カーボンナノチューブ（CNT）とは

カーボンナノチューブ（CNT）は、炭素原子のみで構成される筒状のナノ材料です。その直径はナノメートル単位の極めて微細な大きさであり、長さはマイクロメートル単位に及びます。カーボンナノチューブは、グラフェンシートと呼ばれる炭素原子の六角形ネットワークを円筒状に巻いた構造を持っています。

この独特な構造により、カーボンナノチューブは驚くべき物理的・化学的特性を示します。例えば、鋼鉄の約20倍もの強度を持ちながら、アルミニウムの約半分の軽さを実現しています。また、銅の約1,000倍もの導電性や、優れた熱伝導性も備えています。

カーボンナノチューブは1991年に飯島澄男博士によって発見されて以来、その優れた特性から多くの産業分野で注目を集めています。現在では、電子デバイス、複合材料、エネルギー貯蔵、バイオメディカルなど、幅広い分野での応用が期待されています。

カーボンナノチューブの構造は大きく分けて次の2種類があり、これらの構造の違いによりカーボンナノチューブの特性や用途にも違いが生まれます。

　
• 単層カーボンナノチューブ（SWNT）：グラフェンシートが1枚で構成された筒状の構造
• 多層カーボンナノチューブ（MWNT）：複数のグラフェンシートが同心円状に重なった構造

カーボンナノチューブの製造方法には主にアーク放電法、レーザーアブレーション法、CVD（化学気相成長）法などがあり、それぞれ特徴や長所があります。現在も、より高品質で大量生産可能なカーボンナノチューブの製造方法の開発が進められています。

このように、カーボンナノチューブは21世紀の革新的な材料として、科学技術の発展に大きく貢献することが期待されています。その特異な構造と優れた特性により、私たちの生活を変革する可能性を秘めた魅力的なナノ材料と言えるでしょう。
※画像はイメージでありカーボンナノチューブとは関係ありません

カーボンナノチューブの構造の種類

前述したように、カーボンナノチューブの構造は、主に単層カーボンナノチューブ（SWNT）と多層カーボンナノチューブ（MWNT）の2種類に分類されます。これらの構造の違いは、カーボンナノチューブの特性や応用分野に大きな影響を与えています。

単層カーボンナノチューブは1枚のグラフェンシートを円筒状に巻いた構造で、直径が非常に小さく、高い純度を持つのが特徴です。一方、多層カーボンナノチューブは複数の円筒が入れ子状になった構造を持ち、より大きな直径と高い機械的強度を有しています。

【構造の特徴】

種類	特徴
単層カーボンナノチューブ（SWNT）	1つのチューブのみで構成され、断面は円形です。直径は最小で約1ナノメートル、長さは約10マイクロメートル程度で、非常に微細な構造を持ちます。単層カーボンナノチューブは高い純度と優れた電気的・熱的特性を示します。
多層カーボンナノチューブ（MWNT）	複数のチューブが入れ子構造になっており、断面は六角形や多角形などさまざまな形状を示します。直径は最小で約100ナノメートルと、単層カーボンナノチューブよりも大きくなります。多層カーボンナノチューブは機械的強度に優れ、生産コストが比較的低いため実用化が進んでいます。

これらの構造の違いにより、単層カーボンナノチューブと多層カーボンナノチューブはそれぞれ異なる特性を持ち、用途に応じて使い分けられています。例えば、単層カーボンナノチューブは高純度が要求される電子デバイスや高性能センサーに適している一方、多層カーボンナノチューブは強度が求められる複合材料や大量生産が必要な応用分野で活躍しています。

カーボンナノチューブの特徴

カーボンナノチューブは、その独特な構造から生まれる驚くべき特性を持っています。これらの特徴が、カーボンナノチューブをさまざまな分野で注目される革新的な材料にしています。

　
• 軽量性：カーボンナノチューブはアルミニウムのおよそ半分の重さしかありません。この軽量性により、航空宇宙産業や自動車産業など、軽量化が重要視される分野での応用が期待されています。
• 高強度：カーボンナノチューブは鋼のおよそ20倍もの機械的強度を誇ります。この驚異的な強度は、構造材料や補強材料としての利用可能性を大きく広げています。
• 耐熱性：カーボンナノチューブは高温環境下でも優れた安定性を示します。この特性により、高温下で使用される部材や耐火性が求められる製品への応用が可能となっています。
• 高導電性：カーボンナノチューブは銅のおよそ1,000倍もの高い電流密度耐性を持っています。この特性は、次世代の電子デバイスや高性能な電池電極材料としての活用につながっています。
• 高熱伝導性：カーボンナノチューブは銅のおよそ10倍の熱伝導性を持ちます。この優れた熱伝導特性により、放熱材料や熱管理システムでの利用が注目されています。
• 化学安定性：カーボンナノチューブは化学的に非常に安定した構造を持っています。この特性により、腐食に強い材料や長期間の使用に耐える部品への応用が可能となっています。

