ナノマテリアルの概要

ナノ開発の歴史

1959年、有名な物理学者でノーベル賞受賞者のリチャード・ファインマンは、人間がより小さな機械を使ってさらに小さな機械を作り、やがては原子を1つずつ並べ、人間の希望通りに製品を1つずつ作れるようになると予言した。 これがナノテクノロジーの最も初期の夢だった。

1991年、アメリカの科学者たちがカーボンナノチューブの合成に成功し、同じ体積の鉄の6分の1の質量で10倍の強度を持つことを発見したため、スーパーファイバーと呼ばれるようになった。ナノ材料の発見は、材料特性の発見において新たな高みに達したことを意味する。1999年、ナノ製品の年間売上高は500億ドルに達した。

ナノマテリアルとは何か？

ナノメートル（nm）は長さの単位で、1ナノメートルは10-9メートル（10億分の1メートル）である。巨視的な物質にとって、ナノメートルは非常に小さな単位である。人間の髪の毛の直径は一般に7000～8000nm、人間の赤血球は一般に3000～5000nm、一般的なウイルスも数十～数百ナノメートル、金属の粒径は一般にミクロン単位である。オングストロームで表現されていた原子や分子などの微細な物質は、オングストロームが水素原子の直径で、ナノメートルは10オングストロームである。

一般に、ナノ材料には2つの基本条件が含まれると考えられている。1つは、ナノ材料の特徴的な大きさが1～100nmであること、もう1つは、ナノ材料が現時点では通常の大きさの材料とは異なる特別な物理的・化学的特性を持つことである。

ナノマテリアルとは、3次元空間において少なくとも1次元がナノメートルサイズ（0.1～100nm）であるか、またはそれを基本単位として構成される物質を指し、10～100個の原子が密に詰まった程度の大きさである。現在、ナノ材料には以下のような用途がある。

天然ナノ材料

ウミガメは米国フロリダ州の海岸付近で産卵する。しかし、誕生したウミガメの赤ちゃんは、生き延びるためにイギリス近海まで泳ぎ、餌を求めて成長する。やがて成体はフロリダの海岸に戻って産卵する。この往復に約5～6年かかる。なぜウミガメは何万キロも移動できるのだろうか？実は、彼らは頭の中にあるナノ磁性体に頼って、正しくナビゲートしているのだ。

ハト、イルカ、チョウ、ミツバチなどの生き物が迷子にならない理由を研究している生物学者たちも、彼らを導くナノ物質を体内に発見している。

ナノスケールの磁性材料

実際に使用されているナノ材料のほとんどは人工的なものである。ナノ粒子からなる磁気記録材料は、その小さなサイズ、単一ドメイン構造、高い保磁力により、音質、画像、SN比が優れているだけでなく、γ-Fe2O3の数十倍の記録密度を持つ。また、超常磁性強磁性ナノ粒子は、電気音響デバイス、制振デバイス、回転シール、潤滑、選鉱などの分野で磁性液体にすることもできる。

ナノセラミック材料

従来のセラミック材料は粒子が滑りにくく、材料が脆く、焼結温度が高い。そのため、ナノセラミックスは高強度、高靭性、良好な延性を有し、ナノセラミックス材料は室温での冷間加工や高温下での加工が可能である。

ナノセンサー

ナノジルコニア、酸化ニッケル、二酸化チタンなどのセラミックスは、温度変化、赤外線、自動車の排気ガスなどに非常に敏感です。そのため、温度センサー、赤外線検出器、自動車排気ガス検出器などに利用でき、一般的な類似セラミックスセンサーよりもはるかに高い検出感度が得られます。

ナノグラジエント機能材料

航空宇宙用の水素・酸素エンジンでは、燃焼室の内面は高温に耐える必要があり、外面は冷却水と接触する必要がある。そのため、内面はセラミックス製、外面は熱伝導性の良い金属製が望ましい。しかし、塊状のセラミックスと金属は接合しにくい。製造中に金属とセラミックスの組成を徐々に連続的に変化させれば、金属とセラミックスは「互いにつながる」ことができ、最終的には結合して傾斜機能材料を形成することができる。金属とセラミックスのナノ粒子を混合し、その含有量が徐々に変化する要求に従って焼結して形成すると、燃焼室内の耐高温性と室外の良好な熱伝導性の要求を満たすことができる。

ナノ半導体材料

シリコンやガリウムヒ素などの半導体材料は、多くの優れた特性を持っています。例えば、ナノ半導体の量子トンネル効果により、一部の半導体材料の電子輸送が異常になり、導電率が低下し、粒径が小さくなるにつれて熱伝導率が低下し、マイナスの値さえ現れます。これらの特性は、Lsi（大規模集積回路）デバイスや光電子デバイスの分野で重要な役割を果たしている。光照射下でナノ半導体粒子が生成する電子と正孔は強い還元力と酸化力を持つため、有毒な無機物質を酸化し、ほとんどの有機物質を分解し、最終的に無毒無臭の二酸化炭素や水などを生成することができる。したがって、半導体ナノ粒子は、太陽エネルギーによる無機物と有機物の分解触媒として使用することができる。

ナノ触媒材料

ナノ粒子は優れた触媒である。ナノ粒子はサイズが小さく、表面での体積分率が大きく、表面での化学結合状態や電子状態が異なり、表面での原子の配位が不完全であるため、表面での活性位置が増加し、触媒として適格である。

ニッケルや銅-亜鉛ナノ粒子の有機物への水素添加は優れた触媒であり、高価な白金やパラジウム触媒に取って代わることができる。ナノメートル触媒プラチナブラックは、エチレン酸化反応温度を600℃から室温まで下げることができる。

