カーボン Nanotube の世界の進歩そして見通し

教授によって Morinobu Endo

、能力カーボン科学及び技術内部のの教授 Morinobu 信州大学、日本工学および協会
対応する著者: endo@endomoribu.shinshu-u.ac.jp

にわたって最後のディケイド、ナノテクノロジーは世界のあるおよび出現問題の多数新しい解決のための潜在源として多くをの社会から内のへの関心引きました。 簡単に言えば、ナノテクノロジーはよりよく原子および分子スケールの複雑な解決を理解し、設計する機能を提供できます。 最も魅力的なナノテクノロジー関連の nanomaterial は 1 次元カーボン nanotubes であると考慮されます (CNT)。

幾何学的に、 CNT は長い空の tubule に graphene のシートの転送によって視覚化することができます。 この材料の一義的な構成は優秀で物理化学的な特性を与えます1。 例えば、 CNT のヤングの係数は引張強さは鋼鉄の 100 回であるが、他のどの材料もより堅いです。 極大電流の密度は銅線およびキャリア移動度のため大きいです多数のアプリケーションの Ca. 105 cm/Vs. CNTs2 ショーの大きい約束が近い将来にであり、 CNT の2 優秀な特性が商業使用できる製品の使用で既に起因してしまった 100 倍。

現在、 CNTs の総計は商業的に世界中から達された Ca. 1,000 のトン/年を作り出しました。 この特集記事では、 CNTs の基本的な構造は簡潔に記述されています、また大規模な生産の最新の前進は CNTs の毒性学問題の特別な強調と、 nanotubes の既存の商業使用見直されます。

カーボン Nanotube は何ですか。

CNT は graphene (sp2 カーボン蜜蜂の巣の格子) の圧延シートとしてナノメーターのサイズの直径 ((a) 図 1) のシリンダーに視覚化することができます。 CNT の構造は高解像の透過型電子顕微鏡 ((b) 図 1) の初期に探索され3、 nanotubes が結晶のグラファイトの単一の原子層を表す蜜蜂の巣の格子から得られる継ぎ目が無い nanoscale の tubules であることを graphene シートとして他では参照されて明らかにします得られる結果は。 nanotubes の湾曲は円周の方向の力の定数が nanotube の軸線に沿ってよりわずかに弱いようにわずか sp3 結合を組み込みます。

図 1. (a) CNT は graphene (sp2 カーボン蜜蜂の巣の格子) のシートの転送によってナノメーターのサイズの直径のシリンダーに視覚化できます。 (b) CNT の構造は高解像の透過型電子顕微鏡によって前もって探索されました。

単一囲まれたカーボン nanotube nanotubes の周律を記述するために少数の波ベクトルだけが必要です (SWNT) は厚くたった 1 個の原子で、円周のまわりで少数の原子があるので。 これらの抑制は大きい番号か密接に間隔をあけられた許可された波ベクトルに相当して nanotube の軸線に沿ってだけ、行われていて平面波の動きが放射状および円周の方向の波動関数の量の拘束の、原因となります。

カーボン nanotubes は金属または半導体であり同様に複数の壁の nanotubes または単一壁の nanotube の束の個々の要素は金属または半導体である場合もあります4。 これらの驚くべき電子特性は円周の方向の量の拘束の抑制の下で第 2 グラファイトの電子構造から続きます。

普通直径より少なくよりおよそ 100 nm がある複数の囲まれたカーボン nanotubes (MWNTs マルチ層の個々のシェルが完全な graphene シート5から成っているのに、) の場合には、黒鉛の三次元スタッキングは確立されません。 また、各管にグラファイトにあるよりより大きい相互シェルの間隔に貢献するかもしれない別および独立した chirality があります。 単一のおよび複数の囲まれた CNTs のこれらの独特の構造は魅了の電子、化学、機械の、および熱特性が付いている一義的な 1 次元材料であることを示します。

カーボン Nanotubes の産業規模の生産

今まで、 CNTs を作り出すためのさまざまで総合的な方法は報告されました (例えば、アーク放電、レーザーの蒸発および触媒作用の化学気相堆積 (CVD))。 支配的な最近の傾向はこの技術が SWNTs および MWNTs 両方の大規模な生産のために非常に役立つので CVD のアプローチを使用して CNTs を総合することです。 3同時に反作用区域に炭化水素および nanoscale をガス段階の触媒作用の粒子は入れることによって、 CNTs 大規模に総合されました。 6

リアクターの成長の SWNTs そして MWNTs は提案され、これは六角形 sp2 カーボンの整然とした tubule の粒子によって nano サイズの金属の粒子の表面および連続的な出力上の炭化水素の触媒作用の沈殿を含みます3,6。 この仮定の強力な証拠は管 (図 2 (A.c.)) の端に触媒作用の粒子の存在 (上かルート) です。 SWNTs の大規模な生産の場合には、高圧一酸化炭素プロセスの開発は SWNTs の科学的な調査そしてアプリケーションに原動力を与えました7

