グラフェンは、大いに期待されているが、まだ産業を変革するほどの超素材ではない。そのグラフェンには、連結したボールで構成された関連する 3D 炭素構造という形で競合相手がいる。
「グラフィレン」と名付けられたこの新素材は、光を閉じ込めて偏光させる能力と量子特性により、新しい種類の光学機器や電子機器への応用が期待できる。
グラフェン片を拡大し、非周期的なピクセルノイズを除去して格子構造を表現するためにフィルタリングした。図： Meirzadeh, E; Evans, AM; Rezaee, M, et al
コロンビア大学化学准教授のザビエル・ロイ率いる研究チームは、既存の2種類の炭素構造を組み合わせることで、この新しい構造を開発しました。1つ目はグラフェンで、2004年に英国マンチェスター大学で発見されて以来、熱狂と憶測を巻き起こした、よく知られた炭素原子の2次元格子です。2つ目はフラーレンで、炭素格子を球状に形成します。フラーレンは、20世紀の未来学者であり技術者でもあったバックミンスター・フラーにちなんで名付けられました。
結果として得られる炭素球が結合した二次元構造はグラフィレンと呼ばれ、その三次元固体はグラフィレンライトと呼ばれます。グラフィレンは、より大きなグラフィレンライト結晶から剥離した極薄片状のフラーレンが結合した層で構成されています。
ロイ氏はオンライン出版物Phys.orgに対し、各フラーレンは60個の炭素原子で構成されているため、様々な方法で結合することができ、その結果、多様な電子的、磁気的、光学的特性が得られると述べた。今週Nature誌に掲載された今回の結果は、考えられる構成の一つに過ぎないとロイ氏は述べた。
「グラフィレライト結晶は電荷が中性で、剥離した分子レベルの薄片には残留対イオンや不純物がないため、閉じ込められた光の研究や量子材料に基づくデバイスの構築のためのプラットフォームを提供します。また、この研究は、化学的に調製・研究可能な、高次元および低次元の炭素超原子[形態]の一連のファミリーが存在することを明らかにしました」と論文は述べています。
- 研究によると、破壊的な技術や科学の発見の速度は数十年にわたって鈍化しているという。
- 英国議員、化石燃料の大量代替としての水素に冷水を浴びせる
- マイクロソフトがシリコンバッテリーのスタートアップに賭ける
- 古代の堆積物中に200万年前のDNAサンプルが発見された
第一著者でありコロンビア大学の博士研究員でもあるエレナ・メイルザデ氏は、マグネシウムの足場を使った高温処理でグラフィレライトの最初の結晶を作り出し、1年にわたる作業の後に酸で除去した。
「崩れてしまうだろうと思っていましたが、そのまま残っていました。その後、簡単に剥離して研究できるほど無傷で純粋な炭素結晶が見つかったのは、大きな驚きでした」と彼女はPhys.orgに語った。
刺激的ではあるものの、このような発見は誇大宣伝の犠牲になりかねない。2011年、当時の英国財務大臣ジョージ・オズボーン氏は、この発見を「英国の研究室から英国の工場の現場へ」届けるため、5000万ポンド（6000万ドル）の政府資金をグラフェンに拠出した。しかし、研究は継続されているものの、グラフェンは産業界全体に大きな影響を与えるまでには至っていない。
2019年、ネイチャー誌は新素材の発見には忍耐が必要だと訴え、「新素材を市場に投入することは、業界全体を変革する可能性を秘めている」と指摘した。科学に基づくイノベーションが商業活動に結びつくまでには20年から30年かかる可能性があるとネイチャー誌は主張し、1824年のシリコンの発見から1958年のシリコンチップの開発まで134年が経過したことを指摘した。
ロイ氏は、フラーレンはすでに有機太陽電池の製造や医療分野ではMRIやX線画像診断の造影剤、薬物治療の実施に利用されており、グラフェンは電子機器やエネルギー用途などでの潜在的用途が積極的に研究されていると述べた。
「今、私たちはこれらを組み合わせて、この新しい形態の炭素を作り出しました。この研究から何が生まれるかは正確にはわかりませんが、探求するのは非常にエキサイティングです」と彼は語った。®