これらの特徴が相まって、カーボンナノチューブは従来の材料では実現困難だった性能や機能を提供し、さまざまな産業分野で革新的な応用の可能性を開いています。

カーボンナノチューブの製造方法

カーボンナノチューブの製造方法は、その構造や特性に大きな影響を与える重要な要素です。主な製造方法として、次の3つが広く知られています。

　
• アーク法
• レーザーアブレーション法
• CVD法

これらの方法は、それぞれ異なる原理を用いてカーボンナノチューブを生成し、各々の特徴や適した用途があります。
以下では、これら3つの製造方法について解説します。

アーク法

アーク法は、溶接などで使用されるアーク放電を利用してカーボンナノチューブを製造する方法です。この手法では、黒鉛（グラファイト）でできた電極間に高電流を流し、アーク放電を発生させます。その結果、陰極側の電極に多層カーボンナノチューブを含む物質が生成されます。

アーク法の特徴として、ヘリウムガスやアルゴンガス、メタンガスなどの特定のガス雰囲気中で行う必要があります。また、電極の材質に純粋な黒鉛を使用すると多層カーボンナノチューブのみが生成されますが、電極の黒鉛にニッケルやコバルト、イットリウムなどの金属触媒を添加することで、一部が単層カーボンナノチューブになります。

アーク法は、高品質な多層カーボンナノチューブを生成するのに適しており、特に純度の高いカーボンナノチューブが必要な応用分野で重宝されます。

レーザーアブレーション法

レーザーアブレーション法は、別名「レーザーファネス法」とも呼ばれる製造方法です。この手法では、金属触媒を混ぜた黒鉛にYAGレーザーを照射して高温にし、蒸発させます。蒸発した黒鉛にアルゴンガスを吹き付け、約1,200℃の電気炉の中へ移動させると、炉の壁面に単層カーボンナノチューブが付着します。

レーザーアブレーション法の最大の特徴は、高純度の単層カーボンナノチューブを得られることです。そのため、高純度の単層カーボンナノチューブが必要な用途、例えば高性能な電子デバイスや精密なセンサーの開発などに適しています。

しかしながら、この方法は大量生産には向いていません。そのため、研究用や特殊な用途向けの少量生産に主に用いられています。

CVD法

CVD（Chemical Vapor Deposition）法、つまり化学気相成長法は、化学的な成膜方法全般を指す手法です。カーボンナノチューブの製造においては、触媒金属のナノ粒子とメタンやアセチレンといった炭化水素ガスを熱分解し、カーボンナノチューブを生成します。

CVD法の特徴は、大気圧から中真空のガス雰囲気中で、プラズマや光、熱などを加えて化学反応を促進することです。この方法には、DIPS法、CoMoCAT法、HiPCO法、スーパーグロースCVD法など、いくつかのバリエーションがあります。

CVD法の最大の利点は、単層カーボンナノチューブを大量に生成できることです。そのため、産業応用や大規模な製造に適しています。また、カーボンナノチューブの成長をある程度制御できるため、特定の用途に合わせたカーボンナノチューブの設計が可能です。

カーボンナノチューブと炭素繊維の違い

カーボンナノチューブと比較される技術として、炭素繊維が挙げられます。両者は共に炭素を主成分とする先進材料ですが、その構造や特性、用途には大きな違いがあります。

炭素繊維は、炭素原子が結晶化した微細な繊維状の素材です。その構造はミクロ的にはグラファイト構造を持ち、高強度と軽量性を兼ね備えた材料として知られています。主に航空宇宙産業や自動車産業、スポーツ用品など、強度と軽量性が求められる分野で広く使用されています。

【カーボンナノチューブと炭素繊維違い】

	カーボンナノチューブ	炭素繊維
構造	炭素原子が筒状に配列した中空の構造。単層と多層がある	炭素原子が結晶化した微細な繊維状構造
製造方法	アーク放電法、レーザーアブレーション法、CVD法など	PAN法、ピッチ法、レーヨン法など
生産開始年	1991年に発見され、その後研究開発が進行	1960年代から商業生産が開始
生産量	現時点では比較的少量。研究開発段階の用途が多い	大量生産が確立されており、産業用途で広く使用されている
主な用途	リチウムイオン電池の導電助剤、研究開発段階の電子デバイスなど	航空機部品、自動車部品、スポーツ用品（自転車フレーム、テニスラケットなど）

