熱分解炭素
熱分解炭素シート

熱分解炭素はグラファイトに似た物質ですが、製造上の欠陥により グラフェンシート間に共有結合が生じています。

熱分解炭素は人工的に作られたもので、自然界には存在しないと考えられています。[ 1 ]一般的には炭化水素を分解温度近くまで加熱し、黒鉛を結晶化させること（熱分解）によって生成されます。

一つの方法は、合成繊維を真空中で加熱して炭素繊維を生成することです。

ミサイルのノーズコーン、ロケットモーター、熱シールド、実験室の炉、グラファイト強化プラスチック、核燃料粒子のコーティング、生体医学的プロテーゼなどの高温用途に使用されます。

これは1950年代後半に金属の耐火蒸着に関する研究の延長として開発されました。 [ 2 ]

物理的特性

熱分解グラファイト試料は通常、雲母と同様に単一の劈開面を有します。これは、グラフェンシートが平面状に結晶化するのに対し、熱分解炭素は微視的にランダムに配向した領域を形成するためです。このため、熱分解グラファイトはいくつかの特異な異方性を示します。劈開面に沿った熱伝導性は熱分解炭素よりも高く、利用可能な平面熱伝導体の中では最も優れた物質の一つとなっています。

熱分解グラファイトは、数度までモザイク度が制御された モザイク結晶を形成します。

熱分解グラファイトは劈開面に対してより反磁性（χ = −4×10 −4）を示し、室温で存在する反磁性体の中で最も大きな反磁性（重量比）を示します。比較すると、熱分解グラファイトの比透磁率は0.9996であるのに対し、ビスマスの比透磁率は0.9998です（表）。

磁気浮上

永久磁石の上に浮上する熱分解グラファイト

永久磁石の磁場よりも上空で安定的に磁気浮上できる物質はほとんどありません。2つの磁石の間には磁気的な反発力が生じることは明らかであり、しかも容易に実現できますが、磁場の形状により、上側の磁石は支えられたままではなく横方向に押し出されてしまうため、磁性体の安定した浮上は不可能です（アーンショーの定理を参照）。しかし、強い反磁性を持つ物質は、強力な磁石よりも上空で浮上することができます。

1970 年代と 1980 年代に開発された希土類永久磁石は入手しやすく、熱分解グラファイトの強い反磁性により、この効果を実証する材料として適しています。

2012年に日本の研究グループは、熱分解グラファイトがレーザー光や十分に強い自然光に反応して、磁場勾配の方向に回転したり移動したりできることを実証しました。[ 3 ] [ 4 ]炭素の磁化率は十分な光を受けると弱まり、特定の形状を使用すると材料の 磁化の不均衡と動きにつながります。

最近、土星の環にある謎の「スポーク」の原因は、熱分解炭素にある可能性が示唆されています。化学蒸着法（CVD）により、高温（1400K）のメタンガスが熱分解炭素に変換された可能性があります。土星のBリングに豊富に含まれるケイ酸塩が、熱分解炭素を堆積させる基質として機能した可能性があります。熱分解炭素は強い反磁性を持つため、熱分解炭素で覆われたケイ酸塩粒子は、土星の赤道磁場の影響で環の面の上下に浮遊することができます。太陽光がこれらの熱分解炭素で覆われた粒子に当たると、光電効果により電子を失い、常磁性となり、土星の赤道磁場に引き寄せられて環の主構造に引き戻されます。「スポーク」の見え方は、環に当たる太陽光の角度と観測者が環を観察する角度に依存します。 （参考：https://arxiv.org/abs/2303.07197）。

アプリケーション

バイオメディカルアプリケーション

この素材は血栓を形成しにくいため、血栓症のリスクを低減するために、血液接触部位の人工器官にこの素材を内張りすることが推奨されることが多い。例えば、人工心臓や人工心臓弁に使用されている。 一方、血管ステントは、ヘパリンをペンダント基として有するポリマーで内張りされることが多く、薬剤の作用によって血栓を予防する。これは、熱分解炭素の脆さと、ステントが拡張時に受ける 大きな永久変形が少なくとも部分的に原因となっている。