医療への応用

血液中の赤血球の大きさは6,000～9,000nmであるのに対し、ナノ粒子の大きさはわずか数ナノメートルであり、実際には赤血球よりもはるかに小さいため、血液中を自由に移動することができる。様々な治療用ナノ粒子を体の様々な部分に注入すれば、検査や治療が可能で、従来の注射や薬よりも効果的である。

炭素材料は血液への溶解性が高い。世紀の人工心臓弁は、熱分解炭素やダイヤモンドライクカーボンの層を材料基板に蒸着させている。しかし、この成膜プロセスは複雑で、一般的には硬い材料の調製にしか適用できない。

インターベンショナル・ガスバッグやカテーテルは、一般に弾性の高いポリウレタン材料で作製される。長径比の高いカーボンナノチューブ材料と純粋な炭素原子を弾性の高いポリウレタンに導入することで、このポリマー材料は優れた機械的特性を維持し、加工や成形が容易である一方、より優れた血液溶解性を得ることができる。

その結果、ナノ複合体は溶血を引き起こしにくく、血小板を活性化しにくいことが示された。ナノテクノロジーを利用することで、医薬品の製造工程はますます洗練され、ナノ材料規模の原子や分子の配列を直接利用して、特定の機能を持つ医薬品を作ることができる；ナノ粒子の層で包まれたスマートドラッグは、がん細胞を積極的に探索・攻撃したり、損傷した組織を修復したりすることができる。ナノテクノロジーを利用した新しい診断機器は、少量の血液中のタンパク質やDNAから病気を検出することができる。ナノ粒子の特殊な性質をナノ粒子の表面で修飾することで、標的を定めて放出制御が可能で、検出が容易ないくつかの薬物輸送担体を形成することができ、体内の局所的な病理学的変化の治療に新たな方法を提供し、薬物開発の新たな方向性を切り開くことができる。

ナノメカニカル・コンピューター

世界初の電子コンピューターは1945年に誕生し、アメリカの大学と軍隊が共同開発に成功し、18000本のチューブを共有し、総重量は30トンで、面積は約170平方メートルである。ジャンボだが、1秒間に5,000回の演算しかできない。

半世紀を経て、集積回路技術、マイクロエレクトロニクス、情報記憶技術、コンピュータ言語、プログラミング技術の発展により、コンピュータ技術は急速に進歩した。今日のコンピューターはテーブルの上に載るほど小さい。重さは以前の10分の1だが、最初の電子コンピューターよりはるかに高速だ。

もしナノテクノロジーが電子コンピューターのデバイスを作るのに使われれば、未来のコンピューターは一種の「分子コンピューター」になるだろう。現在のコンピューターよりもはるかにコンパクトで、材料やエネルギーの節約という点で、社会にかなりの利益をもたらすだろう。

ハードディスク・ドライブのカード・リーダーを読み取ることができ、チップの何千倍ものメモリを搭載できるナノ材料クラスのメモリ・チップは、すでに生産が始まっている。ナノ材料が普及すれば、コンピューターは手のひらサイズに縮小できる。

CNT（カーボンナノチューブ）

1991年、日本の専門家がカーボンナノチューブと呼ばれる物質を作り出した。これは、六角形の円形の炭素原子をいくつも並べたチューブで、同軸のチューブをいくつか並べたものもある。単層チューブや多層チューブの両端は、このように密閉されていることが多い。

この炭素原子でできたチューブの直径とチューブの長さはすべてナノスケールなので、カーボンナノチューブと呼ばれる。引張強度は鉄の100倍、導電率は銅よりも高い。

カーボンナノチューブは、空気中で700℃程度に加熱され、酸化損傷により炭素原子のはさみのような装置の上部にパイプができ、開いたカーボンナノチューブになる。その後、低融点金属（鉛など）を電子ビームで蒸発させ、開いたカーボンナノチューブに凝縮させる。サイフォニングの結果、金属はカーボンナノチューブの中空コアに入り込む。カーボンナノチューブの直径は非常に小さいため、チューブ内に形成される金属ワイヤーも非常に細い。これらはナノワイヤーと呼ばれる。したがって、カーボンナノチューブとナノワイヤーを組み合わせれば、新たな超伝導体になる可能性がある。

ナノテクノロジーは、世界各国ではまだ胎動期にある。アメリカ、日本、ドイツなど、いくつかの国では具体化し始めているが、まだ研究段階であり、新しい理論や技術が生まれている段階である。

家電製品

ナノ材料で作られたナノ多機能プラスチックは、抗菌、消臭、防腐、老化防止、紫外線防止などの機能を持ち、冷蔵庫やエアコンの外殻の抗菌消臭プラスチックとして利用できる。

環境保護

環境科学の分野でユニークな機能を持つナノ膜が登場する。この膜は、化学物質や生物学的物質による汚染を検知し、それらの物質をろ過して汚染を除去することができる。

繊維産業

ナノSiO2、ナノZnO、ナノSiO2複合粉末材料を合成繊維樹脂に加える。延伸され、織られた後、下着や衣類は、殺菌、防カビ、消臭、耐紫外線にすることができます。そのほか、抗菌下着、消耗品の製造に使用でき、防衛産業の抗紫外線機能繊維の要件を満たすように製造することができる。

エンジニアリング産業

主要な機械部品の金属表面にナノ粉末コーティングを施し、機械設備の耐摩耗性、硬度、耐用年数を向上させる。