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グラフェンとは。 電子部品の製造方法を変え、コンピューティング性能の継続的な向上を支援する可能性がある新素材は、最近の研究の世界ではどこでも見られるようになりました。
今月だけでも、インターネットの速度を上げ、タッチセンシティブなコーティングとして機能し、コンピュータの寿命を延ばす可能性があることを示唆する進展がありました。 グラフェンは、ダイヤモンドよりも強く、これまで発見されたどの材料よりも電気や熱をよく通すので、将来的には、多くの製品やプロセスで重要な役割を果たすと思われます。 グラフェンは紙の 100 万分の 1 の薄さで、実際に 2 次元とみなされるほど薄いです。 原子の並び方によって、硬いダイヤモンドや柔らかいグラファイトを作ることができる。 グラフェンの平らなハニカムパターンは、世界最強の物質というステータスを含め、多くの珍しい特性を付与しています。 コロンビア大学機械工学科の James Hone 教授はかつて、「サランラップの厚さのグラフェンシートを破るには、鉛筆の上にバランスを取った象が必要なほど強い」と述べています (同大学)。 グラフェンを積み重ねると、グラファイト、つまり鉛筆の芯ができます。 もうひとつの新素材であるカーボンナノチューブは、グラフェンを丸めて作ったものです。
グラフェンはどのようにして発見されたのでしょうか？
皆さんは、人生で何度もグラフェンを作ったことがあるかもしれません。 鉛筆で線を引くと、グラフェンの小さな断片がはがれ落ちます。 しかし、2000年代初頭まで、自立したグラフェンを確実に分離するためのツールも関心も、誰も持ち合わせていませんでした。 当時、科学者たちは2次元の物質が存在することは物理的に不可能であると考えており、グラフェンの単離は行わなかった。 数十年後、グラフェンへの関心が高まり、研究者たちはグラファイトを剥離する技術を思いついた。 グラフェンの層の間に分子を挟み込んだり、グラファイトを削ったりこすったりしてみたが、1層まで到達することはできなかった。 2002年、マンチェスター大学の研究者Andre Geimはグラフェンに興味を持ち、博士課程の学生にグラファイトの塊をできるだけ少ない層数まで研磨するよう挑戦させた。 その学生は1000層に到達することができたが、Geimの目標である10～100層には届かなかった。 そこで、ガイム氏は、テープという別の方法を試してみた。 テープをグラファイトに貼り付け、それをはがすと、層状のグラフェンの薄片ができる。 さらにテープを剥がすと、より薄い層ができ、最終的には10層の厚さのグラフェンを得ることができた
Geim氏のチームは、その技術を改良し、最終的に炭素原子の単層を作り出した。 そして、その成果を2004年10月に『Science』誌に発表した。 Geim 氏と同僚の Kostya Novoselov 氏は、その業績により、2010年にノーベル物理学賞を受賞した。 2009年、研究者たちは30インチの大きさのグラフェン膜を作ることができた。
なぜ異常なのか？ Geim 氏と、もうひとりの有名なグラフェン研究者である Philip Kim 氏は、2008年の Scientific American 誌の記事で、「固体内部のこの種の相互作用は、これまでのところ、グラフェンにしかない」と述べています。 「この鉛筆から作られた新しい材料のおかげで、相対論的量子力学は、もはや宇宙論や高エネルギー物理学にとどまらず、実験室にも入り込むことができたのです。
- 伝導性がある。 電子は電気を構成する粒子である。 そのため、グラフェンによって電子が高速に移動できるようになると、電気も高速に移動できるようになる。 電子がほとんど途切れることなく移動するため、シリコンの200倍の速さで移動することが知られている。 また、熱伝導性にも優れています。 グラフェンは温度に関係なく導電性を発揮し、室温でも正常に機能します。
- 強いですね。 前述したように、グラフェンのシートを突き破るには、バランス感覚に優れた象が必要である。 切れ目のないパターンと炭素原子間の強い結合により、非常に強い。 グラフェンのパッチを縫い合わせても、グラフェンは最強の素材であることに変わりはない
- 柔軟性。 グラフェンの炭素原子間の強い結合は、非常に柔軟でもある。 つまり、グラフェンは曲げたり伸ばしたりすることが可能である。 グラフェンは、当たる可視光線の 2.3 % を吸収するため、まぶしさを気にせずに見通すことができます。
