この記事では、カーボンナノチューブやグラフェンについて、その特性や応用、練習問題などを示す。
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カーボンナノチューブ（CNT）とは何か？
カーボンナノチューブ（carbon nanotube, CNT）は、炭素原子がナノスケールの直径で筒状構造をとる材料である。1991年、NECの飯島澄男によって初めて報告され、画期的な発見とされた。この材料には、複数の筒が重なった**多層CNT（MWNT）と、単一の筒からなる単層CNT（SWNT）**が存在する。
特にSWNTは、グラファイト（黒鉛）の炭素原子を六角格子状に並べた層を筒状に巻いた構造をしている。その直径はおよそ0.8～1.4 nmと非常に小さい。
製造方法
CNTの製造には主に以下の方法が用いられる：
- グラファイト棒のアーク放電法
- レーザー蒸発法
- 有機化合物を熱分解して炭素原子を析出させる化学気相成長法（CVD）
特にCVD法は制御性が高く、MWNTの大量製造や工業的利用において重要である。
CNTの物性と応用
CNTは以下のような特徴的な物性を持つ：
- 低密度：軽量であるため、輸送や宇宙産業に適している。
- 高強度：機械的強度が非常に高く、ダイヤモンドに匹敵する。
- 高弾性：極めてしなやかな特性を持つ。
- 高熱伝導性：熱を効率よく伝える。
- 高電気伝導性：金属的または半導体的な特性を示す。
応用分野
CNTは、以下のような幅広い分野で応用が期待されている：
- 電子デバイス：単電子トランジスタやフィールドエミッタディスプレイ（FED）
- センサー技術：高感度センサー
- 航空宇宙産業：軽量かつ強靭な材料として
- エネルギー技術：燃料電池やリチウムイオン電池の電極材料
グラフェンの基礎と特性
グラフェン（graphene）は炭素原子がsp²結合で六角形の格子を形成した、単原子層のシートである。この画期的な材料は、2004年にAndre GeimとKonstantin Novoselovによって初めて単離され、2010年にはその業績がノーベル物理学賞を受賞した。
グラフェンの特性
グラフェンは、CNTと同様に数多くの優れた特性を有する：
- 高い熱伝導性：銅の数倍に達する。
- 高い電気伝導性：電子移動度がシリコンの約100倍。
- 機械的強度：ダイヤモンドに匹敵。
- 光透過性：透明度が高く、薄膜ディスプレイに適用可能。
応用分野
グラフェンは以下の用途での活用が研究されている：
- トランジスタ：高移動度の電子を利用した次世代半導体。
- 透明電極：太陽電池や液晶ディスプレイにおける導電性薄膜。
- 超高周波デバイス：高性能通信デバイスの基盤技術。
CNTとグラフェンの比較
| 特性/材料 | カーボンナノチューブ (CNT) | グラフェン |
|---|---|---|
| 構造 | 円筒状 | 平面状単原子層 |
| 熱伝導性 | 非常に高い | 極めて高い |
| 電気伝導性 | 金属的または半導体的 | 金属的（高電子移動度） |
| 強度 | 極めて高い | ダイヤモンド並み |
| 応用例 | トランジスタ、センサー | 薄膜ディスプレイ、トランジスタ |
練習問題
以下の問題で理解を深めよう。
問題1
カーボンナノチューブの直径は一般的にどれくらいか？
- A. 0.1～0.5 nm
- B. 0.8～1.4 nm
- C. 2.0～3.5 nm
解答と解説：
正解はB。CNTの直径はおおよそ0.8～1.4 nmとされ、極めて小さいナノスケールの構造を持つ。
問題2
グラフェンの高い電気伝導性の要因は何か？
- A. sp³結合
- B. 六角形格子構造による自由電子
- C. 分子間力の強さ
解答と解説：
正解はB。グラフェンの六角形格子構造により、電子が自由に移動できるため、電気伝導性が極めて高い。
問題3
CNTとグラフェンの応用例として適切でないものはどれか？
- A. 燃料電池の電極
- B. 高温超伝導体
- C. スマートフォンディスプレイ
解答と解説：
正解はB。CNTとグラフェンは高い伝導性を持つが、高温超伝導体としての特性は研究段階にあり、直接の応用例には挙げられていない。
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