テフロンや電子レンジからペニシリンに至るまで、科学上の著名な発見のなかには偶然によるものが少なくありません。科学者は問題を解決しようとするなかで、思いがけないものを見つけることがあります。今回もまさにそのようにして、私たちはホスホレン・ナノリボンを作り出しました。これは宇宙を形づくる基本要素の一つからできた素材で、幅広い技術を一変させる可能性を秘めています。
私たちは、リン結晶の層を分離して二次元シートにしようとしていました。ところが、私たちの手法でできたのは、タリアテッレのような小さなリボンでした。厚さは原子1個分、幅は約100原子分しかない一方、長さは最大10万原子分に達します。製造工程を磨き上げるのに3年を費やし、その後、研究成果を発表しました。
この二次元リボンには、注目すべき特性がいくつもあります。幅と長さの比は、ゴールデンゲートブリッジに架かるケーブルに似ています。幅はきわめて均一でありながら調整可能なため、電気を通すかどうか、またどのように通すかといった特性を微調整できます。さらに非常に柔軟で、置かれたあらゆる表面の起伏にぴったり沿い、ねじることもできます。
変革をもたらす可能性
このナノリボンを作製できれば、さまざまな技術に変革をもたらす可能性があると、100本を超える科学論文が予測していました。なかには、私たちの発見がNature誌に発表される5年も前の論文もありました。
おそらく最も重要な用途の一つは、電池技術の分野です。ホスホレン・ナノリボンの波状構造によって、電池を動かす荷電イオンは現在可能な速度の最大1000倍の速さで移動できるようになる可能性があります。これにより充電時間が大幅に短縮されるとともに、容量も約50%増加します。こうした性能向上は、電気自動車や航空機の産業を大きく後押しし、曇天で風のない日でさえ、再生可能エネルギーをより効果的に活用して化石燃料への依存をなくすことを可能にするでしょう。
また将来的には、電池にリチウムイオンの代わりにナトリウムイオンを使える可能性もあります。確認されているリチウム埋蔵量では、電池需要の大幅な増加予測に対応できないかもしれません。また、リチウムの採掘は環境に有害な影響を及ぼすことがあります。一方、ナトリウムは豊富にあり、安価です。
エレクトロニクス分野も、ナノリボンの恩恵を受けるかもしれません。ムーアの法則によれば、コンピューターの処理能力は2年ごとに倍増しますが、材料の物理的限界に急速に近づいているため、このペースは鈍化するおそれがあります。私たちの素材のような「2D」材料を用いれば、こうした限界を再定義し、より小型で高速なデバイスを作れる可能性があります。
この分野のもう一つの大きな障害も、リボンによって解決できるかもしれません。ナノ材料を電気的につなぐ際、接合部で大きな抵抗（ひいてはエネルギー損失）を生じさせない方法です。数層の厚さを持つホスホレン・ナノリボンは、異なる高さや電気特性を持つリボンへと継ぎ目なく分割できるため、通常の接続に必要な工学的要件を回避できます。その結果、高効率太陽電池の実用化が、いまや大きく近づく可能性があります。
ホスホレン・ナノリボンの柔軟性と熱電特性により、衣服に組み込んで、廃熱を有用な電力に変換することも可能です。たとえば、体温だけを電源として、心拍数や血糖値を測定する熱電Tシャツが、近いうちに登場するかもしれません。
この技術は、効率的で低炭素な燃料としての水素の可能性を解き放つかもしれません。水には水素が豊富に含まれ、取り出す際に副産物として生じるのは酸素だけです。しかし、これを低コストで実現する方法は、これまで科学者たちにも見つけられていません。水分子は、光触媒反応と呼ばれるプロセスで分解できますが、この方法には多くの光を吸収し、水とよく適合するエネルギー特性を備えた素材が必要です。ナノリボンはまさにこうした特性を持つと予測されており、水との接触を最大化する高い表面積も備えているため、水素製造の難題を解決する有望な候補です。
心強いことに、ホスホレン・ナノリボンはすでに商業化への道のりにある大きな障害を乗り越えています。私たちの手法のように量産可能な製造方法を見つけるには、ほとんどの新素材で何年もかかり、日の目を見ないものもあります。さらに、リンは地殻に比較的豊富に存在し、容易に採取できます。また、私たちのリボンはすでに液体中で形成されるため、スプレーコーティングやインクジェット印刷などの低コストな手法を使い、大規模に加工するインクや塗料を容易に作製できます。
ただし、こうしたリボンの製造は、前述の技術に革命をもたらすための第一歩にすぎません。理論上の予測を検証し、特定の用途に合わせてリボンの特性をどこまで調整できるかを調べる研究が、これから数多く必要です。テフロン、リチウム電池、ベルクロの20年以上に及ぶ道のりが示すように、発見から実用化までの道は長いことがあります。しかし、社会が化石燃料からますます離れつつある今、その道のりは近いうちに多くの人が歩むものになると期待しています。
