グラフェンらせん
2次元のグラフェンシートがらせん状に巻かれた構造

カーボンナノチューブに似たグラフェンヘリックスは、二次元シート状のグラフェンがヘリックス状に巻き付いた構造です。これらのグラフェンシートは多層構造（多層カーボン構造）を持つことができ、ヘリックスに加わることで引張強度が向上しますが、製造の難易度も高くなります。ファンデルワールス力を利用することで、グラフェンシート同士が内部に構造を形成することができます。

電気的および磁気的特性

電気

グラフェンは非常に有望な電気特性を有しています。[1] カーボンナノチューブは半金属であり、螺旋軸に沿って金属性または半導体性を示します。これはグラフェンの螺旋の曲率に依存します。これらの特性に加え、グラフェンは「ゼロオーバーラップ半金属」であるという独自の利点を有しています。[2]カーボンナノチューブは、三次元平面上で高い電気伝導性を実現します。引張強度、電気伝導性、そして熱管理に優れているため、バイオテクノロジーに有用です。[3]

磁気

電気的特性と同様に、グラフェンシート上で電界をかけることで結合を分極させ、グラフェンシートの片側のみに結合することができる。[4]

サーマル

グラフェンは優れた熱伝導体であるが、らせん軸に垂直な方向では優れた絶縁体でもある。[5]グラフェンシートの熱伝導率は3500 W · m −1 · K −1であるのに対し、銅の熱伝導率はわずか385 W·m −1 ·K −1である。[6]

物理的特性

グラフェンは電気的、磁気的、熱的特性がそれぞれ異なるため、三次元構造として使用した場合に得られる独自の特性がそれ自体に数多くあることが分かります。グラフェンシートの引張強度は 130,000,000,000パスカルで、工業用鋼の 400,000,000 パスカルと比較するとその差は歴然です。[7]これは、この物質の用途の可能性を示しています。グラフェンは 1 平方メートルあたり 0.77 ミリグラムと軽量であるため、工業用鋼などの材料に比べると軽量です。[8]これらのグラフェンシートはそれぞれ、単一原子幅の炭素鎖が架橋して作られています。これらの炭素鎖のウェブは、二次元の六角形のページのように見え、三次元目は単一原子幅のみです。

生産

グラフェンの初期合成

グラフェンが発見された最初の方法の一つは、マスキングテープを炭素片の上に貼り、剥がすと多数の小さな二次元グラフェンシートが現れるというものでした。テープでグラフェンを作製することで、これらのグラフェンシートが前述の引張強度を持つために必要な条件が整えられます。[9]

グラフェンの大量生産

これらのシートをテープで分離するという実用性は、グラフェンの新たな開発に必要な生産規模には及ばない。シートの品質が、その用途を完全に決定するため、これは新たな問題となる。より大規模なグラフェン生産においては、化学的に剥離された天然の採掘グラファイトからグラフェンを生産することができる。[10]

グラフェンヘリックスの製造

アーク放電とレーザーアブレーション

これら2つのわずかに異なるプロセスはどちらもグラフェンを電流またはレーザーで燃焼させ、気相が分離されるとグラフェンのらせん構造が形成されますが、触媒として過剰な金属が必要になります。[11]

化学蒸着

将来的に最も有望なプロセスとして、グラフェンシートに触媒を押し付けることでグラフェンらせん構造を形成できると考えられています。このプロセスは高温で行わなければなりませんが、らせん構造の形成のみで容易に活性化および不活性化できます。

医療用途

シーケンシング

グラフェンヘリックスの最も興味深い応用の一つは、RNAやDNAを解く新しい方法、そしてグラフェンヘリックスを用いてこれらの折り畳まれた鎖を画像化し、さらなるシーケンシングを行うというものです。[12] RNAとXNAの結合がグラフェンヘリックス構造内で引き離されることで、水素結合が従来よりも長いナノ秒数の間、そのまま維持されるため、シーケンシングがより完全なものになります。グラフェンヘリックスによってXNAは三次元構造を維持し、水素結合がより長く持続します。全体として、これらの炭素構造は、その強度と重量ゆえに、熱伝導性と電気伝導性が非常に高く、様々な用途に利用されています。

