カーボンナノチューブ（CNT）はその優れた物性から多くの産業界での活用が望まれている注目度の高い材料です。ただ、量産性や評価方法に課題を抱えており、研究が盛んな領域とも言えます。
カーボンナノチューブとは？構造について
目次
カーボンナノチューブは、炭素原子のみで構成されている物質で、ハニカム構造の炭素原子がチューブ状になっているものを指します。
ハニカム構造とは蜂の巣型の結合のことを指します。サッカーゴールのネットを筒状にしたような形状といえばわかりやすいでしょうか。
チューブ状の物質ですが、直径はナノレベルの大きさのため遠目にみると細長い繊維のような形状をしているのが特徴です。
カーボンナノチューブの構造の種類は2つあり「単層カーボンナノチューブ」と「多層カーボンナノチューブ」に分けられます。
単層カーボンナノチューブは1つのチューブのみで構成されているためSWNT（シングルウォールナノチューブ）と呼ばれ、多層カーボンナノチューブは複数のチューブが入れ子構造になっているものを指し、MWNT（マルチウォールナノチューブ）と呼ばれます。
単層カーボンナノチューブの直径は最小で約1ナノメートル、長さは約10マイクロメートル程度。多層カーボンナノチューブの直径は最小で約100ナノメートルで、単層と多層で直径の大きさには差があります。
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シングルカーボンナノチューブ
多層カーボンナノチューブ
カーボンナノチューブ（CNT）の特徴
カーボンナノチューブの特徴は、次の通りとなります。
- 軽量性：アルミニウムのおよそ半分の重さ
- 高機械的強度：鋼のおよそ20倍の強度
- 高導電性：銅のおよそ1000倍の高電流密度耐性
- 高熱伝導性：銅のおよそ10倍
カーボンナノチューブは非常に軽量性に優れ、なおかつ高強度な特性を持ちます。また、アルミニウムのおよそ半分の重量ではありますが、鋼の20倍もの機械的強度があります。
このような特性から、軽量性と強度が重視される航空機部品やロードバイクのフレームなどで積極的に採用されています。
さらに軽量性と強度を満たした上で柔軟性も高いため、宇宙と地上を結ぶ宇宙エレベーターにも利用できるのではないかと考えられています。
電気的な特性や熱伝導特性にも優れているため、カーボンナノチューブを導電性を持たない樹脂などに混ぜ込み導電性をもたせたり、小さなデバイスでの配線材料として利用したりといった研究が行われています。
カーボンナノチューブは構造により電気特性が変わるため、次世代の半導体マテリアルとしての利用も期待されています。
カーボンナノチューブは結合が非常に強いため、化学的にも熱的にも安定している特徴もあります。そのため、高温環境で利用しても化学変化や強度低下を引き起こしにくく、厳しい環境下でも利用しやすい材質です。
カーボンナノチューブ（CNT）のつくり方
カーボンナノチューブを製造する方法は、大きく分けて次の3つあります。
- アーク法
- レーザーアブレーション法
- CVD法
アーク法
アーク法は溶接などで使われるアーク放電を利用した製造方法です。
黒鉛（グラファイト）でできた電極間に高電流を流しアーク放電を発生させると、陰極側の電極にMWNT（多層カーボンナノチューブ）を含んだ物質が発生します。この手法は、ヘリウムガスやアルゴンガス、メタンガスなどのガス雰囲気中で行う必要があります。
電極の材質に純粋な黒鉛を使用するとMWNT（多層カーボンナノチューブ）のみが発生しますが、電極の黒鉛に金属触媒（ニッケル、コバルト、イットリウムなど）を添加することで、発生するカーボンナノチューブの一部がSWNT（シングルウォールナノチューブ）になります。
レーザーアブレーション法
レーザーアブレーション法は、別名「レーザーファネス法」とも呼ばれる手法です。
レーザーアブレーション法では、金属触媒を混ぜた黒鉛にYAGレーザーを照射して高温にし、蒸発させます。蒸発させた黒鉛にアルゴンガスを吹き付けて約1200℃の電気炉の中へ移動させると、炉の壁面にSWNTが付着します。
高純度のSWNTを得たい場合に最適な手法ですが、大量生産には向かない製造方法となっています。
CVD法
CVD法は化学的な成膜方法全般を指す手法です。大気圧から中真空のガス雰囲気の中で、プラズマや光、熱などを加えて化学反応を促進する手法で、金属などへのコーティングでよく利用されています。
カーボンナノチューブの製造では、触媒金属のナノ粒子とメタンやアセチレンといった炭化水素ガスを熱分解し、カーボンナノチューブを得ます。CVD法の中には、DIPS法、CoMoCAT法、HiPCO法、スーパーグロースCVD法などの手法があります。
CVD法に属する手法は、いずれもSWNTを大量に得るために適した手法となっています。
カーボンナノチューブ（CNT）を活用するための課題
優れた性能を持つカーボンナノチューブですが、活用していくためには解決しなければならない課題が存在します。
カーボンナノチューブを活用するためには、
- 分散性を高める
- 安全な取り扱い方法の確立
この2つが必要です。
分散性の課題
カーボンナノチューブはSWNTとMWNTの2つに大きく分けられます。カーボンナノチューブの性能を最大限に発揮するには、このSWNTとMWNTの2つを分散することが必要です。
しかし、細長い繊維状のカーボンナノチューブは絡まりやすく分散するのが難しくなっています。
