グラフェン は炭素原子1個分の厚さしかないにもかかわらず、驚くほど強い材料です。しかし、手頃なコストでグラフェンを活用する方法を見つけることは、常に課題となってきました。
科学者たちは長年、グラフェンが技術に革命をもたらす可能性に期待を寄せ、グラフェン自体を一つの技術とみなすことさえあります。グラフェンは、電気と熱を伝える材料として最もよく知られています。また、最も薄い表面を持ち、エレクトロニクス分野の日常的な用途に向けた次世代の驚異的な材料です。
2010年のノーベル物理学賞は、グラフェンの電子特性に関する先駆的な研究により、 コンスタンチン・ノボセロフとアンドレ・ガイム に授与されました。
その後、科学界では、 電子ディスプレイ や 回路に革命をもたらすという構想が大きな話題となりました。この2つの分野は多くの技術の基盤であるため、グラフェンの影響は広範囲に及びました。
グラフェンの製造方法
こうした用途には、グラフェンを支持材上の大きな薄膜として工業的に製造する必要がありました。これにより、グラフェンの活用先として2つの道筋が浮かび上がりました。電子部品として使うか、あるいは中核技術として使うかです。
しかし、こうした方向性はかなり限定的でした。というのも、潜在的な商業利用のうち、 エレクトロニクス産業に関わるものだけに焦点を当てていたからです。
グラフェンを早急に商業化しようとする過度な期待は、ナノ材料の加工に伴う複雑に絡み合った課題を上回る勢いで高まりました。そのため、期待が大きかったにもかかわらず、グラフェンは化学的な加工が難しく、いまだ広く利用されていません。
化学の力で用途を見つける
2009年、私は工業規模の量のグラフェンを 化学的に製造する 初の技術を開発しました。
この材料の将来の利用において、化学が重要な役割を担うことは明らかでした。化学反応を利用して、原子を一つずつ組み上げることで、グラフェンシートをグラム単位、キログラム単位で製造できるようになりました。
私の研究を受けて、世界中の研究者が、グラフェンを製造するより実用的な技術を見つけようと数多く試みてきました。それぞれの試みは、従来技術を上回る創意工夫や独創性、革新性を追求するものでした。
私たちは、高価な装置が不要となり、グラフェン粉末を長い保存期間を保ったまま輸送できる道筋を見つけました。これは今や研究者の間で共通の目標となっています。
この開発によって、物理学が主導した時代に見過ごされていた重要な原則が克服されました。グラフェンは本質的に、表面だけで成り立つ材料です。表面の界面では興味深い現象が起こり、化学者がその働きを担います。
表面を有効活用するには、その量が大量に必要です。そして今、私たちは大量のグラフェンを手にできるようになりました。グラフェン材料を大量に得る方法は単純です。天然鉱床から地中のグラファイトを掘り出すか、研究室で化学的に作るかのどちらかです。
化学的に製造したグラフェンは、興味深い化学反応を行うための比較的大きな表面積をもたらします。これは、サッカーを転がすのに適した、なめらかなサッカー場を持つようなものです。
グラフェンはくっつきにくい
しかし、優れた物理的特性を保ちながらグラフェンの化学構造を変えることは、きわめて困難です。これは、グラフェンの存在そのものを可能にしている逆説、すなわちグラフェン表面の際立った安定性によるものです。
エネルギー貯蔵に必要な金属やガスなどの分子は、グラフェンにまったく付着しません。テーブルに置いたものが何でもすぐに落ちてしまうと想像してください。そんなテーブルはあまり役に立ちません。
グラフェンの化学的性質を変える試みでは、少数の分子を結合させることに焦点が当てられてきました。そのため、ナノテクノロジーにおけるグラフェンの活用は限られていました。次世代の電池や太陽エネルギー用フィルム、燃料電池には、より複雑な化学反応が必要だからです。
こうした技術でグラフェンを利用するには、多様な化学反応を可能にする分子をグラフェンに付着させる必要があります。
ホウ素を加える
同僚たちとともに、私たちは グラフェンと他の物質を組み合わせた新しい材料 を、ホウ素クラスターをグラフェン表面に直接結合させることで作り出しました。
鍵となったのは、グラフェンの安定した共役ネットワークを利用して、反応性の高いホウ素クラスターを捕捉することでした。こうした種類の化学物質を結合させると、機能性の向上や階層的に組織化された応答性など、まったく新しい興味深い材料特性が生まれます。
たとえば、この材料は近いうちに、生体分子との相互作用、太陽電池で利用するための太陽光の収集、効率的な水素貯蔵に向けた金属の固定に使われる可能性があります。
この研究は、大規模な加工の後もグラフェン材料がどのように機能を保つのかを明らかにします。今では、グラフェン上で精密な化学反応を行うことができ、それは最終的に、より信頼性が高く手頃な価格のグラフェンベース技術につながるでしょう。
私たちはナノスケールの限界を押し広げ、魅力的な特性を持ち、商業化できる材料を一から生み出す新たな方法を探り始めました。
本記事は、 The Conversationとの協力により掲載されています。掲載は、世界経済フォーラムが見解を支持していることを意味するものではありません。
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著者：モハマド・シュケアは、シドニー大学のリサーチフェローです。
画像：シニアテクノロジストのダリウシュ・チョラク氏が、グラフェン層で覆われた炭化ケイ素ディスクを手にしている。ポーランド・イノベーション／REUTERS／カツペル・ペンペル。
