グラフェンは、柔軟な光源、窓に組み込める可能性のある太陽光パネル、水を淡水化・浄化する膜など、幅広い用途が期待される材料です。しかし、こうした用途はいずれも、グラフェン薄膜を連続的に製造するための、拡張可能で費用対効果の高い方法が必要という大きな課題に直面しています。
今週、MITとミシガン大学の研究者らが学術誌 Scientific Reports で発表した新しいプロセスによって、ついに状況が変わるかもしれません。論文の筆頭著者であるMIT機械工学科の准教授、A. John Hartは、チームが説明する新たなロール・ツー・ロール製造プロセスは、グラフェンやその他の二次元材料を多くの用途で実用化するには、「何エーカー分もの材料を、繰り返し、費用対効果の高い方法で作る必要がある」という課題に対応するものだと述べています。
こうした量のグラフェンを作ることは、現在の手法から大きく飛躍することを意味します。現状では、研究者らは少量のグラフェンを作るのに苦労しており、接着テープでグラファイトの塊からシートを引き剥がしたり、実験炉を使って切手ほどの大きさの薄膜を作ったりしています。一方、新しい手法は、薄い金属箔を基板として用い、材料を箔の上に堆積させながら、箔を一方の巻き取り軸からもう一方へ滑らかに移動させる工業プロセスによって、連続生産を可能にすると期待されています。得られるシートの大きさを制限するのは、箔ロールの幅と、堆積を行うチャンバーの大きさだけです。
連続プロセスでは、現在の加工方法のように固定式の真空チャンバーに材料を出し入れするため、作業を停止・再開する必要がありません。そのため、生産規模を大幅に拡大できる可能性があります。これにより、独特の電子的・光学的特性を持ち、知られている材料の中でも最も強度の高いものの一つであるグラフェンの用途が、ついに花開くかもしれません。
この新しいプロセスは、グラフェン製造のためにMITなどですでに使われている化学気相成長法を応用したものです。従来法では、小型の真空チャンバー内で、炭素を含む蒸気を銅箔などの水平基板上で反応させます。新しいシステムでも同様の蒸気化学を用いますが、チャンバーは内外二重の同心円筒で構成され、基板には内側の管の上を滑らかに移動する薄い銅リボンを使います。
ガスは管の中に流れ込み、正確に配置された穴から放出されます。これにより、基板を2種類の混合ガスに順番にさらすことができます。第1領域はアニーリング領域と呼ばれ、基板表面の準備に使われます。第2領域は成長ゾーンで、リボン上にグラフェンが形成されます。この反応を行うため、チャンバーは約1,000℃に加熱されます。
研究者らはシステムの実験室規模の試作機を設計・製作し、リボンを毎分25ミリメートル（1インチ）の速度で通過させると、非常に均一で高品質な単層グラフェンができることを確認しました。速度を20倍にしても被膜は形成されますが、欠陥が増え、グラフェンの品質は低下します。
濾過膜などの用途には極めて高品質のグラフェンが必要かもしれませんが、薄膜ヒーターなどの用途なら、品質が低めのシートでも十分に機能する可能性があるとHartは述べています。HartはMITのMitsui Career Development Associate Professor in Contemporary Technologyです。
Hartによると、これまでのところ新システムで作られるグラフェンは、「バッチ処理で実現できる最高のものにはまだ及ばない」ものの、「私たちの知る限り、他の連続プロセスで製造されたものと少なくとも同等の品質」です。不要な表面欠陥を取り除くための基板の前処理など、細部をさらに研究すれば、得られるグラフェンシートの品質を改善できる可能性があるといいます。
Hartによると、チームはこうした細部を研究し、特定の用途に合わせてプロセス条件を選ぶ際に役立つトレードオフについて学んでいます。たとえば、生産速度を上げることとグラフェンの品質を保つことの間には、兼ね合いがあります。そして、「次の段階は、限界を押し広げ、10倍以上速くする方法を理解することです」と述べています。
Hartによれば、この研究はグラフェンに焦点を当てていますが、この装置は他の二次元材料の連続製造や、同氏の研究グループが研究しているカーボンナノチューブの配列の成長にも応用できる可能性があります。
「これは、大面積グラフェンの拡張可能な製造方法の実現に向けて大きな進展を示す、質の高い研究です」と、この研究には参加していないペンシルベニア大学の物理学・天文学教授、Charlie Johnsonは述べています。「同心円筒を使う手法は非常に創造的だと思います。より幅の広い銅箔に対応できるよう拡張できれば、グラフェンの製造コストを大幅に下げる可能性があります。」
研究チームには、ミシガン大学のErik PolsenとDaniel McNerny、MITの博士研究員Viswanath BalakrishnanとSebastian Pattinsonも参加しました。この研究は、全米科学財団（National Science Foundation）と空軍科学研究局（Air Force Office of Scientific Research）の支援を受けました。
この記事は、 MIT Newsとの共同掲載です。掲載は、世界経済フォーラムが見解を支持することを意味するものではありません。
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著者：David L. ChandlerはMIT Newsのライターです。
画像：グラフェン層で覆われた炭化ケイ素ディスクを手に持つ主任技術者。REUTERS/Kacper Pempel。
