アモルファスカーボン：タイプ、特性、用途 - 化学 - 2025

アモルファスカーボンは、炭素分子欠陥や凹凸が充填された任意の同素体構造です。同素体という用語は、異なる分子構造を形成する炭素原子などの単一の化学要素を指します。結晶性のものもあれば、この場合のように非晶質のものもあります。

アモルファスカーボンには、ダイヤモンドとグラファイトを特徴付ける長距離の結晶構造がありません。つまり、互いに非常に近いソリッドの領域を表示しても、構造パターンはわずかに一定のままです。そして、それらが離れているとき、それらの違いは明らかになります。

燃える木炭。出典：Pixabay

アモルファスカーボンの物理的および化学的特性や特性も、グラファイトやダイヤモンドの特性とは異なります。たとえば、有名な木炭は木材燃焼の産物です（上の画像）。これは潤滑ではなく、光沢もありません。

自然界には無定形炭素にはいくつかの種類があり、これらの品種は合成によっても入手できます。アモルファスカーボンのさまざまな形態には、カーボンブラック、活性炭、すす、木炭があります。

アモルファスカーボンは、発電業界だけでなく、繊維および健康産業でも重要な用途があります。

アモルファスカーボンの種類

それらの起源、組成、構造など、それらを分類するいくつかの基準があります。後者は、炭素間のsp ²およびsp ³ハイブリダイゼーションの関係に依存します。つまり、それぞれ平面または四面体を定義するものです。したがって、これらの固体の無機（鉱物学）マトリックスは非常に複雑になる可能性があります。

その起源によると

有機化合物の酸化と分解の生成物であるため、天然由来のアモルファスカーボンがあります。このタイプの炭素には、すす、石炭、および炭化物に由来する炭素が含まれます。

合成アモルファスカーボンは、陰極アーク蒸着技術とスパッタリングによって生成されます。合成的に、ダイヤモンドのようなアモルファスカーボンコーティングまたはアモルファスカーボンフィルムも製造されます。

構造

アモルファスカーボンは、存在するsp ²またはsp ³結合の割合に応じて、3つの大きなタイプに分類することもできます。いわゆる元素アモルファスカーボン（aC）に属するアモルファスカーボン、水素化アモルファスカーボン（aC：H）、四面体アモルファスカーボン（ta-C）があります。

元素アモルファスカーボン

多くの場合、BCまたはBCと略され、活性炭とカーボンブラックが含まれます。このグループの品種は、動物性および植物性物質の不完全燃焼によって得られます。つまり、化学量論的な酸素不足で燃焼します。

それらは、それらの構造または分子組織においてより高い割合のsp ²結合を提示する。それらは一連のグループ化された平面として空間全体で不均一性を確立する四面体炭素の生成物である空間で異なる方向で想像できます。

それらから、ナノコンポジットは電子アプリケーションと材料開発で合成されました。

水素化アモルファスカーボン

略してBC：HまたはHAC。これらには、すす、煙、ビチューメンなどの抽出石炭、およびアスファルトが含まれます。すすは、都市や町の近くの山に火があり、それが壊れやすい黒い葉の形でそれを運ぶ気流で観察される場合、簡単に区別できます。

その名前が示すように、水素を含んでいますが、分子タイプ（H ₂）ではなく、炭素原子に共有結合しています。つまり、CH結合があります。これらの結合の1つが水素を放出する場合、それは不対電子を持つ軌道になります。これらの不対電子の2つが互いに非常に接近している場合、それらは相互作用し、いわゆるダングリングボンドを引き起こします。

このタイプの水素化アモルファスカーボンを使用すると、ta-Cで作成したものよりも硬度の低いフィルムまたはコーティングが得られます。

四面体アモルファスカーボン

ta-Cと略され、ダイヤモンドライクカーボンとも呼ばれます。これには、sp ³ハイブリダイズ結合の割合が高くなっています。

アモルファス四面体構造のアモルファスカーボンフィルムまたはコーティングは、この分類に属します。それらは水素を欠き、硬度が高く、その物理的性質の多くはダイヤモンドの物性に似ています。

分子的には、長距離の構造パターンを示さない四面体炭素で構成されています。一方、ダイヤモンドでは、結晶の異なる領域で順序が一定のままです。ta-Cは、クリスタルの特定の次数またはパターンの特性を示すことができますが、短距離でのみです。

組成

石炭は、硫黄、水素、窒素、酸素などの他の元素を含む黒い岩の層として構成されています。ここから、石炭、泥炭、無煙炭、亜炭などのアモルファス炭素が発生します。無煙炭は、それらすべての中で最も炭素組成が高いものです。

プロパティ

真のアモルファスカーボンは、原子間間隔の偏差と結合角の変化を伴う局所的なπ結合を持っています。アモルファスカーボンの種類によって関係が異なるsp ²とsp ^3の混成結合を持っています。

その物理的および化学的特性は、その分子組織とその微細構造に関連しています。

一般に、安定性が高く、機械的硬度が高く、耐熱性と耐摩耗性があります。さらに、光透過性が高く、摩擦係数が低く、各種腐食剤に対する耐性が特徴です。

アモルファスカーボンは、照射の影響に敏感であり、他の特性の中でも特に、電気化学的安定性と導電率が高いです。

用途

さまざまな種類のアモルファスカーボンにはそれぞれ独自の特性または特性があり、非常に特殊な用途があります。

木炭

石炭は化石燃料であるため、重要なエネルギー源であり、発電にも使用されます。石炭鉱業の環境への影響と発電所でのその使用は、今日激しく議論されています。

活性炭

飲料水や脱色液から汚染物質を選択的に吸収またはろ過するのに役立ち、硫黄ガスも吸収できます。

カーボンブラック

カーボンブラックは、顔料、印刷インキ、およびさまざまな塗料の製造に広く使用されています。このカーボンは通常、ゴム製品の強度と耐性を向上させます。

リムやタイヤのフィラーとして、摩耗に対する耐性を高め、太陽光による劣化から材料を保護します。

アモルファスカーボンフィルム

さまざまなフラットパネルディスプレイやマイクロエレクトロニクスでのアモルファスカーボンフィルムやコーティングの技術的な使用が増加しています。sp ²結合とsp ³結合の比率は、アモルファスカーボンフィルムに、密度と硬度が変化する光学的および機械的特性があることを意味します。

同様に、それらは反射防止コーティング、放射線防護用コーティング、その他の用途で使用されています。

参考文献

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