2010年、英国のマンチェスター大学に所属するロシアからの亡命物理学者2人が、新たな「驚異の素材」グラフェンに関する研究でノーベル物理学賞を共同受賞しました。コスティア・ノボセロフとアンドレ・ガイムは、ありふれた粘着テープを使った実験によって、炭素原子1個分の厚さしかない平らなシートを発見しました。
グラフェンは導電性が非常に高く、透明で、科学に知られている中で最も強い素材でもあり、将来、電子工学に革命をもたらす可能性があります。ノボセロフ教授が、この2次元素材の可能性と、産業をどのように変える可能性があるかについて語ります。以下は編集済みのインタビュー記録です。
グラフェンはコンピューティングの未来にどのような意味を持つのでしょうか。
少なくとも今後5～10年間は、トランジスタ、すなわち現代のコンピューターを構成する半導体デバイスにシリコンが使われることは確かです。 — しかし、ますます小型化するトランジスタにシリコンでは対応できなくなったときに置き換えるための、代替素材や技術の可能性について、人々はすでに考え始めています。グラフェントランジスタはその代替候補の1つです。また私は、グラフェンの発見後まもなく得られた、原子1個分の厚さしかない他の2次元素材や、そうした2次元結晶を基にしたヘテロ構造についても研究しています。これらはシリコン技術に代わるものとなる可能性がありますが、ここで話しているのは、システムに新しい素材を導入するだけでなく、まったく新しいアーキテクチャです。新しい素材を1つプロセスに導入するだけでも、かなり複雑な段階となるため、どのように発展するかを予測するのは困難です。アーキテクチャ全体を変えるとなれば、何年もの研究が必要です。だからこそ、10年後にそうした成果を実現したいのであれば、研究を今始めるべきなのです。
未来のコンピューターはどのような姿になると思いますか。
コンピューターはディスプレーやインターフェース、ソフトウェアだけではありません。主に、演算能力とマイクロプロセッサー、つまり中央処理装置（CPU）、あるいはコンピューターの「頭脳」に関わるものです。将来は、おそらく並列演算を拡大し、より多くのコアを備えたマイクロプロセッサーを活用するでしょう。複数のCPUが同じチップ上で連携して動作し、コンピューターがより多くのタスクを実行し、システム全体の性能を大幅に高められるようになります。同時に、コストがそれほど大きな障壁ではなくなるため、より特化したコンピューターも登場し始めるでしょう。
将来も、コンピューターと呼ばれる個別の存在という考え方は残ると思いますか。
マイクロプロセッサーは今後も存在します。なくなることはありません。演算をどこまで並列化できるか、また、何台のコンピューターを大規模ネットワークやクラウドに接続するかは、別の問題です。通信技術が進歩し、通信速度がますます速くなるにつれて、多くのコンピューターを大規模ネットワークに接続するのはずっと容易になります。そうしたことは間違いなく、今後ますます広がっていくでしょう。すでにその兆しはあり、多くのデータがデスクトップではなくクラウドに保存されています。クラウドでの演算も、ますます普及するでしょう。しかし、その基盤には依然としてマイクロプロセッサーと電子機器、そして現在のアーキテクチャがあります。
グラフェンはほかに何に使えますか。
非常に強く、導電性も高い素材なので、複合材料の用途において、機械的な補強材として、あるいは導電性を高めるために使おうとする人々がいます。とりわけ興味深い用途は、バイオテクノロジー、生命科学、医療分野です。グラフェンをセンサーとして利用できます。多くの特性が相互に関連し、化学環境を変化させるため、そこからただちに電子信号を得られるからです。私が大いに関心を寄せているのは、グラフェンを2次元膜として使うことです。グラフェンによって、考えられる限り最も薄い膜を手にすることができ、しかも同時に、どのような分子もまったく通しません。原理的には、特定の分子を通すように設計し、生体膜として利用することができます。
グラフェンが実際に産業や商業利用に浸透するまで、どのくらいかかるでしょうか。
日常生活への導入は段階的に進むでしょう。炭素繊維がよい例です。炭素繊維を使った飛行機を見かけるようになったのは、ほんの数年前のことです。しかし20年前、炭素繊維は主にスポーツカーや一部のスポーツ用品の機械的な補強に使われていました。急激に変化するのではなく、ニッチ市場から始まり、より大規模な用途へと広がっていく段階的な導入なのです。まさにそれが、グラフェンですでに起きていることです。タッチパワー用途、熱伝導用途、機械的補強、導電性塗料などがあり、こうした製品の幅は年々広がっていくでしょう。利用を進めるなかで、素材と製造について知見が深まり、製造コストが下がり、品質が向上します。そう遠くないうちに、非常にありふれた素材になるでしょう。
グラフェンは、今は夢見ることしかできないような、まったく新しい技術につながる可能性がありますか。
私が取り組んでいる分野の1つに「オンデマンド材料」があります。原子1個分の厚さしかない結晶、つまりさまざまな2次元素材のライブラリーを持っています。それらはどれも性質が大きく異なり、金属、絶縁体、半導体もあれば、透明なもの、不透明なものなどもあります。このライブラリーを活用すれば、新しい3次元材料の設計に役立てられます。自然が意図した形ではなく、2次元シートを層ごとに重ね、異なる素材を組み合わせて別の積層構造を作り、その構造を組み立てながら機能を組み込むのです。用途や実現したいことに応じて、ニーズに合わせた積層構造を設計できるため、私はこれを「オンデマンド材料」と呼んでいます。これまで、こうした機会はありませんでした。通常は1つの素材に縛られますが、ここでは多機能材料をゼロから設計できるのです。
この発見や、材料科学におけるその他の最新のブレークスルーは、産業をどのように変えるでしょうか。
機能を、構造レベルから素材レベルへと移すことになるでしょう。つまり、シリコンを取り、それを再構成して特定の機能を果たすトランジスタを作るのではなく、「どのような機能が必要か教えてください。その機能を備えた素材を設計します」と考えるのです。これはまったく新しいパラダイムであり、機能を構造レベルから素材レベルへと移しています。一般に期待されているのは、多機能材料の実現です。つまり、原子数層の中に論理回路や電源装置などを組み込めるようになります。柔軟で透明、あるいは半透明の多機能材料を作り、その構造に機能を組み込めるようになるでしょう。
ワールド・エコノミック・フォーラムのカティア・モスクヴィッチによるインタビュー。
著者：コスティア・ノボセロフはマンチェスター大学の物理学教授です。ダボス2015の科学プログラムに参加しています。
コスティア・ノボセロフはダボスで開催される年次総会2015に出席し、次のセッションのパネリストを務めます。 「ムーアの法則を超えて」：2015年1月23日午後3時（CET） および 「世界の科学の展望」：1月24日午前9時15分（CET）。
画像：ロシアのコンスタンチン・ノボセロフ（左）が、2010年12月10日、ストックホルムのコンサートホールで行われた2010年ノーベル賞授賞式で、スウェーデン国王カール16世グスタフからノーベル物理学賞を受け取る。REUTERS/Claudio Bresciani/Pool。
