カーボンナノチューブ：構造、特性、用途、毒性 - 化学 - 2025

カーボンナノチューブは非常に小さく、非常に薄いだけ炭素原子（C）により形成されたチューブ又はシリンダです。その管状構造は、電子顕微鏡を通してのみ見ることができます。これは、非常に小さな束または数十のナノチューブの束で構成され、互いに絡み合って複雑なネットワークを形成している黒い固体です。

接頭辞「nano」は「非常に小さい」を意味します。測定で使用される「ナノ」という言葉は、測定の10億分の1であることを意味します。たとえば、ナノメートル（nm）は10億分の1メートル、つまり1 nm = 10 ^-9 mです。

カーボンナノチューブのサンプル。カーボンのような外観の黒い固体であることがわかります。シャダック。出典：ウィキメディア・コモンズ。

小さなカーボンナノチューブはそれぞれ、1枚以上のグラファイトシートで構成されています。それらは、単層ナノチューブ（単一のロールシート）と多層ナノチューブ（2つ以上のシリンダーが互いに内側にある）に分類されます。

カーボンナノチューブは非常に強く、破壊に対する高い耐性があり、非常に柔軟です。彼らは熱と電気を非常によく伝導します。彼らはまた、非常に軽い素材を構成しています。

これらの特性は、特に自動車、航空宇宙、エレクトロニクス産業などのさまざまなアプリケーション分野で役立ちます。それらはまた、例えば抗癌剤、ワクチン、タンパク質などを輸送および送達するために、医学において使用されてきた。

ただし、吸入すると肺に損傷を与える可能性があるため、取り扱いには保護具を使用する必要があります。

カーボンナノチューブの発見

科学者コミュニティでは、誰がカーボンナノチューブを発見したかについてさまざまな意見があります。これらの資料については多くの研究論文がありますが、重要な日付はほんのわずかです。

-1903年に、フランスの科学者ペラボンがサンプルの炭素フィラメントを観察しました（現在のところ、電子顕微鏡はまだ利用できません）。

-1950年、ユニオンカーバイド社の物理学者ロジャーベーコンは、炭素繊維の特定のサンプルを研究しており、まっすぐで中空のナノフラッフまたはナノビゴット（ナノウィスカ）の画像を観察していました。

-1952年、ロシアの科学者であるRadushkevichとLukyanovichは、自分たちで合成して電子顕微鏡で得たカーボンナノチューブの画像の写真を公開しました。

-1973年、ロシアの科学者であるBochvarとGal'pernは、分子軌道のエネルギーレベルの一連の計算を完了し、グラファイトシートがねじれて「中空分子」を形成できることを示しました。

-1976年、遠藤守信は、1000℃でのベンゼンとフェロセンの熱分解によって生成された中空の中心を持つ炭素繊維を観察しました（熱分解は、酸素がない状態で非常に高温に加熱すると起こる分解の一種です）。

・1991年、飯島澄夫が中空管から作られたカーボンニードルを電気アーク技術を使って合成した後、カーボンナノチューブへの熱意が刺激されました。

-1993年に、飯島澄男とドナルドベスーン（互いに独立して作業）が同時に単層カーボンナノチューブを発見しました。

参考にされた情報源のいくつかの解釈

一部の情報源によると、カーボンナノチューブの発見の功績は、1952年にロシアの科学者であるRadushkevichとLukyanovichにあるはずです。

当時、いわゆる「冷戦」が存在し、西側の科学者がロシアの記事にアクセスできなかったため、彼らは彼らにふさわしい信用を与えられなかったと考えられています。加えて、ロシア語から翻訳できる人はあまり多くなかったため、研究が海外で分析されるのをさらに遅らせました。

多くの記事で、1991年に飯島がカーボンナノチューブを発見したと言われています。しかし、飯島の研究の影響は、科学がすでにカーボンナノチューブの重要性を理解するのに十分な成熟度に達しているという事実によると一部の研究者は推定しています。ナノ材料。

それらの数十年の間、物理学者は一般的にカーボンナノチューブがすでに議論されていた化学雑誌の記事を読んでおらず、このため、彼らは飯島の記事に「驚いた」と言う人もいます。

しかし、これらすべてが1991年以降の飯島の作品の高品質を損なうものではありません。そして、意見の違いが残っています。

命名法

-カーボンナノチューブ、またはCNT（カーボンナノチューブ）。

-単層カーボンナノチューブ、またはSWCNT（単層カーボンナノチューブ）。

-多層カーボンナノチューブ、またはMWCNT（多層カーボンナノチューブ）。

構造

物理的構造

カーボンナノチューブは非常に細くて小さなチューブまたはシリンダーであり、その構造は電子顕微鏡でしか見ることができません。それらは、チューブに巻かれたグラファイト（グラフェン）のシートで構成されています。

カーボンナノチューブは、グラファイトまたはグラフェンのロールシートです。（a）グラファイトのシートの理論的なイメージ、（b）カーボンのロールシートまたはナノチューブの理論的なイメージ。OpenStax。出典：ウィキメディア・コモンズ。

