法

High Pressure Carbon monooxideの略でCVD法の一種で触媒にペンタカルボニル鉄 (Fe(CO)₅) を用い、一酸化炭素を高圧で熱分解することにより高純度で比較的小さな直径（1nm前後）のSWNTを得る。
Nanotechnologies Inc.より市販されており、日本では住友商事を通して購入できる。

[編集] スーパーグロースCVD法

産業技術総合研究所ナノカーボン研究センターにおいて、畠賢治らによりスーパーグロースCVD法が発表された。CVD法の一種である本法は高効率、高純度な単層ナノチューブを得ることができる。その効率は2000倍といわれ、純度等の問題も併せて量産が難しかったナノチューブの量産を実現する技術として期待されている。また、この技術を用いると、その配向性の高さから、花びらのような構造体を成長させることも可能である。この方法で合成されたカーボンナノチューブは、基板の上に貝割れ大根のように上向きに密集して成長する。また同研究センターは2006年11月に、単層カーボンナノチューブの優れた物理・化学特性を保持したまま配向高密度化した固体の開発に成功した、とプレス発表した。