そしてさらに分散を難しくしているのが、カーボンナノチューブは絡まりあった状態で生成されてしまうところです。絡まった釣り糸を解くのが難しいのと同じように、複雑に絡み合ったカーボンナノチューブを分散することは大変困難なことなのです。
カーボンナノチューブの性能を最大限に活かすには、絡まりあったカーボンナノチューブの繊維を効率よく分散する方法を開発することが必須課題となっています。
課題解決の方法として、SWNTとMWNTそれぞれに適した分散方法を検討することが重要です。
例として、SWNTの分散処理において高粘度スラリー対応メディアレス分散機を使用することにより、切れや折れを防ぎつつ分散できる可能性があります。
また、MWNTの分散処理において、ビーズミルでの処理工程を2段階に分けることでスラリー化した際の増粘を抑えることができ、分散剤の使用量を削減したり、高濃度化による生産量の増加を見込めます。
ナノ粒子ワールドを運営するアシザワファインテックでは、カーボンナノチューブにおける独自ノウハウによる2段階分散処理にて効率的な分散を実現しております。
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安全な取り扱い方法の課題
カーボンナノチューブは繊維状で硬いのが特徴です。この特徴は発がん性が指摘されニュースにもなったアスベストとよく似ており、同じような特徴をもつカーボンナノチューブにも発がん性があるのではないかという危険性が指摘されています。
カーボンナノチューブは軽く小さな物質であるため、ちょっとしたことでも空気中に舞いやすく、適切な環境下で取り扱わなければ、空気中に広まったカーボンナノチューブをヒトが吸引する恐れが高くなっています。特に製造プロセスでは、作業者が吸引してしまう可能性が高く、健康被害が予測されます。
現在では、安全な曝露量の指標や取り扱いのためのガイドラインなどが国内外から提案されている状況です。しかしながら、明確な研究データが少ないこともあり、厳密な取り決めがされていません。カーボンナノチューブをより普及させるには、安全な取り扱い方法を策定することが急務となっています。
カーボンナノチューブ（CNT）の用途と製品
カーボンナノチューブの利用用途はまだまだ研究途中ではありますが、現在では次のようなものへの利用が期待されています。
- キャパシタ（電極材）
- 電池材料（正極材用 導電助剤)
- 半導体デバイス
- 配線材料
- 医療用材料
- 自動車部品
- 航空機部品
- スポーツ用品（自転車部品、テニスラケット）
| 材質 | カーボン | |
| 訴求機能・特徴 | 強度、高電流密度、高熱伝導、導電性 | |
| 平均粒径 | 1 nm〜200 nm | |
| 粒子形状 | 繊維状、筒状 | |
| 具体的用途例 | LiB用導電助剤（LFP正極材用、負極材用）、電気二重層キャパシター、燃料電池、導電インキ、透明導電性フィルム、半導体用材料、燃料チューブ、フィーエルポンプ、ギア、エンジンオイル、搬送用トレー、フィルム包材、導電ゴム、放熱ゴム、海水炭水化膜、光ファイバー、コンクリート、メタルコンポジット | |
| 利用用途（粒径別） | 100 nm〜1 μm | 二次電池用導電助剤 |
| 10 nm〜100 nm | 二次電池用導電助剤、自動車部品 | |
| 〜10 nm | 半導体 | |
カーボンナノチューブ（CNT）の評価方法
カーボンナノチューブの評価方法には、以下のようなものがあります。
-
分散性評価
カーボンナノチューブの直径や長さなどの構造特性は、透過電子顕微鏡（TEM）や原子間力顕微鏡（AFM）走査型電子顕微鏡などを用いた構造解析によって評価することができます。
-
機械物性評価
カーボンナノチューブの機械特性評価には、引張試験、圧縮試験、曲げ試験などがあります。これらの試験は、ナノインデンテーション法、粘弾性測定装置を用いて行われます。
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熱物性評価
カーボンナノチューブの熱物性評価には、熱伝導率や熱膨張係数などが含まれます。これらは、熱解析シミュレーション、熱分析装置を用いた試験などで評価することができます。
-
電気物性評価
カーボンナノチューブの電気物性評価には、導電性や絶縁性、界面電気特性などが含まれます。これらは、電気的な特性を測定するための試験機器を用いた試験で評価することができます。
カーボンナノチューブの安全性
マウスへのカーボンナノチューブの吸入試験を行ったところ、吸引したカーボンナノチューブが原因で肺に強い炎症が発生することがわかっています。腹腔に投与されたカーボンナノチューブにより中皮腫が発生したことも実験で判明しています。
カーボンナノチューブの細く硬い性質が、細胞膜を突き破り、免疫を司るマクロファージを殺してしまうなどの影響が、これらの毒性の原因と考えられています。
また、「安全な取り扱い方法の課題」の章でもお伝えしたように、カーボンナノチューブの性質がアスベストと似通っていることから、発がん性の危険性が指摘されています。
発がん性の有無ついては曝露から発症まで、マウスでも1年以上、ヒトの場合で15年〜40年と非常に長い期間かかるため、因果関係を調べるため現在も研究が続けられています。
参考文献：
産総研
アーク放電法によるカー ボンナノチ ュー ブの生成 について
単層カーボンナノチューブの触媒ＣＶＤ合成と近赤外蛍光分光
カーボンナノチューブってどんな材料なの？
国立環境研究所