それらは、炭素原子のみで構成されたくり抜かれた円柱状分子です。炭素原子は、ベンゼンに似た小さな六角形（6辺の多角形）の形で配置され、一緒にリンクされます（ベンゼン環の縮合）。

炭素原子6個の小さな六角形を見ることができるカーボンナノチューブの描画。ユーザー：Gmdm。出典：ウィキメディア・コモンズ。

チューブは開口部で詰まっている場合と詰まっていない場合があり、直径に比べて非常に長い場合があります。これらは、シームレスのチューブに巻かれたグラファイト（グラフェン）のシートに相当します。

化学構造

CNTは多環芳香族構造です。炭素原子間の結合は共有結合です（つまり、それらはイオン性ではありません）。これらのリンクは同じ平面内にあり、非常に強力です。

C = C結合の強度により、CNTは非常に剛直で強力になります。言い換えれば、これらのチューブの壁は非常に強いです。

面外ジョイントは非常に弱いため、チューブとチューブの間に強いジョイントはありません。しかしながら、それらは、ナノチューブの束または束の形成を可能にする引力である。

チューブ数による分類

カーボンナノチューブは2つのグループに分けられます：単層ナノチューブ、またはSWCNT（単層カーボンナノチューブ）、および多層ナノチューブ、またはMWCNT（多層カーボンナノチューブ）。

ナノチューブのタイプ：（1）多層ナノチューブの実像、（2）単層ナノチューブの描画、（3）グラファイトまたはグラフェンシートの描画。W2raphael。出典：ウィキメディア・コモンズ。

単層カーボンナノチューブ（SWCNT）は、円筒形に巻かれた単一のグラフェンシートで構成され、六角形の頂点が完全にフィットしてシームレスなチューブを形成します。

多層カーボンナノチューブ（MWCNT）は、共通の中空の中心の周りに配置された同心のシリンダー、つまり、互いに内部に配置された2つ以上の中空のシリンダーで構成されています。

多層ナノチューブは、2つ以上のシリンダーが互いに内側にあるように構成されています。エリック・ヴィーザー。出典：ウィキメディア・コモンズ。

電子顕微鏡で取得した多層カーボンナノチューブの実像。オキシラン。出典：ウィキメディア・コモンズ。

巻線形態による分類

グラフェンシートの巻き方に応じて、CNTの六角形によって形成されるパターンは、椅子型、ジグザグ型、らせん状またはキラル状になります。そして、これはその特性に影響を与えます。

キラルまたはヘリカルカーボンナノチューブの実像。Taner Yildirim（米国国立標準技術研究所-NIST）。出典：ウィキメディア・コモンズ。

物理的特性

カーボンナノチューブは固体です。それらは集まって、数十本のナノチューブのブーケ、バンドル、バンドル、または「ストリング」を形成し、互いに絡み合って非常に高密度で複雑なネットワークを形成します。

電子顕微鏡で得られたカーボンナノチューブの実像。それらが互いに絡み合う束を形成していることがわかる。英語版ウィキペディアの材料科学者。出典：ウィキメディア・コモンズ。

彼らは鋼よりも大きな引張強度を持っています。これは、ストレスにさらされたときの破壊に対する高い耐性を持っていることを意味します。理論的には、鋼より数百倍も強力です。

それらは非常に弾力性があり、曲げたり、ねじったり、折りたたんだりして損傷することなく、元の形状に戻ることができます。彼らはとても軽いです。

彼らは熱と電気の良い導体です。それらは非常に用途の広い電子的振る舞いを持っているか、高い電子伝導性を持っていると言われています。

六角形が肘掛け椅子の形に配置されているCNTチューブは、金属的な振る舞いまたは金属の振る舞いに似ています。

ジグザグおよびらせんパターンで配置されたものは、金属および半導体であり得る。

化学的特性

炭素原子間の結合の強さにより、CNTは非常に高い温度（大気圧で750°C、真空下で2800°C）に耐えることができます。

ナノチューブの端は、円筒形の部分よりも化学的に反応性があります。それらが酸化を受ける場合、末端が最初に酸化されます。チューブが閉じている場合、両端が開きます。

特定の条件下で硝酸HNO ₃または硫酸H ₂ SO ₄で処理すると、CNTはカルボン酸タイプのグループ-COOHまたはキノンタイプのグループO = CC ₄ H ₄ -C = Oを形成できます。

直径が小さいCNTほど反応性が高くなります。カーボンナノチューブは、内部チャネルに他の種の原子または分子を含むことができます。

溶解度

CNTは表面に官能基を持たないため、疎水性が非常に高く、水との相溶性が非常に悪く、水や非極性有機溶媒には溶けません。

しかし、それらがいくつかの化合物と反応した場合、CNTは可溶性になる可能性があります。たとえば、硝酸を使用すると、特定の条件下で一部のアミドタイプの溶媒にHNO ₃を可溶化できます。

生化学的性質

純粋なカーボンナノチューブは生体適合性がありません。つまり、生体や生体組織との適合性や関連性はありません。それらは攻撃的な要素と見なされているので、体から免疫応答を生成します。

