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エンジニアリング

グラフェン – 世界を変える可能性を秘めた新素材

グラフェン – 世界を変える可能性を秘めた新素材
解説
 

世界中の科学者が、柔軟で伸縮性があり、強さが鋼鉄の100倍もある、しかも原子1個の厚さの、新素材の製造方法や利用方法の開発にしのぎを削っています。それがグラフェンであり、プラスチックの出現や、鉄の利用と同じくらい大きく世界が変わる可能性を秘めています。

グラフェン:知っておくべき新素材

発見されてまだ10年にも満たない新しい素材で、プラスチックが発明されたときと同様、未来を切り拓く可能性があります。また、新しい文明を生み出し、世界を変えた鉄と同じようなパワーを秘めている可能性があります。

グラフェンの発見は2004年頃であり、グラフェンを発見した科学者たちは、2010年度のノーベル物理学賞を受賞しました。世界中の科学者、企業家、ハイテク企業が、その素晴らしい特性のために、このナノ物質の虜になっています。

グラフェンとは?

基本的には炭素原子の層でできたシートで、厚さは原子1個分です。1 mmの厚さにするには、このシートを約3百万枚積層する必要がありまます。伸縮性があって柔軟でありながら非常に硬く、強さは鋼鉄の100倍もあります。電気の良導体であり、融点は摂氏約3,000度です。

現在多くのメーカーが、チタン合金、単結晶素材、炭素繊維など、高度に洗練された素材に取り組んでいます。これらの素材については、その高い耐熱性、柔軟性、その他の特性に関する研究が絶え間なく行われています。グラフェンが期待通りの性能を発揮できれば、このような特性に関する研究が大きく進展する可能性があります。軽量で、薄く、強い構造物への道を開き、超軽量航空機から海水淡水化プラントや超高速コンピュータにいたるまで、ありとあらゆる物に使用される可能性があります。

グラフェンと市場

今のところ、この素材の製造には莫大な費用がかかります。そのため研究に必要な製造量に止まっていて、まだ商品として市場には供給されていません。ただ、世界中の企業や国家が、その研究開発に数億ドルの投資を行っています。欧州委員会は、グラフェンに関する特別プロジェクトを立ち上げ、欧州の17か国の先端研究機関および大企業による10年間の研究開発を資金面で支援するために、10億ドルの予算を承認しています(http://www.graphene-flagship.eu)。

時間のかかるプロセス

新しい素材が大量生産されるようになるまでには、数十年の年月が必要なことがあります。たとえば、炭素繊維の発明は、半世紀も前に遡ります。ロールスロイス社は、1960年代に炭素繊維のジェットエンジンコンプレッサのブレードへの利用を計画していました。しかし、このブレードはバードストライクに弱いことが判明し、この計画は頓挫しました。

最初に日の目を見るグラフェン使用商品は、2015年に登場すると考えられています。おそらく、IBM、ノキア、サムソンのいずれかの電子デバイスになりそうです。この3社は、市場で最初の企業になるためにしのぎを削っています。クラフェン使用商品導入の暁には、素材発見から市場導入までの例外的に速い例となることでしょう。

タフな素材:

チタン合金は、チタンと他の化学成分との混合物です。強く、軽量で、耐腐食性と耐熱性に優れています。ただし、製造に費用がかかるため高価であり、用途が制限されます。航空機、スポーツカー、および軍用品などの部品に使用され、歯科および整形外科のインプラントにも使用されています。

単結晶素材は、結晶粒界が存在しない、連続した完全な結晶構造を持っています。結晶構造に欠陥が存在しないため、独自の特性を示します。強くて熱クリープが少ないため、半導体の製造装置や、タービンブレードなどに使用されています。

超耐熱合金、HRSAは、ニッケル、コバルト、またはニッケル/鉄合金をベースにした合金です。強くて耐クリープ性があり、表面が安定していて、錆びおよび酸化に強い性質を持っています。機械加工が難しく、航空機エンジンの、コンプレッサ、燃焼系統、タービンなど、数種類の部品に使用されています。

グラフェンは、ここに掲げた、すべての素材のなかで、最も薄く、最も強く、最も耐熱性に優れていますが、まだ研究段階を出ていません。原子1個の厚さの炭素の平面シートです。炭素原子は、ハニカム構造の格子内に配置されています。すべての種類の産業が、この素材が、製品の性能を劇的に向上させるものと期待しています。

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