2014年03月03日08:46
以复合化实现特性为原来100倍的新材料
在日本，新能源产业技术综合开发机构（NEDO）的项目也开始取得大的成果。该项目的目标是，将CNT与现有材料复合化来制造新材料。实际上，已诞生了数种具有前所未有特性的电子部件用材料（图4）。
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图4：以与现有材料的复合化迄今未有的特性 本图为日本NEDO的项目取得的成果示例。单层CNT与铜的复合化，制成了同时具备此前无法兼顾的高容许电流密度和高电导率的材料（a）。单层CNT与碳纤维和氟系橡胶的复合化，实现了密度低但导热率与铁相当的材料（b）。（图和照片（b）由产业技术综合研究所提供） |
其中之一是单层CNT与铜的复合材料。由产业技术综合研究所用铜电镀单层CNT制成。特点是，同时具备一般无法兼顾的高电导率以及表示大电流耐性的高容许电流密度。在保持铜的高电导率的同时，具有约为铜100倍的容许电流密度。另一方面，新材料的热膨胀率由铜的17ppm/K降到了接近硅的4.2～6.3ppm/K。通过复合，保留了两种材料的优点，减轻或解决了以前存在的问题。
CNT-铜材料设想的主要用途是，“铜通孔的代替或功率半导体的布线等”（产业技术综合研究所纳米管应用研究中心首席研究员畠贤治）。现已利用该材料，在硅芯片上成功形成了宽0.5μm的微细布线图案。
另外，NEDO还复合单层CNT于碳纤维和橡胶三种材料，开发出了把橡胶的低导热率提高至几百倍、与铁（Fe）不相上下的材料。产业技术综合研究所的畠贤治介绍说，“较粗的碳纤维起着（热的）高速公路、较细的单层CNT起着普通公路的作用，从而使导热率大幅提高”。
价格将因量产而大幅下降
目前的最大课题是，高品质单层CNT和石墨烯的价格非常高。单层CNT的价格有的甚至高达10多万日元/g（图5），是约4000日元/g的金（Au）的25倍以上。不过，这是因为“大学的研究室等都是按卖家开的价购买。而实际上，目前制造成本要低得多”（某CNT的研究人员）。
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图5：CNT的价格将因量产而大幅降低 本图为《日经电子》推测的量产后的CNT价格走势。 |
因此，待全面量产后，单层CNT等的价格极有可能大幅降低。因为不但合成技术迅速进步，品质和量产性大幅提高，而且CNT和石墨烯的原材料是甲烷（CH4）气体等非常常见的材料。
尤其是石墨烯，只需一层原子材料即可，因此所需的原材料本身也非常少。某研究人员表示，“还有仅用催化剂使用的铜所含的碳杂质就能合成石墨烯，无需从外部供给碳源的例子”。
实现米级长度为期不远
随着合成和制造技术的进步，此前只有科幻小说中才有的场景有望成为现实。CNT的长度和石墨烯的单晶在急剧增大（图6）。例如，CNT的长度直到最近一直是以几mm～1cm最为常见。最长的也就是18.5cm的试制例。但是，2013年中国清华大学发布了55cm长的CNT。有海外媒体报道称，“出现了建造太空电梯的可能性”。
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图6：还可制造巨大的CNT和石墨烯 本图为美国德州大学奥斯汀分校Ruoff研究室开发的直径约1cm的单晶石墨烯（a），以及此前CNT和单晶石墨烯增长和扩大的过程（b）。CNT和石墨烯实现米级均为期不远。（摄影：德州大学奥斯汀分校） |
石墨烯在进一步快速增大。利用化学气相法（CVD）合成的单晶石墨烯的直径截至数年前只有10nm左右。当时，由于石墨烯具有出色的坚韧性，“用一片石墨烯薄膜能为4kg的猫制造吊床”的估算受到关注，但实际上10nm的直径也只是画饼而已。
2010年前后，单晶石墨烯的直径开始急剧增大，到2013年11月，终于发布了直径为1cm的试制示例。制作该石墨烯的美国德州大学奥斯汀分校教授Rodney S.Ruoff预测称，“将来应该能制造出直径1m级的石墨烯”。
Ruoff就这种巨大的单晶石墨烯表示，“作为超越现有CF6RP的构造部材，也许能用于飞机的机翼等”。如果发挥单晶石墨烯的高阻隔性能，还有望用作薄膜电阻更小的透明导电膜、有机EL显示器和照明面板的封装膜，以及一层原子的透明窗户等。（作者：野泽 哲生，日经技术在线！供稿）
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