碳納米管(CNT)誕生于1991年。如今,CNT終于看到了全面投入量產,實現實用化的希望。CNT從發現之初就是備受關注的“夢之材料”,迄今為止,每年發表的研究論文都多達數千篇,但是,由于其中還存在若干重大課題,一直難以實現實用化。就在CNT原地踏步的時候,同為碳材料的富勒烯(C60),以及“發現”更晚的石墨烯登上舞臺,發現者均獲得了諾貝爾獎。CNT的發展落在了后面,雖然距離其發現已經過了21年,但CNT的實用化事例極其有限,只在近期作為了網球拍的框架材料,也就是碳纖維增強樹脂基復合材料(CFRP)的添加劑。
CNT的實用化之所以進展遲緩,是因為存在非常多的課題。其中,最重大的課題之一是缺乏高純度CNT的量產技術。雖然已開發出了使用化學氣相沉積(CVD)法的生產方法,但金屬催化劑等雜質大量殘留的問題一直沒能解決。使用普通的CVD法時,金屬催化劑甚至會占到生成物整體的7成(重量比)。不過,借助日本產業技術綜合研究所在2004年開發的“超速成長法(Super Growth)”,單層CNT(SWNT)的純度問題已經得到了大幅改善。憑借日本瑞翁公司(Zeon)對量產技術的不斷研究,如今產品的純度似乎已經達到了99.98%。多層CNT(MWNT)的生產方法也在改進之中,量產產品純度達到95%也已經不再稀奇。
隨著量產的開展,CNT的另一個重大課題——價格也在大幅下滑。在2005年左右,CNT的價格高達每克10萬日元以上,而且還是有很多雜質的。這樣的話,即使研究室得到的結果再有希望,也無法應用于產業用途。但在最近,MWNT的量產進步顯著,比利時Nanocyl等公司的年產規模甚至達到了400t。因此,MWNT的價格降到了每千克1萬日元左右,僅為2005年的萬分之一。與太陽能電池等產品相同,中國企業也在紛紛參與MWNT生產,今后,MWNT的價格估計還會繼續滑落。雖然SWNT的量產,特別是使用超速成長法的量產尚未展開,但其市場期待已經超過了MWNT。
其實,SWNT也存在其特有的課題,那就是金屬型與半導體型CNT混合的問題。SWNT根據碳原子六元環,也就是“網”的連接方式(手性)的差別,分為金屬型的CNT與半導體型的CNT兩種。而且在制造時,金屬型與半導體型CNT混雜在一起,這是把SWNT作為半導體使用的重大障礙。在此之前,CNT的應用之所以局限于CFRP等非電子元器件,以及電子元器件中蓄電池、電容器電極材料等比較簡單的導電材料,正是出于這個原因。但在最近,這項課題的解決已有了眉目,雖然分別來制造金屬型CNT與半導體型CNT的技術還不存在,但能夠在室溫下簡單分離二者的技術已經問世。今后,SWNT在半導體領域的應用也有望擴大。
但CNT還有其他一些問題,例如,有觀點指出CNT與石棉一樣會危害健康、因為難以分散于水等溶劑而不易處理等。不過,隨著危害健康的條件逐漸明朗,以及使CNT在分散時不受到破壞的方法問世,這些課題也即將得到解決。
最后的課題是用途。在此之前,CNT最多只是用作CFRP添加劑,但隨著其價格的下跌,CNT非常有望用作蓄電池或超級電容器的部分電極材料。對于企業而言,如今正是決定是否為該用途投資建設制造設備的關鍵時期。
雖然CNT面臨著諸多課題,但大多數課題都有了解決之道,其優越性能可以發揮的日子為期不遠。特別值得提出的是,日本的研究者和技術人員在從CNT的發現到CVD法的開發到諸多課題的解決上所做出的卓越貢獻。2012年3月,被譽為“工程學諾貝爾獎”的“Queen Elizabeth Prize for Engineering”(伊麗莎白女王工程將)也已設立,筆者預感,今后這些研究者和技術人員將會以某種形式為人們所矚目。(記者:野澤 哲生,《日經電子》)