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Jul 01, 2023

新しいナノチューブ繊維は、強度、導電性、柔軟性の比類のない組み合わせを備えています（ビデオ付き）

10 gennaio 2013

2013 年 1 月 10 日

ライス大学著

(Phys.org)—ライス大学の最新のナノテクノロジーの進歩は 10 年以上の歳月をかけて実現されましたが、それでも衝撃を伴いました。 ライス、オランダの帝人アラミド企業、米空軍、イスラエルのテクニオン研究所の科学者らは今週、繊維糸のように見え、機能し、金属線のように電気と熱を伝導する新しいカーボンナノチューブ（CNT）繊維を発表した。 今週号のサイエンスで研究者らは、さまざまな点で市販の高性能材料を上回る、工業的に拡張可能な糸状繊維の製造プロセスについて説明している。

ライス大学の化学・生体分子工学および化学の主任研究員マッテオ・パスクアリ教授は、「ついに、他の材料には存在しない特性を備えたナノチューブ繊維が完成した」と述べた。 「黒い綿糸のように見えますが、金属線と強力な炭素繊維の両方のように動作します。」

研究チームにはライスの学者、政府、産業の科学者が含まれています。 オランダのアーネムにある帝人アラミド本社。 イスラエルのハイファにあるテクニオン・イスラエル工科大学。 そしてオハイオ州デイトンの空軍研究所（AFRL）。

「新しいCNT繊維は、最高のグラファイト繊維に近い熱伝導率を持ちながら、10倍高い電気伝導率を持っています」と、研究の共著者である帝人アラミド社の事業開発マネージャー、マルシン・オットー氏は述べた。 「グラファイト繊維も脆いのに対し、新しいCNT繊維は繊維糸と同じくらい柔軟で丈夫です。この特性の組み合わせが、航空宇宙、自動車、医療、スマート衣料品の市場向けに独自の機能を備えた新製品につながると期待しています。」

カーボン ナノチューブの驚異的な特性は、1991 年の発見の瞬間から科学者を魅了してきました。純炭素の中空チューブは DNA 鎖とほぼ同じ幅で、重量は 6 分の 1 で鋼鉄の約 100 倍の強度があります。 ナノチューブの導電特性は、電気と熱の両方において、最高の金属導体に匹敵します。 また、光活性化半導体、ドラッグデリバリーデバイス、さらには油を吸収するスポンジとしても機能します。

残念ながら、カーボン ナノチューブはナノマテリアルの主役でもあります。 それらは素晴らしい潜在能力を持っているにもかかわらず、扱うのが難しいのです。 まず、ナノチューブを大量に生産する手段を見つけるのにほぼ10年かかりました。 科学者たちはまた、ナノチューブには数十種類があり、それぞれが独自の材料と電気特性を持っていることを早い段階で学びました。 そしてエンジニアは、1 種類だけを生産する方法をまだ見つけていません。 その代わりに、すべての製造方法では、多くの場合、毛玉のような塊で、さまざまな種類がごちゃ混ぜで生成されます。

これらのナノチューブの塊から大規模な物体を作成することは困難でした。 人間の髪の毛の 4 分の 1 以下の太さの糸状の繊維には、数千万本のナノチューブが並んで詰め込まれています。 理想的には、これらのナノチューブは、箱の中の鉛筆のように、完全に整列し、しっかりと詰め込まれています。 一部の研究室では、そのような繊維を完全に成長させる手段を研究していますが、これらの「固体」繊維の生産速度は、「湿式紡糸」と呼ばれる化学プロセスに依存する繊維製造方法と比較して非常に遅いことが判明しています。 このプロセスでは、生のナノチューブの塊が液体に溶解され、小さな穴から噴射されて長いストランドが形成されます。

