最近のテクノロジーの多くを構成するシリコン、プラスチック、ガラスは、近いうちに、古くてまったく新しいもの、グラフェンに置き換えられるかもしれません。
グラフェンはスーパーヒーローを倒せるほどの物質のように聞こえるかもしれませんが、その通りです。科学的に知られている物質の中で最も薄いにもかかわらず、鋼鉄の300倍の強度とダイヤモンドよりも高い硬度を誇ります。高品質のグラフェンは透明で柔軟性があり、熱と電気の優れた伝導性も備えています。
グラフェンの存在は1800年代半ばから知られていましたが、科学者がグラフェンの実験に取り組めるようになったのはここ10年ほどです。2004年、マンチェスター大学の2人の研究者が、信じられないかもしれませんが、グラファイトの塊と粘着テープを使って、初めてグラフェンを単離しました。
ではグラフェンとは一体何でしょうか?
グラフェンは、炭素原子のみで構成された結晶構造で、六角形のハニカム状のパターンに配列されています。グラフェンは原子1個分の薄さ（つまり、長さと幅はありますが、高さはありません）のため、あらゆる物質の中で最も2次元に近いと言えます。
グラフェンは、他の同素体（炭素元素の構造的に異なる形態）の基本成分でもあります。これには、木炭、カーボンナノチューブ、その他のフラーレン（炭素のみで構成された分子）が含まれます。
マルコ・チアペッタ グラフェンの原子構造により、グラフェンは知られている中で最も強力な材料の 1 つとなっています。
グラフェンにこれほど多くの貴重な特性を与えているのは、その独特な構造と組成です。炭素原子は外殻に4つの電子を持ち、そのうち3つは隣接する炭素原子の電子と強力な共有結合を形成します。これがグラフェンの特徴的な六角形の形状を生み出しています。各炭素原子の4番目の電子はフェルミオンとして知られており、ディラック方程式で記述される相対論的粒子のように振る舞います（これはSF的な展開として、反物質の存在も示唆しています）。
グラフェンの話に戻りますが、これらの自由電子と材料の相対的な均一性により、グラフェンは銅や銀よりも優れた電気伝導体、熱伝導体となっています。一方、炭素原子間の強力な共有結合は、グラフェンに強度を与えています。
グラフェンの層は弱いファンデルワールス力（二つの表面間の引力の和で、トカゲが垂直の壁を登る能力などにも寄与する）によって結合しています。一方、グラフェンの各層に含まれる炭素原子間の結合は非常に強力です。実際、原子一つ分の厚さのグラフェンシートで作られたハンモックは、約9ポンド（約4.7kg）の荷重を支えることができます。
高品質のグラフェンは軽量で柔軟性があり、他の元素を透過せず、実質的に透明です。原子間の隙間のおかげで、この素材は白色光のわずか2.3%を吸収し、97%を透過します。
グラフェンの用途
グラフェンの潜在的な用途はほぼ無限です。家電製品からスポーツ用品まで、様々な業界で既に数多くのプロジェクトが進行中です。これまで、グラフェンを使った消費者向け製品は、保護コーティングに少量使用されているものに限られていました。グラフェン製造の謎が解明されれば（後ほど詳しく説明します）、この素材はあらゆる場所で見られるようになるでしょう。
グラフェンが最も直接的な影響を与える可能性が高い分野の一つは、タッチスクリーンなどのフレキシブルで透明な電子機器の製造です。グラフェンは、地球上で最も希少な元素の一つであるインジウムの代替となる可能性があります。（グラフェンの原料である炭素は、地球上で最も豊富な元素の一つです。）グラフェンはインジウムよりも軽く、薄く、そして強いという特徴も持ち合わせています。ディスプレイクラスターを兼ねた超強力なフロントガラスも、実現不可能ではありません。トニー・スタークの透明なスマートフォンも同様です。
IDGNS このスマートフォンのプロトタイプのケースはガラス製です。グラフェン製の筐体なら、より軽量で、透明性も同様に優れています。
