蘇州ナノが発表したカーボンナノチューブ繊維研究の概要

カーボンナノチューブは潜在力の大きいスーパー材料であり,将来の超強構造とカーボンベース半導体素子を構築する理想的なコア基礎材料である。カーボンナノチューブをマクロ体(例えば、繊維、フィルム、発泡体など)に組み立てることは、カーボンナノチューブのマクロ応用を実現する重要な方法の一つである。

カーボンナノチューブ繊維は、単独で使用できるだけでなく、2次元フィルムまたは3次元編成構造を編成することによって形成することができ、最も注目されるカーボンナノチューブマクロ体となるカーボンナノチューブの1次元連続組立体である。ここ20年来,カーボンナノチューブ繊維の連続紡糸プロセスの開発に力を入れ,カーボンナノチューブ繊維のプロセス−構造−性能関係を明らかにし,カーボンナノチューブ繊維のエンジニアリング応用などを開発してきた。

既存の多くの研究により、カーボンナノチューブ繊維は構造機能一体化複合材料、繊維状エネルギーデバイス、人工筋肉及び軽質導電ケーブルなどの面で非常に広範な応用見通しがあることが明らかになった。しかし残念なことに、ナノスケールの単一カーボンナノチューブからマクロスケールのカーボンナノチューブ繊維まで、カーボンナノチューブが力、電気、熱などの性能で発揮する効率は10%未満であり、カーボンナノチューブ繊維のエンジニアリング応用を制限している。カーボンナノチューブ繊維のプロセス‐構造‐性能関係の理解と明確化はカーボンナノチューブ繊維の性能をさらに向上させる鍵である。

中国科学院蘇州ナノ技術とナノシミュレーション研究所の李清文研究員チームは2007年に設立されて以来、カーボンナノチューブ繊維分野で大量の基礎研究と応用開発を展開している。最近、同チームは「先進材料」(Advanced Materials)定期刊行物に招待され、総括的な文章(DOI:10.1002/adma.201902028)を執筆し、過去20年間にカーボンナノチューブ繊維の基本物性研究の面で展開された仕事を振り返り、カーボンナノチューブ繊維の未来の発展の鍵を展望した。

カーボンナノチューブ繊維の発展過程を振り返ると、中国は国際的に早くカーボンナノチューブ繊維研究を展開していることがわかる。2000年、フランスの科学者は初めて湿式紡糸技術を通じて、カーボンナノチューブの含有量が50%以上に達する連続繊維材料を調製することを報告し、カーボンナノチューブ繊維研究の幕を開けた。2002年、清華大学の呉徳海教授チームとアメリカのレンスラー工科大学のP.M.Ajayan教授が協力し、直径約300~500ミクロンの炭素ナノチューブビームをフローティング化学蒸着法で作製し、その長さは20センチに達したことを初めて報告した。同年、清華大学の範守善教授チームはカーボンナノチューブアレイから糸を引いてカーボンナノチューブ繊維を調製する方法を初めて報告した。2004年、中国の科学者李亜利はイギリスのケンブリッジ大学を訪問した間、Alan Windle教授と協力し、フローティング触媒化学蒸着法によるカーボンナノチューブ繊維の連続調製を実現した。その間、米国の科学者は湿式法による純カーボンナノチューブ繊維の製造プロセスを報告した。2018年、清華大学の魏飛教授チームはセンチメートル級カーボンナノチューブの管束を報告し、その強度は80 GPaに達した。全体的に見ると、2000年ごろ科学者がカーボンナノチューブのマクロスケールでの繊維組立を実現することに成功してから、カーボンナノチューブ繊維の研究は急速に興り、20年の発展の中で大体3つの発展段階を経験した:(1)カーボンナノチューブ繊維紡糸方法の探索段階--凝固過程に基づく湿式紡糸、カーボンナノチューブ垂直アレイを用いた糸引き紡績及び成長過程に基づいてカーボンナノチューブゲルを予め形成した直接紡績は、現在最も主要な製造方法となっている。(2)カーボンナノチューブ繊維マクロの連続調製、基本性能の向上及び機能特性の開発の急速な発展段階;(3)現在のカーボンナノチューブ繊維の発展はすでに産業応用の難関段階に入っており、どのように硬骨をかじるかは科学研究者と産業界の共同努力が必要である。

異なる紡糸法に基づいて,カーボンナノチューブ繊維は極めて豊富な組立構造を示した。その微細構造に比べて,カーボンナノチューブの繊維中の配向度,密着度,絡み合い度は,繊維径方向の分布の違い,表面形態などの構造特性が繊維の巨視的物性をより決定した。さらに重要なのは、繊維組立構造を改善した上で、管間の力、電気、熱の伝達を効果的に制御すれば、繊維性能を向上させ、単一ナノチューブの性能を十分に発揮する鍵である。

この研究進展の総括では,著者らはカーボンナノチューブ繊維の力,電気,熱特性をそれぞれ全面的に述べた。力学的性質の面では、現在、溶媒緻密化、機械的緻密化、段階的牽引、繊維内導入ポリマーネットワーク構造、管間誘導共有結合などの方法により、繊維破壊強度と弾性率の著しい向上を実現することができる。一方、繊維内の極めて豊富な界面構造は多様化したエネルギー散逸過程をもたらし、カーボンナノチューブ繊維(およびフィルムと複合材料)に従来の炭素繊維には備わっていない減衰、クリープなどの動的力学的特性を示し、柔軟で優れた二機能結合を実現した。また、繊維の糸構造や独特の柔軟性は、回転駆動、バイオ電極などの分野で独特の優位性を示している。

カーボンナノチューブ繊維はやはり優れた「導」体である。導電特性において、ドーピング手段により管間電子遷移チャネルを広げた後、繊維は比伝導率性能において金属導体の限界を超えることが期待され、軽量化導線方向に発展の優位性を示した。一方,金属との複合により,カーボンナノチューブの急速熱伝導性能に基づいて,複合導体の限界キャリア能力を大幅に向上させることができ,将来の超大電流の応用において従来の金属導体に取って代わることが期待される。熱伝導特性では,繊維表面の熱放射が特に顕著であるため,実際の測定では見かけの熱伝導率と実際の熱伝導率との間に大きな差があり,前者は試料サイズの増加と共に急速に発散する。この目的のために,管間フォノン輸送を改善するために繊維構造を最適化するほか,試験方法のさらなる発展もカーボンナノチューブ繊維熱伝導研究の重要な内容である。

この総説の中で、著者はそれぞれ力、電気、熱性能に関する理論研究を紹介し、未来の繊維性能のさらなる向上と産業化の実現の基礎は、依然として加工-構造-性能の3つの内在関係に対する深い認識にあると指摘した。カーボンナノチューブの繊維物性はすでに一連の突破があり、デバイス応用は多くの成功を収めたが、繊維の紡糸プロセスを源から再認識することは依然として必要である。