上記の比較から分かるように、カーボンナノチューブと炭素繊維は、同じ炭素を主成分としながらも、その構造や製造方法、用途に大きな違いがあります。炭素繊維がすでに産業界で広く使用されている一方、カーボンナノチューブはその独特な特性を活かした新しい応用分野の開拓が期待されている段階にあります。

今後、カーボンナノチューブの生産技術が進歩し、大量生産が可能になれば、より多くの産業分野での応用が広がると予想されます。特に、ナノスケールの電子デバイスや高性能な複合材料など、炭素繊維では実現困難な用途での活用が期待されています。

カーボンナノチューブの用途

カーボンナノチューブは、その優れた特性により、以下のように多岐にわたる分野で革新的な応用が進められています。

【応用例】

　
• 燃料電池やキャパシタ等の電池
• 配線材料
• 半導体デバイス
• 薄膜
• 医療用材料
• 自動車・航空機
• 建築材料
• スポーツ用品（テニスラケットや自転車のフレーム）
• スピーカーやヘッドフォンの振動版
• 電線

エネルギー分野では、カーボンナノチューブは燃料電池や電気二重層キャパシタの電極材料として注目されています。特に、リチウムイオン電池の正極材用導電助剤としての利用が進んでおり、電池性能の向上に大きく貢献しています。カーボンナノチューブの高い電流密度耐性は、次世代の高性能エネルギー貯蔵デバイスの開発に不可欠な要素となっています。

電子デバイス産業では、配線材料や半導体デバイスの素材として期待を集めています。その卓越した導電性と熱伝導性を活かし、より高速で効率的な電子機器の開発が進められています。また、透明導電性フィルムの材料としても注目されており、フレキシブルディスプレイなどの次世代デバイスへの応用が検討されています。

医療分野では、カーボンナノチューブの微細な構造と独特な物性を利用した新しい医療用材料の開発が進んでいます。ドラッグデリバリーシステムや生体イメージング技術への応用研究が活発に行われており、将来的には画期的な医療技術の実現が期待されています。

自動車・航空機産業では、軽量性と高強度という特性を活かした部品開発が注目を集めています。燃料チューブ、フューエルポンプ、ギアなどの部品にカーボンナノチューブを利用することで、車体の軽量化と性能向上が図られています。航空機産業においても、構造材料としての利用が検討され、燃費改善や環境負荷低減への貢献が期待されています。

建築分野では、カーボンナノチューブを添加したコンクリートの開発が進められています。カーボンナノチューブの高強度特性を活かすことで、より強靭で耐久性の高い建築材料の実現が目指されています。これにより、より安全で長寿命な建築物の建設が可能になると期待されています。

スポーツ用品分野では、カーボンナノチューブの軽量性と高強度を活かした製品開発が行われています。テニスラケットや自転車のフレームにカーボンナノチューブを利用することで、より軽量で高性能な製品が生み出されています。これらの製品は、プロアスリートから一般のスポーツ愛好家まで、幅広いユーザーに新たな体験を提供しています。

音響機器分野では、CNTをスピーカーやヘッドフォンの振動板に利用する研究が進められています。CNTの軽量性と高い剛性を活かすことで、より忠実度の高い音響再生を実現する高音質機器の開発が期待されています。

電線分野では、カーボンナノチューブの高い導電性を活かした新しい電線材料の開発が進められています。従来の銅線よりも軽量で高性能な電線の実現が期待されており、送電効率の向上や電力インフラの革新につながる可能性があります。

このように、カーボンナノチューブは幅広い分野で革新的な応用が期待されている材料です。その独特な特性を活かし、従来の材料では実現困難だった性能や機能を持つ製品の開発が日々進められています。

参考：産業技術総合研究所｜カーボンナノチューブってどんな材料なの？

カーボンナノチューブの欠点

カーボンナノチューブは、その優れた特性から多くの産業分野で注目を集めていますが、実用化に向けてはいくつかの課題も存在します。

主な欠点としては、以下になります。

　
• 製造コストが高い
• 大量生産が難しい
• 分散性に課題がある
• 安全性に課題がある

これらの課題は、カーボンナノチューブの広範な応用を妨げる要因となっており、解決に向けた取り組みが進められています。以下では、これらの欠点について解説します。

製造コストが高い

カーボンナノチューブの製造コストの高さは、その実用化を阻む大きな要因の一つです。現在の製造方法は、アーク放電法、レーザーアブレーション法、化学気相成長（CVD）法などがありますが、いずれも高コストであり、産業規模での生産に適していません。