グラフェンの電気的特性は、集積回路の製造にも理想的な材料です。2013年のインテル開発者フォーラムの質疑応答で、インテルCEOのブライアン・クルザニッチ氏は、シリコンに代わるグラフェンのチップ製造への応用可能性を検討していると述べました。クルザニッチ氏によると、グラフェンの日常的な使用は「数世代先」、つまり2020年頃になるとのことです。
グラフェンは、現在の製品よりも速く充電でき、はるかに長い充電時間を持つ次世代の固体コンデンサの基盤となる可能性もある。そして、グラフェンは、現在利用可能なものよりもはるかに大容量の超強力で軽量なバッテリーの時代を先導する可能性がある。研究者たちは、グラフェンを超冷却し、強力な磁場で囲むことで、電子のスピンに基づいてグラフェン表面に沿った電子の流れの方向を変えることにも成功しており、これは量子コンピューティングの可能性を切り開く。
グラフェンは、電子機器やディスプレイ技術だけに留まることはないでしょう。優れた強度対重量比は、高強度で軽量な自動車の実現にも貢献する可能性があります。また、その透明性と導電性は、将来の太陽電池パネルの有力な候補となっています。本来は不浸透性のグラフェンシートにナノサイズの穴を開けることで、DNA一本鎖をその穴から引き抜く機械に利用でき、迅速なDNAシーケンシング、浄水、淡水化などに活用できる可能性があります。
グラフェンの製造
しかし、これらの空想的なデバイスが現実のものとなる前に、産業界はまず信頼性が高く費用対効果の高い製造プロセスを開発する必要があります。現在のグラフェン研究の取り組みの大部分は、まさにそこに集中しています。
グラフェンは現在、様々な方法で製造されています。最も簡単な方法は「スコッチテープ法」（機械的剥離法、または劈開法とも呼ばれます）です。アンドレ・ガイムとコンスタンチン・ノボセロフは、2004年にこの方法でグラファイトの大きな塊からグラフェンを分離しました。この研究により、彼らは2010年にノーベル物理学賞を受賞しました。
アンドレ・ガイムとコンスタンチン・ノボセロフは、グラフェンの単離に関する研究により、2010年にノーベル物理学賞を受賞しました。二人は、このサイン入りのテープディスペンサー、グラファイトの塊、そしてグラフェントランジスタをノーベル博物館に寄贈しました。
粘着テープは、大きな塊からグラファイト小片を取り出すために使用されます。グラファイト小片の上でテープを折り曲げ、その後テープを剥がすことで、グラフェン層がグラファイトから剥がされます。粘着テープの強力な力により、グラファイト層を繋ぎ止めている弱いファンデルワールス力が克服され、最終的に単層となり、グラフェンが得られます。
しかし、機械的な剥離は比較的小さなグラフェン片を分離するためにしか使用できないため、研究者はより大量のグラフェンを生産するために他の方法を実験している。
化学気相成長法（CVD）は最も有望な方法の一つです。このプロセスでは、化学蒸気を炉内で蒸発させ、薄い金属基板上にグラフェンを堆積させます。同様のプロセスは、長年にわたり超大規模集積回路（VLSI）の製造に使用されてきました。グラフェンは、グラファイトを液体に浸し、超音波を照射して個々の層を分離する方法や、グラフェン（カーボンナノチューブとも呼ばれる）で形成された円筒の端をスライスする方法によっても単離できます。
これらの手法を用いることで、科学者たちは様々な品質とサイズのグラフェン片を作製することが可能になりました。その中には、既にスーパーキャパシタの製造に使用されている長いグラフェン繊維も含まれています。一部の企業（最近ではサムスン）はグラフェン製造における画期的な成果を主張していますが、既知の研究のほとんどはまだ学術的な段階であり、実際の産業用途にはまだ拡張されていません。
グラフェンベースのマイクロプロセッサ、フレキシブルタッチスクリーン、そして同様に革新的な新デバイスが広く普及するまでには、まだ時間がかかりそうです。しかし、産業界が実用的かつ安価なグラフェン製造方法を完成させれば、グラフェンは今日のプラスチックのように、間違いなくあらゆる場所で使われるようになるでしょう。
