好きな炭素でファミリー組んでみた!知られざる炭素の魅力

 今回筆者が紹介するのは、炭素。英語表記ではCarbon、元素記号ではC。筆者は、このCから、Cute、Cool、Convenientとかいう単語が生まれたのではないかと思うぐらい、炭素が好きである。学生時代には、炭素材料学会のセミナーに自費で参加したほどだ。

 炭素というと、一般的に鉛筆に使われる「黒鉛(グラファイト)」や「ダイヤモンド」をイメージする方が多いのではないだろうか。実は、炭素は黒鉛だけでなく、様々な性質、形状をもった材料のもとになっている。

 そこで今回は、読者の皆さんにも、筆者が大好きな炭素材料を知ってもらいたいがため、その魅力について語っていきたいと思う。

とにかくハイスペック

 

 第14族元素、第2周期元素に属する、原子番号6の炭素。1961年*IUPACに「質量数12の炭素原子の質量を12とする」と定義され、原子界隈にとっては欠かせない存在となっている。

 加えて炭素は、その特性も素晴らしい。炭素からなる炭素繊維は、比重は鉄の1/4倍、比強度は鉄の10倍、そして錆びないといった、数多くのメリットを持つ。 

 ただ、一番の欠点を挙げるとしたら、火に弱く、簡単に燃えてしまうこと。でも、人間と同じように、欠点は一つくらいあった方が愛着が湧いていいのではないのだろうか。

*IUPAC:国際純正・応用化学連合

魅力的な炭素ファミリー 

 炭素はその結合の仕方で、様々な性能、形状を持つ炭素材料となる。私はこれら炭素材料をまとめて、炭素ファミリーと呼んでいる。性格(特性)は違えど、血縁関係(同じ原子)にあるからだ。そこで今回は、私が好きな炭素ファミリーのメンバーをいくつか紹介する。

1.カーボンナノチューブ(父親)

  

 トイレットペーパーの芯のような形状の「カーボンナノチューブ」。これは、グラフェンシートが筒状になったものである。単層の状態のものは単層カーボンナノチューブ、複数枚重なっているものは、複層カーボンナノチューブと呼ばれている。

 カーボンナノチューブはその強度と軽さから、理論上宇宙エレベーターを作ることができるといわれている。また、その特異的な中空構造に分子を内包して、新たな性質や特性を示すという報告もされている。

 その堂々とした佇まいは、一家を支える父親。熱い気持ちをその中空構造に内包して、今後も、技術の発展に力を注いでいってほしい。

2.フラーレン(母親)

 

 サッカーボールみたいな形の「フラーレン」。 1985年に米国とイギリスの研究者たちによって発見された。炭素60個から形成されたC60は、6員環と5員環の炭素によって形成されている。

 フラーレンもナノチューブと同じように、中に分子を内包することができる。分子内包フラーレンは、低温で超伝導性を示したり、単体で示した性能とは異なる性能など、特異的な性質を示すようになる。

 丸みのあるフォルムが醸し出す優しさは、一家でいう母なる存在。今後も数多くのファミリーを内包して育んでほしい。
 

 

3.コラニュレン(長男)

  

 皿の形状をもった「コラニュレン」。20個の炭素を基本骨格にもち、フラーレンの部分骨格ともいわれている。曲面状π共役化合物であるコラニュレンは、通常の平面状π共役化合物と違って、曲面反転挙動や構造異方性といった性質を持つ。

 すべてを受け入れてくれるような構造をもつコラニュレン(長男)は、母親であるフラーレンに似ている。最近では、名古屋大学の研究室で、コラニュレンを出発物質として「ワープド・ナノグラフェン」が誕生した。今後も父親の背中を追って、多くの成果に貢献していくだろう。

4.カーボンナノベルト(長女)

 最近、名大の研究室によって見出された「カーボンナノベルト」。炭素原子の6員環構造が複数個つながってできたベルトみたいな形になっている。

 今までカーボンナノチューブを作製する際に、直径や配列が一緒のものを作ることが難しかった。しかしながら、これを原材料に使用することで、スケール感のあうカーボンナノチューブが作れるようになるらしい。他にも、半導体や発光材料など様々な分野での応用が期待されている。

 繊細ながらも、なんでもこなしてしまう器用さは長女だからか。まだ生まれたばかりなので、今後に期待。


(科学技術振興機構(JST)プレスリリースより引用)

 以上、筆者が愛してやまない炭素材料の魅力について紹介した。炭素材料は様々な分野に応用ができることが期待されている。今後も、新たな炭素材料が誕生し、技術の発展に貢献していくだろう。

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