電気毛細管

螺旋状のグラフェンチューブは、電気的および物理的特性を備え、弾性に加えて、より小さな毛細管システムにも適合します。これらのグラフェンヘリックス構造は、アクチュエータとファイバー状センサーの両方を備えたナノ流体システムへの応用が期待されます。[13]

将来の見通し

これらの炭素らせん構造は非常に有利な物理的特性を示し、ナノ構造の作製をより現実的なものにします。ナノテクノロジーの3Dプリンティング分野における可能性を考えると、将来のスーパーキャパシタ、インプラント、エネルギー貯蔵の基盤となる可能性があります。[14]あらゆるものが小型化していく中で、コンピューターは電気を運ぶ基本的な配線に至るまで、より多くの電子機器を小型化することで、新素材を最も早く活用しています。既にこれらの炭素構造で作られた論理ゲートが存在し、この材料の将来的な可能性を示しています。[15]

節の形態

Leeらは、1993年以降に報告された高解像度透過型電子顕微鏡（HRTEM）および走査型トンネル顕微鏡（STM）像において広く支持されているSWNTのらせんモデル[16]の証拠として、特異な「結節形態」を提唱しました。SWNTのらせんモデルは、ひずみエネルギー計算によって裏付けられています。ジグザグ型またはアームチェア型のグラフェンリボンのらせん成長のひずみエネルギーは、シームレス円筒型SWNTの約4分の1です。この計算は、従来の化学蒸着法の条件下では、シームレスSWNTの成長はエネルギー的に非常に大きく、本研究で提案された構造と競合しない可能性があることを示唆しています。このモデルは、文献における過去の実験的証拠、多様な電子回折パターン、HRTEMおよびSTMの形態、そしてSWNTの測定された機械的および電気的特性の不一致に対処しています。SWNTの電気的特性は、導体である（ジグザグ型の）グラフェンナノリボンとみなすことができます。このモードでは、カイラリティは SWNT の成長に必要な条件ではなく、文献におけるカイラリティ (または半導体特性) の観察は、グラフェンのらせんの歪みに関する誤った解釈の結果である可能性があります。

螺旋成長モデルに基づいて、機械的特性（応力分布による引張過程の評価）を調査するためのさらなる研究が行われた。[17]

最近、Parkらはラマン分光法を用いてSWNTをグラフェンらせん構造として再解釈し、密度汎関数理論シミュレーションと水素化および脱水素化SWNTサンプルの構造解析により、SWNTの典型的なラマンスペクトルがらせん構造の特徴であることを示した。彼らは、約1570 cm-1のGモードが、直径約2 nmの開口した管状グラフェン構造（すなわち、グラフェンらせん構造）に特有であることを実証した。また、約1350 cm-1のDモードは、同心円管には見られない強い固有ベクトルを示す開口SWNTのエッジ欠陥に起因することを実証した。彼らはまた、SWNTのラマンスペクトルの解析が、炭素材料のラマン分析に関する一般的な理解と一致することを示した。[18]

