NEC、「カーボンナノブラシ」を世界初発見。センサや蓄電池の基本性能向上へ


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NEC(本社:東京都港区、執行役員社長兼CEO:新野 隆)は、ナノ炭素材料(注1)の1つとして、カーボンナノホーンの繊維状集合体である「カーボンナノブラシ」を発見し、その作製に世界で初めて成功した(図1)。

カーボンナノホーンは、直径2~5nm(ナノメートル(注2))、長さ40~50nmの角の形(図2)をしたナノ炭素構造体で、これまで放射状に延びた球状の集合体として作製されてきた(図3)。

しかし今回、新たに発見された「カーボンナノブラシ」は、カーボンナノホーンが丸棒ブラシのように、放射状かつ繊維状に細長く伸びて集合した、今までにない形状の材料となった(図1)。

「カーボンナノブラシ」は、従来の球状カーボンナノホーン集合体と同様に水や溶媒への分散性が高く、物質を包含する吸着性が高いという特性を有しながら、従来の10倍以上の高い導電性も有しており、これまで困難であった産業応用において重要な特性を兼ね備えた新しいナノ炭素材料である。

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これらの特性により、IoTデバイスとしてセンサや、アクチュエータ(圧力・電力を用いたスイッチ)の応答速度向上、電気自動車等(EV、FCVなど)への搭載を含む蓄電池や、キャパシタの出力向上のみならず。

ゴムやプラスチック複合材の導電性向上を始めとする、様々なデバイスの基本性能向上や、幅広い分野への適用が期待される。

同社は今後も、この新材料の生成過程および詳細な特性の解明と本材料を用いた具体的な応用について研究を進めていくと述べている。

新ナノ炭素材料「カーボンナノブラシ」の特長
今回NECが発見した「カーボンナノブラシ」は、優れた分散性・吸着性と、高い導電性とを併せ持つ新ナノ炭素材料となる。

キャパシタや燃料電池、ゴムやプラスチックの複合材、さらにはセンサやアクチュエータといった様々なデバイスの基本特性を向上させることが可能である。

図1.繊維状カーボンナノホーン集合体
「カーボンナノブラシ」

図2.単層カーボンナノホーンの先端

図3.球状カーボンナノホーン集合体

構造
(1)直径2~5nm(ナノメートル)、長さ40~50nmの単層カーボンナノホーンが、放射状かつ繊維状に細長く伸びて集合した構造。

(2)表面積の広いホーン(角)状の単層カーボンナノホーンが細長く伸びている集合体のため、単位質量当たりの表面積が広い(~1700㎡/g)。

特性
(1)分散性:
球状カーボンナノホーン集合体と同様に水や有機溶媒にも分散するなど、高い分散性を有するため、様々な材料との組み合わせが可能で、ベースとなる材料の特性向上が容易となる。

(2)吸着性:
球状カーボンナノホーン集合体と同様に筒状構造内の微細なスペースに様々な物質を内包することができるため、高性能な吸着材として利用できる。酸化処理を行い、カーボンナノホーンの表面に孔(開孔)を開けることで、内部空間を利用することが可能となるため、表面積が約5倍向上し、吸着性を大幅に向上させることができる。

(3)導電性:
カーボンナノホーンが放射状かつ繊維状に細長く伸びているため、従来の球形カーボンナノホーン集合体に比べ、10倍以上の導電性を有する。これにより、センサやアクチュエータの応答速度向上、蓄電池やキャパシタの出力向上、ゴム・プラスチック複合材の導電性向上などに大きな効果がある。

製造方法
室温、常圧環境下において、鉄含有のカーボンターゲット(炭素の塊)に強いレーザを照射するレーザアブレーション法で製造が可能。シンプルな製造方法により、他のナノカーボン素材に比べ、効率的に低コストで作製可能。

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なお、このたび開発した技術の一部は、国立研究開発法人 産業技術総合研究所との共同研究で進められた。また今回の成果は、平成28年6月1日付のAdvanced Materials誌に掲載されている。
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(注1) ナノ炭素材料:
・カーボンナノチューブ:
1991年にNECの飯島澄男特別主席研究員によって発見された炭素材料。原子5~10個分の太さ(直径)の円筒状の炭素原子の構造体。

・カーボンナノホーン:
直径2~5nm(ナノメートル)、長さ40~50nmの角状の構造体が数千本集まり直径100nm程度の球形の集合体を形成。カーボンナノホーン集合体とも言われる。1998年にNECの飯島澄男特別主席研究員らによって発見された炭素材料。

・フラーレン:
1985年に発見された炭素数が60個のサッカーボール型の球状分子。
R.F. Curl Jr., H.Kroto, R.E. Smalleyが「フラーレン(C60)の発見」で1996年ノーベル化学賞を受賞。

・グラフェン:
炭素原子が平面上で蜂の巣状に並んだ六角形の格子構造をもつ単原子薄膜。A. Geim, K. Novoselovが「二次元物質グラフェンに関する革新的実験」で2010年ノーベル物理学賞を受賞。

(注2) ナノメートル: 10億分の1メートル。1 nm = 0.001 μm