熱分解炭素は、解剖学的に正しい整形外科用インプラント（人工関節とも呼ばれる）のコーティングにも医療用途で使用されています。この用途では、現在「PyroCarbon」という名称で販売されています。これらのインプラントは、米国食品医薬品局（FDA）により、中手指節間関節（指関節）の人工関節としての使用が承認されています。製造元は、Tornier（BioProfile）とAscension Orthopedicsの2社です。[ 7 ] 2011年9月23日、Integra LifeSciencesはAscension Orthopedicsを買収しました。同社の熱分解炭素インプラントは、様々な形態の変形性関節症の患者の治療に使用されています。[ 8 ] [ 9 ] 2021年1月、Integra LifeSciencesは整形外科事業をSmith+Nephewに2億4000万ドルで売却しました。[ 10 ]

FDAは人道的医療機器免除の下でパイロカーボン指節間関節置換術も承認している。[ 11 ]

脚注

  1. ^ラトナー、バディ・D. (2004). 熱分解炭素. 『バイオマテリアル科学：医療材料入門』 . アカデミック・プレス. p. 171–180. ISBN 0-12-582463-7. Googleブック検索. 2011年7月7日閲覧。
  2. ^ Pappis, J.; Blum, SL (1961). 「熱分解黒鉛の特性」 .アメリカセラミックス協会誌. 44 (12): 592– 597. doi : 10.1111/j.1151-2916.1961.tb11664.x . ISSN 1551-2916 . 
  3. ^小林正幸; 阿部次郎 (2012-12-26). 「磁気浮上グラファイトの光学的運動制御」.アメリカ化学会誌. 134 (51): 20593– 20596. Bibcode : 2012JAChS.13420593K . doi : 10.1021/ja310365k . ISSN 0002-7863 . PMID 23234502 .  
  4. ^ Phillip Broadwith (2013年1月4日). 「レーザー誘導磁気浮上グラファイトエアホッケー」 . Chemistry World . RSC .
  5. ^ Abdulla, Irfan N.; Molony, Diarmuid C.; Symes, Michael; Cass, Benjamin (2015年5月). 「パイロカーボン人工関節による橈骨頭置換術：初期臨床結果」. ANZ Journal of Surgery . 85 (5): 368– 372. doi : 10.1111/ans.12908 . PMID 25387951 . 
  6. ^ Technology、カリフォルニア大学（2021年8月28日）。「ケブラーよりも優れた弾丸衝撃耐性を持つ新ナノマテリアル」 SciTechDaily 。2021年10月18日閲覧。
  7. ^ Cook, Stephen D.; Beckenbaugh, Robert D.; Redondo, Jacqueline; Popich, Laura S.; Klawitter, Jerome J.; Linscheid, Ronald L. (1999). 「熱分解炭素中手指節間インプラントの長期追跡調査」 . The Journal of Bone and Joint Surgery . 81 (5): 635– 48. doi : 10.2106/00004623-199905000-00005 . PMID 10360692. 2009年12月28日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2010年11月9日閲覧。 
  8. ^ Barrera-Ochoa, Sergi (2014年9月). 「Pyrocarbon Interposition (PyroDisk) Implant for Trapeziometacarpal Osteoarthritis: Minimum 5-Year Follow-Up」 . The Journal of Hand Surgery . 39 (11): 2150– 2160. doi : 10.1016/j.jhsa.2014.07.011 . PMID 25218138 – ResearchGate経由. 
  9. ^ Orbay, Jorge L. (2020年12月). 「CMC変形性関節症に対するサドル型半関節形成術」 .整形外科手術技術. 30 (4) 100828. doi : 10.1016/j.oto.2020.100828 . S2CID 226363686 . 
  10. ^ 「スミス・アンド・ネフュー、エクストリーミティ・オーソペディクスの買収を完了」 MassDevice 、 2021年1月4日。 2021年10月18日閲覧。
  11. ^ 「Ascension PIP：安全性と推定されるベネフィットの概要 HDE # H010005」（PDF） . 食品医薬品局. 2002年3月22日. 2011年7月7日閲覧。
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