グラフェンとは何ですか? 知っておくべきことは次のとおりです

参考文献

• 水の濾過からスマートペイントまで、グラフェンの9つの驚くべき用途
• ハイパーループとは何ですか? 知っておくべきことはすべてここにあります

今日、新しい素材は未来を変える可能性を秘めています。 「スーパーマテリアル」と呼ばれるグラフェンについて、世界中の研究者がそれをよりよく理解しようと躍起になっています。 グラフェンの奇跡的な特性の長いリストを見ると、まるで魔法のように思えますが、それは物理学と工学の将来に非常に現実的かつ劇的な影響を与える可能性があります。

グラフェンとは一体何なのでしょうか？

グラフェンを説明する最も簡単な方法は、鉛筆の芯に使用される柔らかく薄片状の素材であるグラファイトの単一の薄い層であるということです。 グラファイトは炭素元素の同素体であり、同じ原子を持っていますが、それらの配置が異なるため、材料に異なる特性が与えられます。 たとえば、ダイヤモンドとグラファイトは両方とも炭素の一種ですが、大きく異なる性質を持っています。 ダイヤモンドは信じられないほど強いのに対し、グラファイトは脆いのです。 グラフェンの原子は六角形に配置されています。

興味深いことに、グラフェンはグラファイトから分離されると、いくつかの奇跡的な特性を帯びます。 これはわずか原子 1 個の厚さで、これまでに発見された最初の二次元物質です。 それにもかかわらず、グラフェンは既知の宇宙で最も強い材料の 1 つでもあります。 引張強度は130GPa（ギガパスカル）で、鋼鉄の100倍以上の強度を誇ります。

グラフェンは非常に薄いにもかかわらず驚異的な強度を持っているだけでも驚くべきものですが、そのユニークな特性はそれだけではありません。 また、柔軟性、透明性、導電性が高く、ほとんどの気体や液体を通さないように見えます。 グラフェンが優れていない分野はないように思えます。

グラフェンの歴史: 1 ロールのテープと夢

グラファイトは長い間既知の量でした（人類は新石器時代からグラファイトを使用していました）。 その原子構造は十分に文書化されており、科学者たちは長い間、グラファイトの単層を分離できるかどうかについて考えてきました。 しかし、科学者たちはグラファイトを原子ほどの薄さの単一シートにスライスすることが可能かどうか確信が持てなかったため、最近までグラフェンは単なる理論に過ぎませんでした。 グラフェンの最初の単離サンプルは、2004 年にマンチェスター大学のアンドレ・ガイムとコンスタンチン・ノボセロフによって発見されました。 彼らが巨大で高価な機械を使ってこの伝説の物質を分離したのではないかと期待する人もいるかもしれないが、彼らが使用した道具は面白いほど単純だった。それはセロハンテープのロールだった。

テープを使用して大きなグラファイトブロックを研磨したとき、研究者らはテープ上に非常に薄いフレークがあることに気づきました。 グラファイトの薄片から何層も剥がし続け、最終的には可能な限り薄いサンプルを作成しました。 彼らはグラフェンを発見したのです。 この発見はあまりにも奇妙だったので、科学界は最初は懐疑的でした。 人気の雑誌 自然 彼らの実験に関する論文を二度も却下した。 最終的に彼らの研究は発表され、2010 年にゲイムとノボセロフはその発見によりノーベル物理学賞を受賞しました。

潜在的な用途

グラフェンがその多くの優れた特性の 1 つにすぎない場合、それは潜在的な用途についての熱心な研究の対象となるでしょう。 グラフェンは多くの点で非常に注目に値するため、科学者は消費者技術や環境科学などのさまざまな分野で、この材料の幅広い用途を考えるようになりました。

フレキシブルエレクトロニクス

グラフェンは、その強力な電気特性に加えて、柔軟性と透明性も高くなります。 このため、ポータブル電子機器での使用にとって魅力的です。 スマートフォンやタブレットはグラフェンを使用することで耐久性が大幅に向上し、紙のように折りたたむこともできるかもしれません。 最近、ウェアラブル電子機器の人気が高まっています。 グラフェンを使用すると、これらのデバイスはさらに便利になり、手足や曲げにぴったりフィットしてさまざまな形式の運動に対応できるように設計される可能性があります。

しかし、グラフェンの柔軟性と微細な幅は、単なる民生用デバイスを超えた機会をもたらします。 生物医学研究にも役立つ可能性があります。 小型の機械やセンサーはグラフェンで作られる可能性があり、人体の中を簡単かつ無害に移動し、組織を分析したり、特定の領域に薬物を送達したりすることもできます。 炭素はすでに人体にとって重要な成分です。 少量のグラフェンを加えても害はないかもしれません。

