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理学部 物理学科
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「カーボンナノチューブ」が、あらゆる分野に活用される日
ナノ物质研究の歴史
1990年代から、分子や原子という极小の世界を扱うナノテクノロジーの研究が盛んに进められるようになりました。しかし、ナノ物质の研究自体は、1970年代から行われていたのです。当初は、グラファイトと呼ばれる、炭素が层状となった化合物が研究対象となっていましたが、1985年に、フラーレンというサッカーボール状の构造をしたナノ物质が発见され、さらに1991年にナノチューブという筒状のナノ物质が発见されると、ナノ物质の研究が飞跃的に盛んになりました。
构造によって性质が変わる
ナノチューブとは、网の目のように结合した原子が筒状の构造になったナノ物质です。筒の直径は约1ナノメートル（10亿分の1メートル）であり、筒の巻き方など、その构造によって性质は大きく変わります。
炭素原子でできた「カーボンナノチューブ」を使うと、非常に軽くて丈夫な物质ができるため、ゴルフクラブやテニスラケットなどの素材として実用化されています。将来的には、地上と宇宙空间をつなぐ「宇宙エレベータ」の材料として使えるのではないかと期待されています。カーボンナノチューブは构造によって性质が変わり、电気を流しにくい半导体のものや、电気をよく流す金属のものがあります。半导体の性质を持つものは次世代コンピュータの素材として使用できます。また、チューブ构造は表面积を大きくとることができるので、电気伝导性があるものは大容量のバッテリーに活用することができると考えられています。
ナノチューブ研究の课题
まさに梦の物质とも言えるカーボンナノチューブですが、実は、大量生产が极めて难しいことが、実用化への障害となっています。カーボンナノチューブを少しずつ作ることはできますが、それも、さまざまな种类のカーボンナノチューブがばらばらに混ざった形で生み出されているのが现状です。同一の构造のカーボンナノチューブを、ある特定の方向性を持つそろった状态で大量に生产する方法が确立されれば、次世代のブレイクスルーが実现できると言われています。
ナノがエネルギー问题を解决する？
ナノとマクロの世界の违い
私たちの目に見える普通サイズの世界、いわゆるマクロの世界では、結晶や金属などの物質は1モル（6×10の23乗個の原子）を基準に考えます。一方、ナノとは、原子や分子が数10個からなるナノサイズの極小物質を対象とします。 例えばナノの研究で注目を集めている「カーボンナノチューブ」という筒状の物質は、直径1ナノメートル、つまり10億分の1メートルという大きさであり、その円周方向はわずか数十個の炭素原子からできています。ナノ物質の特徴は、原子の並び方や形によって、大きく性質が変わるというところにあります。そうした特徴を利用して、新たに役立つ物質?構造を作り出そうという研究が進められているのです。
ナノの利用法
ナノの构造をとることでさまざまな面白い性质が出てきますが、そのひとつとして、热电変换の性能が上がるということが挙げられます。热を电気エネルギーに変换する効率が向上するのです。ナノの形をうまく制御すると、热は流しにくいが电流はよく流すという状况を作り出せると予想されています。世の中には无駄になっている热が大量にあるので、その热を効率的にエネルギーとして利用することができ、エネルギー问题の解决につながることも期待されています。例えば、体温によって电気を発生させてセンサーを駆动させるなどということもできるかもしれません。
ナノの研究のポイント
ナノの性質が変化する要因として、どういう構造をしているかということと共に、その物質がどのくらい電子を持っているのか、ということも重要です。発現する性質については、計算によって理論上の予測を立てることは可能ですが、実際のところは実験を繰り返さないと確かめることができません。 新しいナノ物質?構造を生み出し、それがどういう性質を持っているか、また、その性質はどのようにして制御することが可能なのか、これを突き止めることが、今後の科学と技術の発展につながっていきます。
高校生?受験生の皆さんへのメッセージ
科学の世界は、个人の「これを知りたい」という思いを原动力にして、まわりから何を言われても研究をやり遂げる、ということの繰り返しによって発展してきました。
あなたも自分がやりたいと考えていることを、とことん突きつめてください。自分で目标を定めたならば、そこに向かって努力を惜しまず突きつめて、自分自身がやりたいことをやり抜くこと、やりきることが大事です。それは大変な道かもしれませんが、科学者の道というものが、面白い道であることは间违いありません。
梦ナビ编集部监修
