ナノカーボンの吸着機能をベースに新規応用を目指す

単層カーボンナノホーンのナノ空間中に成長しているヨウ化カリウム結晶の透過電子顕微鏡による格子構造。
この格子像はこのナノ空間が外側は1気圧以下であるのにカーボンのナノ空間中では2万気圧近くの高圧がかかっているような状態にあることを示している。

エキゾチック・ナノカーボン（ＥＮＣｓ）とは、炭素を母体とするナノサイズのカーボンに異種の原子を入れ、これまでにない物性や機能性をもたせた新規物質のこと。ドリームチームでは、このＥＮＣｓの創成と構造解析、機能性の検証などを4つのグループが共同して行っている。

このうち金子教授率いるグループでは、ＥＮＣｓの物性・構造解析と吸着機能をベースにした新規応用を目指している。現在はカーボンナノチューブやグラフェンシートによる分子の貯蔵・転換および分離を調べている。次第にENCsも取り入れた研究を行う予定。

グラフェンは、六角網平面を形成する炭素原子が１層のシート状に結合しているが、そこに所定の原子を柱のように挟み込み、もう1枚のグラフェンを重ねると隙間（細孔）ができる。こうしてできた細孔は、気体などの分子を捕らえる空間となる。カーボンナノチューブはグラフェンを丸めて筒にした構造なので、筒の中に分子サイズの空間がある。

通常、気体分子は、熱エネルギーを持ち空間を動き回るが、この状態はエネルギーが高く不安定である。一般に物質は、不安定な状態から安定した状態に移る。グラフェンの壁で囲まれた空間は、炭素原子が分子を吸着する力が強いため、分子はその空間に入って安定化する。

分子を吸着するのは、炭素原子との間に働くファンデルワールス力だ。ファンデルワールス力は、グラフェンの炭素原子と分子との間にも働く。その力は、化学結合の数十分の1程度だが、六角網目構造で並ぶ個々の炭素原子の力を積算するとかなりになる。こうして次々とカーボンの細孔に捉えられた分子は、空間内に強く押し付けられた状態となり、最近になって、そこには2万気圧もの圧力がかかっていることが判明している。

このカーボンの細孔による分子吸着理論を応用して金子教授のグループでは、新しい化学的研究を進めている。その一つが、水素と重水素の分離だ。水素と重水素は、互いに同位体と呼ばれ、同じ原子番号をもちながら中性子の数（原子の質量数）が異なる。重水素は核融合を行う際の燃料となるが、これを濃縮する場合には、水の電気分解の速度差を利用するなど大量の電力を必要とする。そのため簡単に分離できれば、将来のエネルギー資源枯渇への有効な解決策となる。金子教授らは、ナノカーボンの吸着機能を利用して、これを具現化しようとしている。

重水素の分子量は4で、水素は2といずれも軽い。こうした軽い分子は、常に揺らいでいるが、重い重水素分子の方が、軽い水素分子に比べると揺らぎの度合いが小さい。そのためカーボンの細孔サイズによっては、重水素は細孔に入れるが、水素は大きく揺らいでいるために入ることができなくなる。この選択的な量子分子篩作用を利用すれば、両者を効率的に分けることが可能となる。

また同様な手法で炭素の同位体分離の実験も行っている。炭素には、質量数が12～14の同位体が存在するが、炭素14は放射線を出す。炭素14は、欧米で多く稼働する黒鉛型原子炉で生成する。半減期は6,400年と長いことから、一基当たり2,000トンに及ぶ放射性グラファイトの処理が問題となっている。そこで黒鉛型原子炉から廃棄されるグラファイトの中から、安全な炭素12と放射線を発する14を分離できれば、放射化グラファイト量を著しく削減できる。

分離方法は、まず炭素を燃やして二酸化炭素を発生させ、そこからメタンを生成する。炭素12由来のメタンの質量は16で、炭素14由来のメタンの質量は18となるため、分子の揺らぎに違いが生じ、前述した量子分子篩効果で分離できる。既に良好な結果が出ているため、今後は高感度試験装置を用いて実験をさらに進める予定だ。

こうした分子の選択的分離には、ナノカーボンの空間が最適である。それは炭素の原子番号が12と比較的小さく、軽量な材料のためである。また、ナノカーボンの構造は六角網目構造をとっているため、面積当たりの原子数が多く、積算したファンデルワールス力が強い。つまり軽くて強い分子場を作れることになり、将来的に小型・軽量の効率的な装置の開発が可能となる。

様々な「夢」を実現させる可能性を秘めるナノカーボン

ナノカーボンは、分子を濃縮したり分離する以外に、従来のエネルギー産業、環境技術、医療・食品分野などで革新的な素材あるいは装置を生み出す可能性を秘めている。
「たとえばナノカーボンが作る空間にナノサイズの触媒を入れておくことで、普通の条件では起こらない反応を起こすことも可能です」（金子教授）。

ナノチューブやグラフェンは、細孔の大きさを変えることで、場の圧力をコントロールでき、電気もよく流すことから温度や圧力を変えた反応場が自在に作れる。これと最適な触媒を組み合わせることで、二酸化炭素をメタンに変えたり、圧力をかけずにアンモニアを作るなど、これまで巨大な化学プラントで合成していたものが、小さい反応場を積み重ねるだけで簡単に作れるかもしれない。

現在、空気中の窒素と酸素の分離には、ゼオライト等を利用して工業的に行っているが、ナノカーボンを利用すればさらに効率的な分離が可能となる。
これによって医療現場や家庭で、小さなパッケージから酸素を手軽に取り出せたり、あるいは燃焼装置と結び付けることで燃焼効率を上げ、省エネと二酸化炭素排出量の減少が同時に期待できる。さらに人間の呼気には、二酸化炭素以外に一酸化窒素やメタン、アセトンなども含まれるが、それらの濃度を簡単に測定できるセンサとしてナノカーボンを応用すれば、健康管理などにも利用できる。

「有機化学反応は、非常に発達しています。ナノカーボンの構造修飾には、これまで培ってきた様々な反応を利用できます。そのため自由自在に必要に応じた形態のナノカーボンが作れる日もやがて来るでしょう」（金子教授）。
そのためにやるべき事は、数多くあると金子教授は力説する。