図 2. は管の端に触媒作用の粒子の存在を示します。

産業アプリケーションのための MWNTs のバルク生産に関して、 1980 年の終わりに、 Ltd Showa-Denko Co. が Hyperion Catalysis International、 Inc. (ケンブリッジ、 MA) 毎年触媒に関して育てられた CNTs の複数のトンの生産を始めたことを述べることは重要であり。 現在、世界中の商用化された MWNTs の総計は 1,000 トン/年に達しました。 2015 の全体的なカーボンnanotube 収入が US$500 百万に達することが期待されます8。 最も興味深いポイントはすべての会社が MWNTs の大規模な生産に触媒作用 CVD 方法を選んだことです。

カーボン Nanotubes のアプリケーション

小さい次元および優秀で物理化学的な特性、 CNTs が原因で広い応用範囲のために提案されました。 CNT の潜在的なアプリケーションのいくつかは多機能の合成物、電気化学の電極や添加物、フィールドエミッター、また nano サイズの半導体デバイス含んでいます2。 CNTs はリチウムイオン二次電池の陽極および陰極両方材料でも注入口として使用されます9,10

スキャンのプローブの顕微鏡の先端として MWNTs が高解像の画像を得るのに使用することができ、近い将来に、薄い MWNTs はフラットパネルディスプレイのためにフィールド放出電子ソースとして使用されます。 化学的に functionalized MWNTs はまた異なった表面と相互に作用している化学および生物的グループのための高い感知の能力を与えます。

さらに、 CNTs はポリマー合成物の注入口のための理想的な候補者です。 最も小さい働く合成ギヤは溶解したナイロンに nanotubes を混合し、小さい型に注入によって準備されました。 この部分は高い機械強さ、高い摩耗抵抗およびまたよい電気および熱伝導度を表わします。 それ以上の進歩は十分に nanotube/ポリマー処理合成物、有効なアラインメント方法 (また評価方法) の例えば表面の特性の最適化、同質な分散物理的な損傷なしでこれらの、開発および処理をを利用するために遂行されなければなりません。

高温および圧力に抗することができる極度のゴム製密封剤はカーボン科学及び技術の協会の教授によって Morinobu Endo および彼の同僚正常に製造されました。 これはゴムに表面修正された nanotubes を組み込むことによってされました11。 私達の推定値にそして石油資源の深さそして温度を調査した後基づいて、圧力の 239 MPa 以下 260°C に抗する現在の 35% からのオイルの回復効率の革命的な機能拡張に前に得難い沈殿物を掘ることによってことができる極度のゴム製技術の開発はに 70% 以上貢献します。

CNT のもう一つの潜在的なアプリケーションは人工的な筋肉で使用される超コンデンサーおよび電気化学のアクチュエーターの製造にあります。 Nanotube のアクチュエーターは 350°C. 低電圧および高温で動作できます。 現在、超コンデンサーはハイブリッドカーに急速な加速を提供し、破損エネルギーを電気で保存できるので組み込まれます。

nanowires として CNTs を使用する可能性は観察された弾道輸送が予想された原因です。 nanotube の電界効果トランジスタの製造のために、 SWNTs は金属の nano 電極に接続されました。 パフォーマンスは低いキャパシタンスのために切り替え速度の点では優秀です。 CNT と関連付けられる固有問題はそれらの処理の難しさにあります。 商業視点から、それ以上の技術進歩は自己アセンブリ技術を使用して nanotubes の選択的な成長のような、必要となります。

カーボン Nanotube Biocompatibility

多くの注意はアスベストスのそれに類似した nanoscale 次元および形態学上機能による CNTs の毒性で支払済でした12,13。 従って労働者の危険そして職業無秩序を防ぎ、消費者製品の彼らの安全使用を促進するために、 CNT の毒性学の証拠は強く必要です。 CNTs の生物的応答の私達の予備の調査は明記します潜在的で有毒な性質がかなり低いことを14,15。 ただしさまざまなタイプの人間の肺の管の直接抱負のような CNTs の有毒な性質を定めるために、より完全な、長期調査は行なわれなければなりません。

展望

これらの小さく、黒い管状タイプの nanomaterials は私達が住み、働き、そして通信する方法を変更します。 多数の CNT 得られた製品は既に使用中であり、実行可能性は商業化の成功によって強く決まります。

成功として商品の CNTs の使用を考慮する前に、少なくとも 4 つの障害は解決しなければなりません:

   1. 金属不純物として高い純度 CNTs を得る方法頻繁に後有毒な特性をもたらすことができる製造プロセス残しました。
   2。 これらの小さい材料を処理する方法。
   3。 CNT の chirality を制御する方法。
   4。 最も重要でしかし最も重大な 「安全」問題は長期および組織的生物的調査に基づいていました明白にならなければなりません。

アカデミーおよび企業両方の広範で、集中的な努力はこれらの障害に解決を捜して、解決が達されたら、 CNTs は 21 世紀の革新的な材料としていくつかの工業プロセスのst 主重要な役割を担います。

私達は科学の最初の山、技術の第 2 山および CNTs を正常に作り出すことによって経済の第 3 山を越えて大規模に相当の料金で達しました (図 3)。 ここで私達は社会の山に上るように努力しています。 すべての係争物受寄者と CNTs の危険そして利点の情報を共有することによって、私達は最終的に nanotube 山の上に達し、 CNT を証明することは 21 世紀の革新的な材料st です。

ナノテクノロジーの先端として図 3. カーボン nanotube は 21 世紀の革新的で、基本的な技術として 4 つの山を越えて行かなければst なりません。 科学の世界的な共同は成功のための重要な問題です。

確認応答

この作業はクラスタ (第二段階) および MEXT の許可 (19002007 無し) によって、日本サポートされた一部にはありました。


参照

1. M.S. Dresselhaus、 G. Dresselhaus および P.C. Eklund のフラーレンおよびカーボン Nanotubes の学術出版物、サンディエゴ (1996 年) の科学。
2. M.、 M.S. Strano 内部、カーボン Nanotubes の P.M. Ajayan、: 統合、構造、特性およびアプリケーション (ED、 A. Jorio、 M.S. Dresselhaus、 G. Dresselhaus) の高度なトピック、スプリンガー 2008 年、 PP 13-61。
3. A. Oberlin、 M. Endo および T. Koyama の J. の結晶成長 32、 335-349 (1976 年)。
4. R. Saito、 M.S. Dresselhaus および G. Dresselhaus のカーボン Nanotubes の帝国大学出版物、ロンドン (1998 年) の物理的性質。
5. X. 日曜日、 C.H. Kiang、 M. Endo、 K. Takeuchi、 T. Furuta および M.S. Dresselhaus、 Phys。 Rev. B 54、 1 (1996 年)。
6. M.、 Chem 内部。 Tech. 568-576 (1988 年)。
7. P. Nikolaev、 M.J. Bronikowski、 R.K. ブラッドリー、 F. Rohmund、 D.T. Colbert、 K.A. スミス、 R.E. Smalley、 Chem。 Phys。 Lett。 313、 91 (1999 年)。
8. ビジネス腕時計、性質 461、 703 (2009 年)。
9. M.S. Dresselhaus のカーボン 39 1287-1297 内部、 Y.A. 金、 T. Hayashi、 K. Nishimura、 T. Matushita、 K. Miyashita および M. (2001 年)。
10. C. Sotowa、 G. Origi、 M. Takeuchi、 Y. Nishimura、 K. Takeuchi、 I.Y. Jang、 Y.J. 金、 T. Hayashi、 Y.A. 金、 M. Endo、 M.S. Dresselhaus、 ChemSusChem 1、 911-915 (2008 年)。
11. M.、 T. Noguchi 内部、 M. Ito、 K. Takeuchi、 T. Hayashi、 Y.A. 金、 T. Wanibuchi、 H. Jinnai、 M. Terrones、 M.S. Dresselhaus の ADV。 Funct。 Mater。 18、 3403-3409 (2008 年)。
12. A. Takagi、 A. Hirose、 T. Nishimura、 N. Fukumori、 A. 緒形、 N. Ohashi、 S. Kitajima、 J. Kanno、 J. Toxicol。 Sci。 33、 105-116 (2008 年)。
13. C.A. ポーランド、 R. Duffin、 I. Kinloch、 A. Maynard、 W.A.H. ウォーレス、ネットワークアドレス交換 A. Seaton。 Nanotech。 3、 216-221 (2008 年)。
14. S. Koyama、 M. Endo、 Y.A. 金、 T. Hayashi、 T. Yanagisawa、 K. 大阪、 H. Koyama、 N. Kuroiwa のカーボン 44 1079-1092 (2006 年)。
15. S. Koyama、 Y.A. 金、 T. Hayashi、 K. Takeuchi、 C. Fujii、 N. Kuroiwa、 H. Koyama、 T. Tukahara、 M. Endo のカーボン 47 1365-1372 (2009 年)。

、版権 AZoNano.com Morinobu Endo (信州大学) 教授

Date Added: Jun 23, 2010 | Updated: Jun 11, 2013

Last Update: 14. June 2013 01:31

Tell Us What You Think

Do you have a review, update or anything you would like to add to this article?

Leave your feedback
Submit