例えば、CVD法では高温環境や特殊なガス、触媒が必要となり、設備投資や運転コストが高くなります。また、高品質なカーボンナノチューブを得るためには、精密な制御が必要であり、これも製造コストを押し上げる要因となっています。

この課題に対しては、より効率的な製造プロセスの開発や、原料や触媒の低コスト化、製造設備の最適化などが求められています。また、大量生産技術の確立により、スケールメリットを活かしたコスト削減も期待されています。

大量生産が難しい

カーボンナノチューブの大量生産の難しさは、その微細な構造と形成メカニズムに起因しています。現在の製造方法では、高品質なカーボンナノチューブを大量に生産することが困難であり、これが産業応用の障壁となっています。

例えば、アーク放電法やレーザーアブレーション法では、高品質なカーボンナノチューブが得られますが、生産量が限られています。一方、CVD法は比較的大量生産に適していますが、品質や均一性の確保が課題となっています。

この問題を解決するためには、新たな製造技術の開発や既存技術の改良が必要です。例えば、連続生産が可能なCVD法の改良や、新しい触媒システムの開発などが進められています。また、品質管理技術の向上も重要な課題となっています。

分散性に課題がある

分散性の問題は、その応用範囲を制限する大きな要因の一つです。カーボンナノチューブは非常に細長い構造を持ち、ファンデルワールス力による強い相互作用のため、容易に凝集してしまいます。この凝集は、カーボンナノチューブの優れた特性を十分に発揮できない原因となっています。

特に、単層カーボンナノチューブと多層カーボンナノチューブの分散が困難であり、これらを均一に分散させることが課題となっています。カーボンナノチューブは生成時にすでに絡まり合った状態で形成されるため、この問題はより複雑になっています。

この課題に対しては、カーボンナノチューブの表面改質や、効果的な分散剤の開発、新しい分散技術の確立などが求められています。例えば、高粘度スラリー対応メディアレス分散機を使用した単相の分散処理や、ビーズミルを用いた多層カーボンナノチューブ2段階分散処理などの技術が研究されています。

安全性に課題がある

安全性への懸念は、その微細な構造と物理的特性に起因しています。カーボンナノチューブは、その繊維状の形状がアスベストに類似しているため、吸入した場合の健康影響が懸念されています。

実験では、マウスへのカーボンナノチューブの吸入試験で肺に強い炎症が発生することが確認されています。また、腹腔に投与されたカーボンナノチューブにより中皮腫が発生したという報告もあります。カーボンナノチューブの細く硬い性質が、細胞膜を突き破り、免疫系細胞を損傷する可能性が指摘されています。

この安全性の問題に対しては、適切な曝露量の指標や取り扱いガイドラインの策定が急務となっています。また、カーボンナノチューブの表面改質による安全性の向上や、作業環境の改善、個人保護具の開発なども重要な課題です。

さらに、長期的な健康影響を評価するための研究も継続的に行われる必要があります。安全性を確保することは、この革新的な材料の社会的受容と広範な応用を実現するための重要な前提条件となっています。

カーボンナノチューブの将来性

カーボンナノチューブの将来性を考える上で、最も注目すべき点は量産技術の進展です。特に化学気相成長（CVD）法を用いたCNTの量産技術は、近年急速に発展しています。例えば、低コストでの生産が可能になりつつあり、これによりCNTの価格が下がれば、より多くの産業分野での応用が現実的になります。

カーボンナノチューブは今後、下記のようなさまざまな分野での利活用が期待されています。

　
• 医療分野への応用
• 高性能コンピューターや医療機器の開発
• 炭素繊維に変わる新たな補強材料
• 太陽電池や燃料電池への活用
• 電気自動車バッテリーへの応用

このように、カーボンナノチューブは多岐にわたる分野で革新的な技術の基盤となる可能性を秘めています。現在直面している課題を一つ一つ克服していくことで、カーボンナノチューブは私たちの生活や産業、そして地球環境に大きな変革をもたらす可能性があります。今後も、カーボンナノチューブの研究開発は一層加速し、その驚異的な特性を活かした新たな技術や製品が次々と生み出されていくことでしょう。

まとめ

カーボンナノチューブは、革新的な特性を持つ先端材料として、さまざまな産業分野で注目を集めています。その独特な構造と優れた物性により、従来の材料では実現困難だった機能や性能を実現する可能性を秘めています。しかし、製造コストや安全性など、実用化に向けた課題も存在します。これらの課題を克服し、カーボンナノチューブの潜在能力を最大限に引き出すことで、エレクトロニクス、医療、エネルギーなど幅広い分野で革新的な製品やサービスが生まれる可能性があります。カーボンナノチューブの研究開発に注目し、その進展を追うことで、未来の技術動向を先取りすることができるでしょう。