何に使えるか
グラフェンの日常生活での使用は、カーボン ナノチューブ（グラフェンの円筒形の巻物）に関する既存の研究によって、そう遠い未来の話ではないとされています。 このチューブは、1991年の論文（要購読）で一般化され、その驚くべき物理的品質が喧伝されたが、そのほとんどはグラフェンに非常によく似ている。 しかし、グラフェンの大きなシートを製造する方が簡単で、シリコンと同様の方法で製造することができる。 カーボンナノチューブの現在および将来の用途の多くは、現在グラフェンに適応されつつある。
最大の新興用途としては、
- 太陽電池が挙げられる。 太陽電池は、太陽光を吸収するために半導体に依存しています。 半導体はシリコンのような元素でできており、電子の2つの層を持っています。 1つの層では、電子は穏やかで、半導体の側にいます。 もう一方の層では、電子が自由に動き回り、電気の流れを作っています。 太陽電池は、光のエネルギーを穏やかな電子に伝えると、電子が励起されて自由に動き回れる層に飛び移り、さらに電気を作り出すという仕組みになっている。 グラフェンでは、電子の層が重なり合っているため、電子を層間に飛び込ませるために必要な光エネルギーが少なくて済む。 将来的には、この性質を利用して、非常に効率の良い太陽電池を実現できるかもしれない。
Intel の 32 ナノメートル トランジスター。 より多くのトランジスタが、より安価なコンピューティングへの道を開くのに貢献しました。 コンピューター チップは、回路内の電気の流れを制御するために、何十億ものトランジスターに依存しています。 これまで、チップをより強力にするために、より多くのトランジスタを搭載することが研究の中心でしたが、グラフェンによって、これまでで最も薄いトランジスタが誕生する可能性があります。 しかし、トランジスタは、電気を構成する粒子である電子の流れを速くすることによっても、より強力にすることができる。 科学がトランジスタの小型化の限界に近づいている中、グラフェンは、電子をより速く動かし、そのサイズを数原子以下にまで小さくすることで、限界を押し戻す可能性があります。 プラズマTVや携帯電話などのデバイスは、通常、酸化インジウム錫と呼ばれる材料でコーティングされている。 メーカーは、コストを削減し、より優れた導電性、柔軟性、および透明性を提供できる代替品を積極的に探しています。 グラフェンもその一つだ。 グラフェンは反射せず、非常に透明度の高い材料です。 また、導電性があるため、タッチスクリーンデバイスのコーティングに適しています。
グラフェンは、カメラ用センサー、DNA シーケンス、ガス検知、材料強化、水の脱塩などにも応用できる可能性がある。 広く採用されるためには、既存の材料と同等かそれ以下のコストで大量に生産できるようにする必要がある。 ロールツーロール法や蒸着法などの新しい製造技術は、その可能性を示唆しているが、まだすべてのモバイル機器のスクリーンにグラフェンを提供できる状態にはない。 また、研究者は、グラフェンの透明性と導電性を商業的な形で向上させる努力を続ける必要があります。
グラフェンは、トランジスタとして有望ですが、大きな問題があります。シリコンなどの材料のように電気の流れを「オフ」にすることができないので、電気は常に流れてしまいます。 つまり、グラフェン単体ではトランジスタとして機能しないのだ。 研究者たちは現在、この限界を克服するために、グラフェンを調整したり、他の材料と組み合わせたりする方法を探っている。 そのひとつが、2枚のグラフェンの間に、同じく1原子厚の窒化ホウ素の層を挟み込む方法である。 こうしてできたトランジスタは、スイッチのオン・オフが可能だが、電子の速度がいくらか遅くなる。 また、グラフェンに不純物を導入する技術もある。
グラフェンの出現は、多くの可能なアプリケーションにとって遅すぎたのかもしれない。 電気自動車のバッテリーや炭素繊維はグラフェンを使って作ることができるが、これらはすでに活性炭とグラファイトという非常に安価な材料に頼っている。 グラフェンは当分の間、より高価なままであり、メーカーを納得させるほど安価になることはないかもしれない。 対照的に、シリコンは200年近く存在しています。 このペースで研究が進めば、グラフェンがユビキタスになるのか、それとも次の不思議な材料を発見するための新たなステップに過ぎないのか、すぐにわかるようになるでしょう」