研究者らによると、しわ状のカーボンナノチューブ（CNT）フォレストは、将来のウェアラブル技術に必要な電力を供給する有望な解決策となる。
新たに開発されたスーパーキャパシターは、研究者らが元の大きさの800％まで伸ばし、伸縮を数千回繰り返しても、優れた性能と安定性を示す。
研究チームの成果は、学術誌Advanced Energy Materialsに掲載され、伸縮性のある新たなエネルギー電子システム、埋め込み型生体医療機器、スマート包装システムの開発を促す可能性がある。
「成功の鍵は、垂直に配向したCNTアレイ、つまりCNTフォレストをしわ状にするという革新的な手法です」と、ミシガン州立大学ソフトマシン・エレクトロニクス研究室長で、パッケージング学部の助教でもあるチャンヨン・カオ氏は語る。
やけどを負った人の治癒を見守りながら、自ら電力をまかなうスマートスキンパッチを想像してみてほしい。
「製造時に厳しい制約を受ける平らな薄膜ではなく、私たちの設計では、三次元的に相互接続されたCNTフォレストが良好な電気伝導性を保てるため、効率、信頼性、堅牢性が大幅に高まります。」
ウェアラブル技術として多くの人がまず思い浮かべるのは、スマートフォンと通信するApple Watchだろう。この例では、電池を必要とする機器が2つある。では、やけどを負った人の治癒を見守りながら自ら電力をまかなうスマートスキンパッチを想像してみよう。カオ氏の発明が実現する未来は、まさにそれだ。
医療分野では、極端に曲げても複雑で凹凸のある表面に沿うことのできる、伸縮性・ウェアラブル電子機器の開発が進んでいる。将来、科学者はこうした技術を生体組織や臓器に組み込み、病気の検出や回復状況の観察、さらには医療従事者との通信に活用できる可能性がある。
しかし、長持ちして耐久性のある、ウェアラブル機器に適した電源の確保が難題となってきた。熱を持ち、充電も必要なかさばるバッテリーパックで動かさなければならないのなら、画期的な新しいパッチを開発する意味はあるだろうか。（極端な例だが、言いたいことはわかるだろう。）
カオ氏の発見は、ウェハー上で樹木のように成長し、樹冠が絡み合う、直立したCNTをしわ状にして、伸縮可能なエネルギー貯蔵に応用した初の例だ。ただし、このフォレストの高さはわずか10～30マイクロメートルである。
「他の設計では効率が低下し、通常は一方向にしか伸ばせないか、はるかに小さな伸びでも完全に機能しなくなります。」
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研究者らがCNTフォレストを転写してしわ状にすると、毛布のような、印象的な伸縮パターンが形成される。三次元的に相互接続されたCNTフォレストは表面積が大きく、ナノ粒子で容易に改質したり、他の設計に適応させたりできる。
「より堅牢で、まさに設計上のブレークスルーです」とカオ氏は語る。同氏は機械工学と電気・コンピューター工学の助教も務める。
「各方向に最大300％伸ばしても、効率よく電気を通します。他の設計では効率が低下し、通常は一方向にしか伸ばせないか、はるかに小さな伸びでも完全に機能しなくなります。」
エネルギーの収集・貯蔵能力で見ると、カオ氏のしわ状ナノフォレストは、現存が確認されている他のほとんどのCNTベースのスーパーキャパシターを上回った。最高性能の技術は伸縮を数千回繰り返しても耐えられるが、なお改善の余地がある。
研究者らは、しわ状のCNTに金属酸化物ナノ粒子を容易に埋め込むことができ、それによって発明の効率をさらに高められる。カオ氏によると、この新たな手法は、自立給電型の伸縮性電子システムの進歩を促すはずだ。
共著者には、デューク大学、米海軍研究所、中国の華中科技大学、マサチューセッツ工科大学の研究者らが名を連ねる。研究は米国農務省と全米科学財団の資金提供を受けた。
