カーボンナノフォームは、1997年にキャンベラのオーストラリア国立大学のAndrei V. Rodeと同僚によって発見された炭素の同素体です。[1]これは、ゆるい3次元ウェブに連なった炭素原子のクラスターアセンブリで構成されています。フラクタルのような結合構造は、 sp 3結合で接続されたsp 2グラファイトのようなクラスターで構成されています。sp 3結合は主に構造の表面にあり、材料の15％から45％を占め、そのフレームワークはダイヤモンドのような炭素膜に似ています。[2]この材料は非常に軽く、密度は2-10 x 10 −3 g/cm 3（0.0012 lb/ft 3 ）で、エアロゲルに似ています。[1] [3]その他の注目すべき物理的特性には、300～400 m 2 /gという大きな表面積（ゼオライトに類似）があります。[4] 1米ガロン（3.8リットル、0.83英ガロン）のナノフォームの重さは約0.25オンス（7.1グラム）です。[5]
各クラスターは約6ナノメートルの幅で、約4000個の炭素原子がグラファイト状のシート状に結合して構成されています。このシートは、正六角形パターンの中に七角形が含まれることで負の曲率を帯びています。これは、五角形が含まれることで炭素シートに正の曲率を帯びるバックミンスターフラーレンとは逆の現象です。
カーボンナノフォームの大規模構造はエアロゲルに類似していますが、密度は従来製造されたカーボンエアロゲルの1%、つまり海面の空気の密度のわずか数倍しかありません。カーボンエアロゲルとは異なり、カーボンナノフォームは電気伝導性が低いです。ナノフォームには多数の不対電子が含まれており、Rode氏らは、これは位相欠陥や結合欠陥に見られる3つの結合しかない炭素原子に起因すると提唱しています。これが、カーボンナノフォームのおそらく最も珍しい特性、すなわち磁石に引き寄せられる性質、そして-183℃以下ではそれ自体が磁性を帯びる性質を生み出します。
カーボンナノフォームは、炭素同素体としては珍しく、強磁性を示すことが知られている唯一の純粋な炭素である。 [6]強磁性はカーボンナノフォームに見られる固有の特性であり、その複雑な構造によって説明できるかもしれない。物質中の不純物は、観察される強い磁化には不十分であるため、磁性の原因としては除外される。研究者らは、不対電子を持つ埋め込まれた炭素原子が、強い磁化につながるのに十分な磁気モーメントを持っていると仮定している。 [6]シートの曲率は、 π電子雲を分解することによって不対電子を局在させ、通常は反応性が高すぎて持続できない電子を立体的に保護する。カーボンナノフォームの強磁性は、時間と温度の影響を受けやすい。合成後最初の数時間以内に一部の磁性が失われるが、その大部分は持続する。[6]カーボンナノフォームは、電子スピンをさらなる自由度として利用するスピントロニクスデバイスに応用できる可能性がある。
カーボンナノフォームは、密度が低く表面積が大きいため、水素貯蔵に適している可能性があります。予備実験では、室温で可逆的なプロセスで水素をナノフォームに貯蔵できることが示されています。[4]
合成
カーボンナノフォームクラスターは、アルゴンなどの不活性ガス中での高繰り返しレーザーアブレーションによって合成できます。短い ( fs )、低エネルギー ( μJ ) パルスを高繰り返し率 ( 10 kHz – 100 MHz ) で照射すると、堆積用の炭素蒸気が生成されます。[2]周囲のガスは、原子化された炭素で室温から加熱され、チャンバー内の炭素の部分密度が増加します。最適な条件では、不活性ガスは冷却されず、形成サイクル間で高温を維持します。チャンバー内での後続のサイクルは、 sp 2結合を開始する形成閾値温度を超える温度で実行されます。密度と温度の上昇により、炭素質クラスターの形成に好ましい条件が整います。消費速度はレーザーアブレーションによる蒸発速度を上回り、そのため形成は非平衡状態になります。
参照
参考文献
- ^ ab Rode, AV; Hyde, ST; Gamaly, EG; Elliman, RG; McKenzie, DR; Bulcock, S. (1999). 「高パルスレートレーザーアブレーションによって形成された炭素フォームの構造解析」.応用物理学A：材料科学と加工. 69 (7): S755– S758. Bibcode :1999ApPhA..69S.755R. doi :10.1007/s003390051522. S2CID 96050247.
- ^ ab Rode, AV; Gamaly, EG; Luther-Davies, B. (2000-02-01). 「高繰り返しレーザーアブレーションによるクラスター集合カーボンナノフォームの形成」. Applied Physics A . 70 (2): 135– 144. Bibcode :2000ApPhA..70..135R. doi :10.1007/s003390050025. hdl : 1885/35128 . ISSN 1432-0630. S2CID 98408906.
- ^ Zani, A.; Dellasega, D.; Russo, V.; Passoni, M. (2013). 「パルスレーザー堆積法による超低密度カーボンフォームの製造」. Carbon . 56 : 358–365 . doi :10.1016/j.carbon.2013.01.029.
- ^ ab Blinc, R.; Arčon, D.; Umek, P.; Apih, T.; Milia, F.; Rode, AV (2007). 「潜在的水素貯蔵材料としてのカーボンナノフォーム」. Physica Status Solidi B. 244 ( 11): 4308– 4310. Bibcode :2007PSSBR.244.4308B. doi :10.1002/pssb.200776149. ISSN 1521-3951.
- ^ ケネス・チャン（2004年4月6日）「薄片状の新しい炭素：羽のように軽く、磁性を持つ」ニューヨーク・タイムズ紙。
- ^ abc Rode, AV; Gamaly, EG; Christy, AG; Fitz Gerald, JG; Hyde, ST; Elliman, RG; Luther-Davies, B.; Veinger, AI; Androulakis, J.; Giapintzakis, J. (2004-08-17). 「全炭素ナノフォームにおける非従来型磁性」. Physical Review B. 70 ( 5) 054407. arXiv : cond-mat/0310751 . Bibcode :2004PhRvB..70e4407R. doi :10.1103/PhysRevB.70.054407. S2CID 4011768.