参考文献

  1. ^ Li, Dan, Richard B. Kaner. 「グラフェンベース材料」 Nat Nanotechnol 3 (2008): 101. APA
  2. ^ 「グラフェンの特性」Graphenea . 2020年10月27日閲覧。
  3. ^ Lee, Jin-Ho; Park, Soo-Jeong; Choi, Jeong-Woo (2019-02-20). 「グラフェンの電気的特性と電気化学バイオセンシングへの応用」. Nanomaterials . 9 (2): 297. doi : 10.3390/nano9020297 . ISSN  2079-4991. PMC 6409852. PMID 30791566  . 
  4. ^ Zhou, Jian; Wu, Miao Miao; Zhou, Xiao; Sun, Qiang (2009-09-07). 「表面改質によるグラフェンの電子的・磁気的特性の調整」 . Applied Physics Letters . 95 (10): 103108. Bibcode :2009ApPhL..95j3108Z. doi :10.1063/1.3225154. ISSN  0003-6951.
  5. ^ 「ナノ構造の熱力学」、Wikipedia、2020年10月27日、 2020年11月16日閲覧
  6. ^ Pop, Eric ; Mann, David ; Wang, Qian ; Goodson, Kenneth ; Dai, Hongjie (2006年1月). 「室温以上における単層カーボンナノチューブ単体の熱伝導率」. Nano Letters . 6 (1): 96– 100. arXiv : cond-mat/0512624 . Bibcode :2006NanoL...6...96P. doi :10.1021/nl052145f. ISSN  1530-6984. PMID  16402794. S2CID  14874373.
  7. ^ 「グラフェンの特性」Graphenea . 2020年10月27日閲覧。
  8. ^ 「グラフェンの特性」Graphenea . 2020年10月27日閲覧。
  9. ^ 「粘着テープを使ったトリックがノーベル賞につながった経緯」BBCニュース2010年10月5日. 2020年11月3日閲覧。
  10. ^ 「グラフェンの大量生産」アメリカン・サイエンティスト誌2018年4月6日. 2020年11月3日閲覧。
  11. ^ 「カーボンナノチューブとは何か、どのように作られるのか、何に使われているのか」Nanowerk . 2020年11月3日閲覧。
  12. ^ Ghosh, Soumadwip; Chakrabarti, Rajarshi (2016-08-25). 「グラフェンおよび単層カーボンナノチューブによる二本鎖リボ核酸の解離：らせん構造と表面曲率」 . The Journal of Physical Chemistry C. 120 ( 39): 22681– 22693. doi :10.1021/acs.jpcc.6b06943. ISSN  1932-7447.
  13. ^ 「伸縮性センサーおよび電気毛細管吸引器としてのらせん状グラフェン酸化物繊維 | PDFをリクエスト」ResearchGate . 2020年11月3日閲覧。
  14. ^ ヴァレンティ、ジョバンニ;ボニ、アレッサンドロ。メルキオナ、ミケーレ。カルニェッロ、マッテオ。ナシ、ルチア。ベルトーニ、ジョバンニ。ゴーテ、レイモンド J.マルカッチョ、マッシモ。ラピノ、ステファニア。ボンキオ、マルセラ。フォルナシエロ、パオロ (2016-12-12)。 「効率的な電極触媒による水素発生のため、パラジウム/二酸化チタンとカーボンナノチューブを統合した同軸ヘテロ構造」。ネイチャーコミュニケーションズ。7 13549。Bibcode :2016NatCo...713549V。土井：10.1038/ncomms13549。ISSN  2041-1723。PMC 5159813。PMID  27941752。 
  15. ^ Martel, R.; Derycke, V.; Lavoie, C.; Appenzeller, J.; Chan, KK; Tersoff, J.; Avouris, Ph. (2001-12-03). 「半導体単層カーボンナノチューブにおける両極性電気伝導」 . Physical Review Letters . 87 (25) 256805. Bibcode :2001PhRvL..87y6805M. doi :10.1103/PhysRevLett.87.256805. PMID  11736597.
  16. ^ Lee, J.-K.; Lee, S.; Kim, JG; Min, BK; Kim, YI; Lee, KI; An, KH; John, P. (2014). 「単層カーボンナノチューブの構造：グラフェンらせん構造」. Small . 10 (16): 3283–90 . doi :10.1002/smll.201400884. PMID  24838196.
  17. ^ Jhon, YI; Kim, C.; Seo, M.; Cho, WJ; Lee, S.; John, YM (2016). 「らせん構造欠陥を有する単層カーボンナノチューブの引張特性評価」. Scientific Reports . 6 20324. Bibcode :2016NatSR...620324J. doi :10.1038/srep20324. PMC 4740892. PMID 26841708  . 
  18. ^ Park, Y.; Hembram, KPSS; Yoo, R.; Jang, B.; Lee, W.; Lee, S.-G.; Kim, J.-G.; Kim, YI; Moon, DJ; Lee, J.-K.; Lee, J.-K. (2019). 「ラマン分光法による単層カーボンナノチューブの再解釈」. The Journal of Physical Chemistry C. xx ( 22): 14003– 14009. doi :10.1021/acs.jpcc.9b02174. S2CID  107307737.
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