バックミンスターフラーレン革命は決して起こりませんでしたが、一部の研究者はフラーチューブとして知られる新しく発見された炭素結晶の特性を熱心に研究しています。
新たに確認された炭素結晶は、12 個の五角形と偶数個の六角形で閉殻を形成できるという幾何学的規則を満たしています。
ルース・ヤロー、Quanta Magazine に掲載
はじめに
炭素は、自然界で最も硬い物質の一つに変化することもあれば、子供たちが紙に炭素の痕跡を書き込むことができるほど柔らかい物質に変化することもあります。数十年前、科学者たちは「ダイヤモンドとグラファイトのほかに、炭素は他にどのような結晶形を取るのだろうか？」と疑問を持ち始めました。
1985 年に、彼らは最初の答えを見つけました。化学者のグループは、60個の炭素原子で構成される小さな中空球を発見し、これをバックミンスターフラーレン、または略してバッキーボールまたはフラーレンと名付けました。 （この結晶は、建築家 R. バックミンスター フラーによって広められた測地線ドームに似ていました。）研究者たちが、最も美しい分子と呼ばれるものの特性と応用を発見しようと競い合う中、ナノメートル幅の球体の周囲に新しい化学分野が誕生しました。
より大きなフラーレンが見つかりました。そして、数年後、日本の物理学者飯島澄雄の論文が、関連する炭素の形態への関心を呼び起こしました。これは、当初はバッキーチューブと呼ばれていましたが、現在はカーボン ナノチューブとして知られています。これは、トイレット ペーパーの芯のように丸まった炭素原子のハニカム格子で作られた中空の円筒です。
炭素結晶は、他のどの要素も一致しないと思われる電気的、化学的、物理的特性のスペクトルを持っていました。バッキーボールの発見者のうち 3 人、ロバート カール、ハロルド クロトー、リチャード スモーリーが 1996 年にノーベル化学賞を受賞したとき、カーボン ナノサイエンスをめぐる興奮はさらに高まりました。そして 2004 年、物理学者のアンドレ ガイムとコンスタンチン ノボセロフは、炭素原子の平らなシート (グラフェンとして知られる結晶) を分離する方法を発見しました。これにより、研究が再び爆発的に増加し、それ以来ずっと研究が続けられ、2010 年の物理学のノーベル賞を受賞しました。
最近、化学者たちはさらに別の種類の炭素結晶を発見しましたが、今回はそれほど大騒ぎではありませんでした。この話を求めて連絡を取った炭素専門家のほとんどは、まだそのことを知りませんでした。そしてこれまでのところ、世界全体で供給されている量はおそらくミリグラム、つまり数匹のイエバエの質量に相当します。
パデュー大学の化学者スティーブン・スティーブンソンは、2020 年に発見した炭素結晶の一種であるフラーチューブの模型を誇らしげに抱えています。
ルース・ヤロー、Quanta Magazine に掲載
これらの最新の炭素構造は、球状フラーレンと円筒状ナノチューブの間のどこかに位置します。バージニア工科大学および州立大学の化学者で、この分子の最初の発見者であるパデュー大学のスティーブン・スティーブンソン氏と共同研究をしているハリー・ドーン氏によると、それらは薬のカプセルのような形をした2つの「ナノスケールの結婚」だという。スティーブンソンとドーンは、この結晶をフラーチューブと名付けました。
フラーチューブは、フラーレンとナノチューブの最良の特徴を組み合わせています。あるいはその両方の最悪の場合。あるいは、それぞれの良いところも悪いところも少しずつ分かるかもしれません。それは誰に尋ねるか次第です。それらの特性がどのように役立つか、あるいは役立つかどうかはまだわかりません。ここは、フラーチューブの著名な炭素関連者が存在する、私たちが以前も訪れたことがある場所であり、おそらく今でも存在している場所です。
フラーチューブの採掘
フラーチューブの世界の中心は、インディアナ州パーデューのフォートウェインキャンパスにある居間ほどの広さの化学研究室です。そこでスティーブンソンと彼の少数の学部生幹部は、新たに発見された分子を収集して分類します。分子は、さまざまな幅と長さの円柱の端にある半球状のキャップで構成されています。
