グラフェンの3次元化で「最も軽くて強い素材」が誕生

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2010年のノーベル物理学賞の対象にもなった「グラフェン」。この薄くて強い新素材を3次元構造化することにMITの研究チームが成功。「最高の強度をもつ軽量素材」が生まれた。

TEXT BY JAMES TEMPERTON
TRANSLATION BY MINORI YAGURA, HIROKO GOHARA/GALILEO

WIRED (UK)

PHOTO: 3dart / 123RF

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夢の素材「グラフェン」(日本語版記事)が、超強力な3次元構造体になって、さらに驚くべき素材になった。

マサチューセッツ工科大学(MIT)の研究チームは、『Science Advances』誌に発表した研究論文のなかで、グラフェンの小片に圧力と熱を加えて3D構造にすることで「知られている限り最高の強度をもつ軽量素材」を開発できると主張している。

炭素原子が正六角形で連なるように平面上に広がるグラフェンは、最も強く、軽く、導電性の高い素材のひとつだ。単層のグラフェンを分離することは不可能だとされてきたが、2004年に英マンチェスター大学で、グラファイト(黒鉛)の欠片とセロテープを使って得られることが発見され、研究者たちは2010年のノーベル物理学賞を受賞した。

グラフェンは、原子の厚みしかもたない2次元構造だ。そして多くの研究チームが、この2次元構造を強固な3次元構造に変えようとしている。そうすれば、自動車や建物、機器などに利用できる可能性があるからだ。しかし、グラフェンの3次元構造化を目指したこれまでの試みでは、強度の劣る構造体しかつくれなかった。

MITの研究チームは、グラフェンを原子レヴェルまで分析し、特性への理解を深めた。そのうえで、グラフェンの小片に熱と圧力を加え、サンゴにも似た、強固で安定した構造体を3Dプリンターでつくり出すことに成功した。

新しい構造体の強度を調べるため、研究チームは、一連の3次元構造体をつくって耐力試験を行った。コンピューターによるシミュレーションで、あるグラフェンの構造体は、密度が鉄の5パーセントにもかかわらず強度は鉄の10倍になったという。

なお、こうした3次元構造の強固さは、グラフェンに限定されるものではない。「ほかのどんな素材にも応用できます。肝心なのは形状です」とMIT土木環境工学科のマーカス・ビューラー教授は、『MIT News』で語っている

樹脂を使って、同じ素材でも構造体によって強度が異なることを説明する実験。

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