太陽電池/太陽光発電

グラフェンは導電性と透明性が高くなります。 そのため、太陽電池の材料として大きな可能性を秘めています。 通常、太陽電池にはシリコンが使用されており、光子が材料に当たると電荷が生成され、自由電子が放出されます。 シリコンは、光子が当たると電子を 1 つだけ放出します。 研究によると、グラフェンは光子が当たるたびに複数の電子を放出できることがわかっています。 そのため、グラフェンは太陽エネルギーの変換においてはるかに優れている可能性があります。 やがて、より安価でより強力なグラフェン電池が再生可能エネルギーの大幅な増加を生み出す可能性があります。

グラフェンの光起電力特性は、カメラなどのデバイス用のより優れたイメージセンサーの開発に使用できる可能性があることも意味します。

半導体

グラフェンはその高い導電性により、情報の伝達速度を大幅に向上させるために半導体に使用される可能性があります。 最近、エネルギー省は、半導電性ポリマーがシリコン層よりもグラフェン層の上に置かれた場合にはるかに速く電気を伝導することを実証するテストを実施しました。 これは、ポリマーがより厚い場合でも当てはまります。 厚さ50ナノメートルのポリマーをグラフェン層の上に置くと、10ナノメートルのポリマー層よりもよく電荷を伝導した。 これは、ポリマーが薄ければ薄いほど、よりよく電荷を伝導できるというこれまでの常識に反するものでした。

グラフェンをエレクトロニクス分野で使用する際の最大の障害は、バンドギャップ、つまり材料内の価電子帯と伝導帯の間のギャップが欠如していることであり、このギャップを通過すると電流が流れることが可能になります。 バンドギャップは、シリコンなどの半導体材料がトランジスタとして機能することを可能にするものです。 電子がバンドギャップを越えて押し出されるかどうかに応じて、電流を絶縁するか伝導するかを切り替えることができます。

研究者は、グラフェンにバンドギャップを与えるさまざまな方法をテストしてきました。 成功すれば、グラフェンを使って構築されたより高速なエレクトロニクスにつながる可能性があります。

水のろ過

グラフェンは原子結合が緊密であるため、ほぼすべての気体や液体を透過しません。 不思議なことに、水分子は例外です。 水はグラフェンを通して蒸発できますが、他のほとんどの気体や液体は蒸発できないため、グラフェンは濾過のための優れたツールとなる可能性があります。 マンチェスター大学の研究者は、アルコールによるグラフェンの透過性をテストし、 サンプル中の水分のみが蒸留器を通過できるため、非常に強い蒸留酒のサンプルを蒸留します。 グラフェン。

もちろん、グラフェンのフィルターとしての使用には、より強い蒸留酒を蒸留する以上の可能性があります。 グラフェンは、水を浄化して毒素を除去するのにも非常に役立つ可能性があります。 英国王立化学会が発表した研究では、研究者らは酸化グラフェンがさらに可能であることを示しました。 水中に存在するウランやプルトニウムなどの放射性物質を引き込み、液体から放射性物質を除去します。 汚染物質。 この研究がもたらす意味は非常に大きい。 核廃棄物や化学物質の流出など、史上最大の環境災害のいくつかは、グラフェンのおかげで水源から浄化できる可能性があります。

人口過剰は引き続き世界で最も差し迫った環境問題の一つであるため、きれいな水の供給を維持することの重要性はますます高まるでしょう。 実際、水不足は世界中で 10 億人以上の人々を悩ませており、現在の傾向を考慮すると、その数は今後も増加する一方です。 グラフェンフィルターは水の浄化を改善し、利用できる淡水の量を増やす大きな可能性を秘めています。 実際、ロッキード・マーティンは最近、「パーフォレン」と呼ばれるグラフェン・フィルターを開発し、同社はこれが脱塩プロセスに革命をもたらす可能性があると主張している。

現在の淡水化プラントは、逆浸透と呼ばれる方法を使用して海水から塩を濾過します。 逆浸透では、圧力を使用して水を膜に移動させます。 飲料水を大量に生産するには、それに伴う圧力により膨大なエネルギーが必要となります。 あ ロッキード・マーティンの技術者が主張 同社の Perforene フィルターは、他のフィルターに比べて必要なエネルギーを 100 分の 1 に削減できます。

MITは「ナノ細孔」を備えたグラフェンを作成した

濾過はグラフェンの最も明白な用途の 1 つであり、MIT エンジニアはグラフェンの分子分離能力を完成させる上で大きな進歩を遂げました。 2018年MITのチームは、グラフェンのシートに小さな「ピン刺し」の穴を作る方法を考案した。 MIT の研究者は、「ロールツーロール」アプローチを使用してグラフェンを製造します。 彼らのセットアップには 2 つのスプールが含まれます。1 つのスプールは銅のシートを炉に送り込み、そこで最高温度まで加熱します。 適切な温度に達したら、エンジニアはメタンと水素ガスを追加します。これにより、本質的にグラフェンのプールが発生します。 申込用紙へ。 グラフェン フィルムは炉から出て、2 番目のスプールに巻き取られます。