2020年、スティーブンソンと共同研究者らは、フラーチューブファミリーの最初のメンバーである90原子の分子を発表した。この分子は本質的にバッキーボールの半分を30原子のナノチューブの中央部分で接続したものである。彼らは、この分子と、それぞれ 96 個と 100 個の炭素原子で構成される 2 つの大きな兄弟分子を発見しました。
今年、スティーブンソンとドーンはさらに 2 つのフラーチューブを記述しました。どちらも 120 個の炭素原子で構成されています。彼らの研究によると、これらの錠剤の形をした分子のうち幅の狭いものは導電性であり、幅が広くて短いものは - 興味深いことに - 半導体であり、トランジスタやその他の電子デバイスに使用できる可能性があることを意味します。フラーチューブにはさまざまな光学特性や引張特性もあり、研究者たちは現在もその特性を調査中です。
メリル・シャーマン/クアンタ・マガジン
メリル・シャーマン/クアンタ・マガジン
シアトルのシステム生物学研究所のジェームス・ヒース氏は、1985年にカール氏とスモーリー氏とともに大学院生として最初のフラーレンの単離に貢献したが、この新しいフラーチューブは、彼と彼の同僚が最初にフラーレンを探索するきっかけとなったのと同じ幾何学的規則、つまり12個の五角形と偶数個の六角形で閉じた殻を形成できるという規則に従う「美しい構造」と呼んだ。 (たとえば、バッキーボールはサッカー ボールと同じ六角形と五角形のパターンを持っています。フラーチューブはルールを維持しながら、追加の六角形のベルトを追加します。)
この分子は長年にわたってフラーレンの主な供給源であったのと同じ特別な炭素すすの中に隠れており、化学者の目に触れてきました。しかし2020年、スティーブンソンはついに、はるかに豊富なフラーレンの中から管状カプセルを選び出す方法を発見した。彼が言うところの「魔法の」プロセスは、「球状のものはすべて反応して取り除くことです。そこで、ボールをチューブから分離します。」
特殊なすすは通常、チャンバー内のグラファイトロッドから炭素を蒸発させることによって作られます。炭素蒸気がチャンバーの壁で冷えると、その多くはフラーレンに凝縮しますが、まれにフラーチューブも形成され、スラグの山の中に宝石のように散らばります。スティーブンソンの手品は、アミンとして知られる水溶性分子に依存しています。これらは、炭素原子の六角形の配置が五角形の配置に結合する場所、つまりフラーレン全体に現れる交差点に引き寄せられます。一方、ナノチューブは六角形のみを特徴とし、フラーチューブはナノチューブの中央部分によってアミンから部分的に保護されているため、アミンにとって魅力的ではありません。そのため、アミンがフラーレンに結合して水溶性になりますが、未反応のフラーチューブは不溶性のままです。スティーブンソンはフラーチューブを残してフラーレンを洗い流すだけで済みます。
次に、フラーチューブが豊富なサンプルを、質量と微妙な化学的違いに基づいて分子を分離する機械に通し、均一な質量、形状、特性を持つ純粋なフラーチューブのコレクションを生成します。
フラーチューブの採掘プロセスはグラファイトロッドから始まります。スティーブンソンは棒を部屋に置き、そこで電気アークが炭素を蒸発させ、フラーレンとフラーチューブの形成につながります。
ルース・ヤロー、Quanta Magazine に掲載
「スティーブのアプローチは間違いなく非常に魅力的なものです」と、ナノチューブを扱うスイスのエコール工科大学フェデラーレ・ド・ローザンヌの化学者アルデミス・ボゴシアン氏は語った。 「これは、私たちの分野では従来使用されていないアプローチです。…彼の方法はもう少し正確です。」
専門家らは、フラーチューブの純粋で均一なサンプルを単離できることで、その分子に他の方法よりもはるかに大きな魅力が与えられると述べている。フラーレンも単離することができますが、フラーチューブやナノチューブを電気回路や光ベースのセンサーのコンポーネントとして有望にする電気的および光学的特性が欠けています。一方、ナノチューブ研究者にとって、純度は夢のまた夢でしかありません。ナノチューブ研究者は、長さや直径がランダムなチューブや、チューブ内に入れ子になったチューブを扱うことがよくあります。それでは、フラーチューブは、そのいとこたちが立ちはだかったハードルを乗り越えることができるでしょうか?
バッキーボールに何が起こったのでしょうか?