2000 年にライスに到着して間もなく、パスクアリ氏はナノテクノロジーの先駆者であり、ライスのスモーリー ナノスケール科学技術研究所の同名でもある故リチャード スモーリー氏とともに CNT 湿式紡糸法の研究を開始しました。 2003 年、彼の早すぎる死の 2 年前に、スモーリーはパスクアリらと協力して最初の純粋なナノチューブ繊維を作成しました。 この研究により、防弾チョッキやその他の製品に使用される高性能アラミド繊維（帝人のトワロンなど）の製造に使用される方法に類似した、工業的に適切なナノチューブの湿式紡糸プロセスが確立されました。 しかし、プロセスを改良する必要がありました。 この繊維は、繊維内部の何百万ものナノチューブの隙間や位置ずれのせいで、あまり強くも導電性もありませんでした。

「繊維内でのカーボンナノチューブの非常に高度な充填と整列を達成することが重要です」と、約5年前にパスクアリとの共同研究を始めたテクニオンのラッセル・ベリー・ナノテクノロジー研究所所長で研究共著者のイェシャヤフ・タルモン氏は語る。

次の大きな進歩は 2009 年に起こり、タルモン、パスクアリらはナノチューブ用の最初の真の溶媒であるクロロスルホン酸を発見しました。 科学者たちは初めて、ナノチューブの高濃度溶液を作成する方法を発見し、その開発により整列とパッキングの改善がもたらされました。

「それまでは、クロロスルホン酸は水と反応するため、スピニングアウトが可能だとは誰も考えていませんでした」とパスクアリ氏は語った。 「私の研究室の大学院生、Natnael Bahabtu は、クロロスルホン酸溶液から CNT 繊維を紡糸できることを示す簡単な方法を発見しました。これは、この新しいプロセスにとって重要でした。」

パスクアリ氏は、出発材料（未加工のナノチューブの塊）に原子欠陥がほとんどない長いナノチューブが含まれていれば、紡績繊維の強度と導電率も改善できることを他の研究室が発見したと述べた。 2010 年、パスクアリとタルモンは、さまざまなサプライヤーからのナノチューブを使用して実験を開始し、AFRL の科学者と協力して、改良された繊維の正確な電気的および熱的特性を測定しました。

同じ時期に、オットー氏は、さまざまな研究センターが提案した CNT 繊維の製造方法を評価していました。 彼は、パスクアリの発見、帝人アラミドのノウハウ、長尺 CNT の使用を組み合わせて、高性能 CNT 繊維の開発を進めることを構想しました。 2010年、帝人アラミド社はライス社とのプロジェクトを立ち上げ、資金を提供し、同社の繊維紡績の専門家はプロジェクト全体を通じてライス社の科学者と協力してきました。

「帝人の科学的および技術的な支援により、強度と導電性が即座に改善されました」とパスクアリ氏は述べました。

研究の共著者であるライス大学の電気・コンピュータ工学教授河野潤一郎氏は、「この研究では、繊維の導電率は、初期製造後に適用された技術によって調整および最適化できることが示された。これにより、これまでで最高の導電率が得られた」と述べた。巨視的なCNT繊維について報告されています。」

Science誌で報告された繊維は、これまでに報告された最高の湿式紡糸CNT繊維の約10倍の引張強度と電気伝導率、熱伝導率を持っている、とパスクアリ氏は述べた。 新しいファイバーの比導電率は銅、金、アルミニウムのワイヤーと同等ですが、新しい素材には金属ワイヤーよりも優れた利点があります。

たとえば、高い強度と導電性が役立つことが証明される用途の 1 つは、データおよび低電力アプリケーションであるとパスクアリ氏は述べています。

「金属ワイヤーが細すぎると、ローラーやその他の生産機械で破損してしまいます」と彼は言いました。 「多くの場合、電気の必要に応じて必要以上に太い金属線が使用されます。これより細い線を製造するのは現実的ではないからです。データ ケーブルは特に良い例です。」

詳しくは： 「超高導電性を備えたカーボンナノチューブの強力、軽量、多機能繊維」、N. Behabtu et al. 科学、2013 年。

雑誌情報:科学

ライス大学提供