このため、科学者はそれらを身体の組織に受け入れられ、医療用途で使用できるように化学的に修飾します。

それらは、タンパク質やDNAなどの高分子と相互作用することができます。DNAは、生物の遺伝子を構成するタンパク質です。

入手

カーボンナノチューブは、レーザーパルス気化、アーク放電、化学蒸着などのさまざまな技術によってグラファイトから作られます。

それらはまた、気相での触媒成長により一酸化炭素（ＣＯ）の高圧流から得られた。

一部の製造方法での金属触媒の存在は、多層ナノチューブの整列に役立ちます。

ただし、カーボンナノチューブは常に同じ分子になるわけではありません。製造方法と条件に応じて、長さ、直径、構造、重量が異なり、結果として異なる特性が得られます。

カーボンナノチューブの用途

CNTの特性により、CNTはさまざまな用途に適しています。

ナノテクノロジー、航空宇宙産業、自動車生産の分野で、エレクトロニクス、光学、プラスチック、その他の製品の構造材料に使用されています。

カーボンナノチューブには多くの異なる用途があります。これは電子顕微鏡で得られたカーボンナノチューブの実像です。イルマー・キンク。出典：ウィキメディア・コモンズ。

CNTを含む材料の組成または混合物

CNTはポリマーと組み合わされて、高性能の強化ポリマー繊維および布を製造しています。たとえば、防衛目的でポリアクリロニトリル繊維を強化するために使用されています。

CNTとポリマーのブレンドは、さまざまな導電特性を持つように設計することもできます。それらは、ポリマーの強度と剛性を改善するだけでなく、導電性の特性も追加します。

CNTの繊維とファブリックも、アルミニウムや炭素鋼と同様の強度で製造されていますが、これらはこれらよりもはるかに軽量です。ボディアーマーはそのような繊維で設計されています。

それらはまた、より耐性のあるセラミックを得るために使用されてきました。

電子機器

カーボンナノチューブは、真空エレクトロニクス、ナノデバイス、およびエネルギー貯蔵において大きな可能性を秘めています。

CNTは、ダイオード、トランジスタ、およびリレー（電気回路の開閉を可能にする電磁装置）として機能できます。

電場にさらされたとき、または電圧が印加されたときに、電子を放出することもできます。

ガスセンサー

ガスセンサーでのCNTの使用により、これらを小型、コンパクト、軽量にすることができ、電子アプリケーションと組み合わせることができます。

CNTの電子構成により、センサーは非常に少量のガスに非常に敏感になり、さらに、CNTは特定のガスを検出するために化学的に適合させることができます。

医療アプリケーション

CNTは表面積が大きく、化学的安定性が高く、電子が豊富な多環芳香族構造であるため、薬物、タンパク質、抗体、酵素、ワクチンなどのさまざまな治療用分子に吸着または結合できます。

それらは、薬物の輸送および送達のための優れた媒体であることが証明されており、細胞に直接浸透し、身体を介した輸送中に薬物を無傷で維持します。

後者は、薬の投与量とその毒性、特に抗がん剤の削減を可能にします。

CNTは、癌、感染症、組織再生、神経変性疾患に対する治療、および抗酸化剤として有用であることが証明されています。

また、病気の診断、バイオセンサー、薬物の分離、生化学的化合物の抽出などの特定の分析にも使用されます。

それらはまた、整形外科の義肢や骨組織の成長のための支持材料としても使用されています。

他のアプリ

また、電池や燃料電池の膜、リチウムイオン電池のアノード、スーパーキャパシター、ケミカルフィルターの材料としても提案されています。

それらの高い電気伝導性と相対的な化学的不活性は、それらを電気化学反応の電極として有用にします。

それらはまた、反応物粒子に付着することができ、それらの大きな表面積のために、それらは触媒担体として機能することができる。

それらはまた水素を貯蔵する能力を有し、それは前記ガスで走る車両において非常に有用である、なぜならそれはＣＮＴでそれを安全に輸送することができたからである。

カーボンナノチューブの毒性

研究により、CNTの毒性を評価することの困難さが明らかになっている。これは、長さ、剛性、濃度、およびCNTへの曝露時間などの特性に依存しているようです。また、CNTの製造方法や純度にも依存します。

ただし、CNTの取り扱いには保護具の使用をお勧めします。これは、アスベスト繊維との類似性や、CNT粉塵の吸入が肺に損傷を与える可能性があることを示す研究があるためです。

技術者がカーボンナノチューブのサンプルを計量します。あなたはそれが使用する保護具を見ることができます。米国労働安全衛生研究所。出典：ウィキメディア・コモンズ。

カーボンナノチューブが肺の細胞を通過する実際の画像。ロバートR.マーサー、アンF.ハッブス、ジェームズF.スキャビロニ、リーイングワン、ロリA.バテッリ、ダイアンシュヴェグラーベリー、ヴィンセントカストラノヴァ、デールW.ポーター/ NIOSH。出典：ウィキメディア・コモンズ。

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