1991 年のサイエンティフィック アメリカンの記事で カールとスモーリーは、新しい炭素ベースの超電導体、エレクトロニクス、潤滑剤などのバックミンスターフラーレンの革新的な応用を想像しました。 「バルク C60 の多用途性は週を追うごとに高まっているようです」と彼らは書いています。
5年が経ちました。ノーベル賞委員会は、カール、クロトー、スモーリーがバックミンスターフラーレンの発見で化学賞を受賞したことを発表した 1996 年のプレスリリースで、「実際に有用な応用例はまだ生み出されていない」と書いています。「しかし、巨視的な量のフラーレンが入手可能になってから 6 年も経つと、このようなことは予想できません。」
四半世紀が経った今でも、当初期待されていた製品はどれも市場に投入されていません。バッキーボールを商業的に目にする可能性のある数少ない場所は、この分子の抗酸化物質としての可能性を宣伝する化粧品や栄養補助食品です。ただし、どちらの製品タイプも FDA の承認は必要なく、いくつかの研究でバッキーボールに毒性の兆候が示されています。 (ある研究では、少なくとも電離放射線に曝露されたマウスの寿命を延ばすという健康上の利点が裏付けられているようですが、別の研究ではマウスの寿命を延ばす利点は見出されていません。)
カリフォルニア大学バークレー校の物理学者マイケル・クロミー氏は、フラーレンは主に他の炭素結晶への道を築くために重要であると考えている。 「バッキーボールを手に入れたからです。それがナノチューブにつながり、最終的にはグラフェンにつながりました。」
ナノチューブはフラーレンよりも科学的、商業的に成功を収めています。ホームセンターで購入できます。トカゲの足が微細な毛を使用するのと同じように、接着に結晶を使用する「ナノテープ」または「ヤモリテープ」が販売されています。ナノチューブは非常に強く、鋼鉄をはるかに上回る性能を発揮する可能性がありますが、超強力なケーブル配線に十分な長さのナノチューブを作ることに成功した人は誰もいません。それでも、ナノチューブは布地、ボートの船体、高性能の自動車のボディ、テニスラケットに混合すると強度が増します。また、水の濾過や一部のバッテリーの性能向上にも広く使用されています。
しかし、これらの応用にはさまざまな長さと直径の大量のナノチューブが必要ですが、高精度ナノセンサーなどのより画期的な応用では、互いに同一のナノチューブが必要になります。たとえば、異なるナノチューブから作られた 2 つのセンサーは、同じ刺激に対して異なる反応を示します。電子機器が予測可能な方法で機能するには、均一なコンポーネントが必要です。
気化プロセスで生成された炭素すす (左上) は液体クロマトグラフィー機 (右上) を通過し、純粋なフラーチューブ サンプルのバイアル (下) が得られます。
ルース・ヤロー、Quanta Magazine に掲載
「実際にナノチューブを単離することはできません」とボゴシアン氏は言う。 「もしかしたら、純粋なナノチューブを単離する簡単な方法を見つけた人がノーベル賞を受賞するかもしれない。」ガイムとノボセロフがグラフェンの発見ではなく、グラフェンの単離で物理学賞を受賞したのと同じだ。
メリーランド大学のYuHuang Wang氏のような研究者は、長いナノチューブを切り取って特定の長さを作り出す方法を開発している。これは、ナノチューブの混合から始まり、それらを同一の部分の集合に変える困難なトップダウン技術である。他の研究者はナノチューブを原子ごとにボトムアップで構築しようとしていますが、このアプローチには欠陥があり、高価です。
Crommie 氏は、均一な単層シートを備えたグラフェンこそが、カーボン ナノ材料の真の可能性が発揮されると信じています。彼の見解では、炭素ベースの電子および磁気デバイスを実現するための最良の方法は、グラフェン リボンを使いやすい形状にトリミングすることです。この技術はすでに実験室で複雑な電子デバイスにつながっていると彼は言います。
バックミンスターフラーレンの発見者（左から）、ショーン オブライエン、リチャード スモーリー、ロバート カール、ハリー クロトー、ジェームス ヒース。1985 年、ヒューストンのライス大学の芝生でポーズをとりました。
ライス大学スモーリーナノスケール科学技術研究所の記録/UA 184/ウッドセン研究センター/フォンドレン図書館/ライス大学
フラーチューブのためのベイビーステップ
それでは、フラーチューブはどのような役割を果たすことができるのでしょうか?結晶は均一であり、導体または半導体のいずれかであるため、スティーブンソンとドーンは、それらをナノサイズのレゴのように連結して小型電子機器を作成できる可能性があると想像しています。
ボゴシアンはナノチューブを細胞に挿入して内部の環境を研究します。彼女はナノチューブの蛍光を利用しています。この構造は、ある色の光を吸収し、別の色の光を放射し、光の変化によって細胞の状態に関する情報が明らかになります。しかし、蛍光はナノチューブの構造に依存しており、それらの違いによりシグナルの解釈が難しくなります。最も短いフラーチューブは蛍光を発しませんが、長いフラーチューブでは蛍光の兆候が見られます。さらに長いフラーチューブがより強い蛍光を発するようになれば、彼女のような研究に恩恵をもたらす可能性がある。 「光電子応用に大いに役立つと思います」と彼女は言いました。
学術出版物の検索によると、2020年以降、約22,700の論文でフラーレンが言及されています。ナノチューブは93,000個に出現します。グラフェンについて検索すると、200,000 件以上の引用が見つかります。この記事の執筆時点で、フラーチューブに関しては、関連出版物の史上合計数は 94 です。
ボゴシアン氏は、研究によってナノチューブに似た特性が明らかになり、さらに正確な長さという利点が得られれば、時間の経過とともにより多くの研究者がフラーチューブに飛びつく可能性があると述べている。それでも彼女は、「人々は生涯を通じてナノチューブ（およびその他の炭素形態）の研究に取り組んできたので、それにはある程度の適応が必要になるだろう」と述べた。
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