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引っ張りに強いカーボンナノチューブの構造を特定 ~軽量で高強度な究極の構造材料の実現に一歩近づく~

 国立研究開発法人 科学技術振興機構(JST),名古屋大学,愛知工業大学,および京都大学は2019年7月10日,JST 戦略的創造研究推進事業において,ERATO 伊丹分子ナノカーボンプロジェクトの伊丹 健一郎 研究総括(名古屋大学大学院 理学研究科物質理学専攻化学系教授),宮内 雄平 グループリーダー(京都大学 エネルギー理工学研究所 准教授),生津 資大 教授(愛知工業大学 工学部機械学科)らの研究グループが,多様な構造を持つカーボンナノチューブの中で,引っ張りに強いナノチューブの構造を突き止めた,と発表した.本研究成果は,英国科学誌Nature Communicationsのオンライン版で公開された(注).

 カーボンナノチューブ(CNT)は,炭素の六方格子が同軸管状になった物質で,非常に高い導電性,熱伝導性・耐熱性を持つため,様々な用途開発が進められている.その引張強度(tensile strength)は,既知材料最大の100-200GPaと予測されるが,実測される値はかなり低く,バラついていた.CNTの太さは1~数10nm,長さ数μm~数mmで,構造には単層(SW)と単層が入れ子になった多層(MW)がある.SWCNTは,直径と,六方格子の配列角度を示すカイラル指数(n, m)で記述され,その多様な幾何学構造は,ジグザグ型,らせん型,アームチェア型に分類される.ところが,現在の一般的な合成法では,様々な構造のCNTが入り混じって得られるので,強度を支配する欠陥構造まで考慮して引張強度を決めるメカニズムを考察することは難しかった.

 これに対し,本ERATOプロジェクトは,構造をきちんと決めた一本のSWCNTの引張強度測定を実現するために,物理,化学,機械工学といった異なる学問領域の専門家の力を結集した.それにより,合成,構造決定から,引張強度測定までの一連の実験を精密に設計することで,一本の幾何構造の決まったSWCNTの引張強度の測定に成功した.まず,アルコール化学気相成長(CVD)法でSWCNTを一本一本,基板に設けた切れ目の上に橋渡しするように成長させた.次に,広帯域レイリー散乱分光スペクトルと既に得られているカイラル指数の対比から,それぞれのSWCNTの幾何構造を(13, 12)などと決定する.その後,走査型電子顕微鏡による観察の下,微細加工技術で作製したマイクロフォークを使ってSWCNTを拾い上げ,引張強度測定用のMEMSデバイスに設置する.MEMSデバイスは力測定のためのバネが付いた従動ステージと,引張力を加える駆動ステージから成り,駆動ステージを移動させ,切れた際の従動ステージの移動量から引張強度を決定した.

 この結果,アームチェア型,特に直径が1.7nmと小さい近アームチェア型のSWCNTが最も大きい70GPaの引張強度を示すことがわかった.六方格子のジグザグ方向と円周方向の成す角(θ)の大きい方が,また直径(d)の小さい方が引張強度は大きい.欠陥構造を取り込んだ解析により,引張強度σfはθの関数とd-0.5に比例することが示され,引張強度の幾何構造依存性も導かれた.

 本成果は,強くて軽い究極の構造材料を実現するための基礎を与えるものとしている.

(注)A. Takakura, K. Beppu, T. Nishihara, A. Fukui, T. Kozeki, T. Namazu, Y. Miyauchi, and  K. Itami, "Strength of carbon nanotubes depends on their chemical structures", Nature Communications, Vol. 10, Artic