理論的には、このプロセスにより、比較的短時間で大きなグラフェンのシートを形成することができ、これは商業用途にとって非常に重要です。 研究者たちは、グラフェンを完璧に形成するためにプロセスを微調整する必要がありましたが、興味深いことに、途中での不完全な試みが後で役立つことが判明しました。 MIT チームはグラフェンに細孔を作成しようとして、酸素プラズマを使用して細孔を切り出すことから始めました。 このプロセスには時間がかかることが判明したため、彼らはより高速なものを求め、解決策を得るために以前の実験に注目しました。 グラフェンの成長中に温度を下げることで、細孔が出現しました。 開発プロセス中に欠陥として現れたものが、最終的には多孔質グラフェンを作成する有用な方法となりました。

超電導

それから間もなく ケンブリッジの科学者が実証した MITの研究者らは、グラフェンはプラセオジムセリウム銅酸化物と組み合わせると超伝導体（電気抵抗のない材料）として機能することができると発表した。 発見した もう一つの驚くべき特性は、適切な構成であれば、明らかに単独で超伝導体として機能することができるということです。 研究者らはグラフェンのスライスを 2 枚重ねましたが、それらを 1.1 度の角度でオフセットしました。 『ネイ​​チャー』誌に掲載された報告書によると、「マサチューセッツ研究所の物理学者パブロ・ジャリーロ＝エレーロ氏」 ケンブリッジのテクノロジー (MIT) と彼のチームは、研究施設を設立したときに超伝導を求めていませんでした。 実験。 その代わりに、彼らは魔法の角度と呼ばれる方向がグラフェンにどのような影響を与えるかを研究していました。」

彼らが発見したのは、調子の悪いグラフェンスタックに電気を流すと、それが超伝導体として機能するということでした。 電気を加えるこの単純なプロセスにより、グラフェンは同様の種類のグラフェンよりも研究しやすくなります。 超電導体、銅酸化物、ただしこれらの材料ははるかに高い超電導性を示します 気温。 超伝導を示すほとんどの材料は、絶対零度付近の温度でのみ超伝導を示します。 いわゆる「高温超伝導体」の中には、比較的高い 133 ケルビン (摂氏 -140 度) 付近の温度で超伝導を示すものもあります。 硫化水素は、十分な圧力下では次の特性を示します。 奇跡のマイナス70℃!

グラフェンの配置は絶対零度より 1.7 度高い温度まで冷却する必要がありましたが、研究者らはその挙動が銅酸化物の挙動と同様であると考えています。 そのため、研究者らは、これが従来型ではない超電導を研究するためのはるかに簡単な材料になることを期待しているが、この超電導は依然として人々の間で大きな意見の相違がある分野である。 物理学者。 超伝導は通常、このような低温でのみ発生するため、超伝導体はMRI装置などの高価な機械でのみ使用されますが、 科学者たちは、いつか室温で動作する超伝導体を発見し、冷却の必要性をなくしてコストを削減したいと考えている。 単位。

で 2019年に発表された研究、研究者らは、特定の「魔法の」角度でグラフェンの層をねじることにより、以前よりも低い温度で超伝導特性を生み出すことができることを示しました。

蚊の防御

刺されるとかゆみがあり、マラリアなどの恐ろしい病気を広める傾向がある蚊ほど忌まわしい生き物はほとんどいません。 ありがたいことに、ブラウン大学の研究者たちは、グラフェンを使用した可能な解決策を発見しました。 リサーチ、 2019年に出版された、皮膚上のグラフェンフィルムが蚊の刺咬をブロックするだけでなく、そもそも皮膚に着地することさえ阻止することを示しています。 考えられる説明の1つは、グラフェンが蚊が獲物の匂いを嗅ぐのを防いだということだ。

グラフェン研究の未来

グラフェンの長所が無限にあるように見えることを考えると、それがあらゆる場所で見られることが期待されるでしょう。 では、なぜグラフェンは広く採用されなかったのでしょうか? ほとんどのことと同様、結局はお金の問題です。 グラフェンは依然として大量生産するには非常に高価であり、大量生産が必要な製品への使用は制限されています。 さらに、大きなグラフェンシートを製造すると、材料に小さな亀裂やその他の欠陥が現れるリスクが高まります。 科学的発見がどれほど素晴らしいものであっても、成功を決めるのは常に経済学です。

生産の問題は別として、グラフェンの研究は決して減速していません。 グラフェンが最初に発見されたマンチェスター大学を含む世界中の研究機関は、グラフェンを作成および使用する新しい方法について特許を申請し続けています。 欧州連合は2013年に、エレクトロニクス用途のグラフェン研究に資金を提供する主力プログラムへの資金提供を承認した。 一方、サムスンを含むアジアの大手ハイテク企業はグラフェンの研究を進めている。

革命は一夜にして起こるものではありません。 シリコンは 19 世紀半ばに発見されましたが、シリコン半導体がコンピューターの台頭への道を開くまでには 1 世紀近くかかりました。 ほとんど神話的な性質を持つグラフェンは、人類の歴史の次の時代を動かす資源となる可能性があるでしょうか? 時間だけが教えてくれます。

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