材料科学
グラフェンなどの2次元材料が材料科学に新たなフロンティアを切り開く
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偶然の発見
ほとんどの物理的な物体は3次元材料で構成されています。固体材料は、金属や結晶を形成する予め決められた3次元構造に整列した原子、または他のものを形成する無秩序な原子のいずれかでできていることが多いです。
長い間、これが固体を形成するために物質が組織化できる唯一の形態であると考えられていました。しかし20年前（2004年）、マンチェスター大学のアンドレ・ガイム博士とコスティア・ノヴォセロフ教授の二人の研究者が、2次元材料であるグラフェンを発見しました。彼らは、鉛筆の芯を構成する黒鉛にシンプルなスコッチテープを貼ると、炭素の単原子層ができることに気付いたのがきっかけで、ほぼ偶然にこの発見をしました。
この功績により、彼らは後に2010年のノーベル物理学賞を受賞しました。
グラフェンは炭素原子から構成されていますが、無秩序な形態（黒鉛）や秩序だった結晶（ダイヤモンド）とは異なり、グラフェンでは炭素原子が単原子層に整列しており、超薄い紙のようなシートになっています。また、ナノチューブや量子ドットのような1次元または0次元の材料を形成することも可能であることが分かりました。
出典: Ossila
2次元材料が特別である理由は、この独自の構造が独特の物理的特性をもたらすからです。
例えば、グラフェンは非常に高い導電性を持ち、電子は光速の1/300の速度で流れることができます。また、熱伝導性も非常に高く、光学的に透明でありながら、入射可視光のわずか2％しか吸収しないにもかかわらず、あらゆる材料の中で最も高い引張強度を有しています。
グラフェン以上に多くの可能性
グラフェンの独自の特性はすぐに、電気的、化学的、物理的特性を明らかにしようとする何千人もの研究者の注目の的となりました。
しかし、炭素以外の元素でも2次元材料を作れるのかという疑問が生まれました。その答えは「はい」で、理論的予測では数百もの潜在的な2次元材料が期待されています。グラフェン以外で最も重要かつ研究が進んでいる2次元材料として、以下のいくつかを挙げることができます：
- ボロフェン、ホウ素原子からなる、2015年に初めて発見されました。
- ゴールデン、金原子からなる、2024年に初めて製造されました。
- シリセンはシリコン原子から構成されています。
- ホスホレン, リン原子から構成されています。
また、2次元材料は必ずしも単一の純粋な元素で構成される必要はなく、例えばモリブデンジスルフィド（MoS2）や窒化シリコン（Si3N4）の単層も存在します。
他の原子を単層に付加することもでき、例えばグラフェンの炭素原子に水素を付加して graphane を形成することで「凹凸」のある表面が作られます。
出典: By Edgar181 (talk) – Own work, パブリックドメイン, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=12091234
このように極めて多様な材料であるため、研究者はまだ2次元材料の可能性を探り始めたばかりです。
応用 – 基本的側面
一般に、2次元材料が独特である理由は、その高度に整然とした原子構造が電子の独自の配置と原子間の強固な結合を可能にするからです。
これが、卓越した電気伝導性（電子の流れ）、熱伝導性（原子間のエネルギーレベルの伝達）、そして物理的強度（電子の交換による原子間の共有結合）を説明しています。
2次元構造はまた、既知のすべての材料の中で最も高い比表面積（相互作用が可能な表面）をもたらします。これにより、触媒の新形態や、一般的に化学・電気反応に関与する優れた候補となります。
超伝導体
2次元材料の表面では電子がほぼ自由に流れるため、超伝導性の有力な候補と見なされています。
超伝導とは、材料が抵抗なしに電気を伝導できる現象です。
つまり、エネルギー損失がなく、長距離での電力輸送に非常に有用であるだけでなく、電流が材料を通過しても熱が発生しません。これにより、コンピューティングから電気自動車、ほぼすべての電気を使用する技術に至るまで、さまざまな用途で驚異的に有用です。
理論的には、特に常温超伝導は核融合の制御、電気での船舶推進、安価で超高速なリニアモーターカー、低コストで軌道に到達できるマスドライバーなどを可能にするでしょう。（私たちは専用の記事で常温超伝導体の問題をさらに詳しく検討しました）
適切な条件（例：温度、圧力など）下で超伝導性を示す可能性のある2次元材料は多数あります（以下を含む）：
- 元素金属の超薄膜。
- 銅酸化物。
- ペロブスカイト酸化物。
- 希土類金属のヘビーフェルミオン化合物。
- グラフェン。
- 酸化物表面上の鉄セレン化物。
- 金属表面上の有機導体。
半導体
半導体は、導電状態（電子を伝達）から絶縁状態（電子を遮断）へ選択的に切り替えることができる材料です。これは、シリコントランジスタやその他の計算要素が構築される基本原理で、0は電流が流れないこと、1は電流が流れることを表します。
半導体が状態を変える速度が速いほど、関連する計算も速くなります。
グラフェン
当初、グラフェンを研究していた研究者は、半導体においてシリコンの代替になると考えていました。しかし、残念ながら「バンドギャップ」と呼ばれる重要な電子特性が欠けています。
バンドギャップは、材料が金属（電気を導く）、絶縁体（電気を遮断）、または半導体（導電と絶縁を切り替え可能）として分類されるかを決定するものです。
出典: Energy Education
問題は、グラフェンにはバンドギャップが全く存在せず、半導体として使用できないことです。
これは2024年までのことで、研究者たちが世界初のグラフェン製半導体を作成したと発表するまでです。
私たちは現在、シリコンの10倍のキャリア移動度を持ち、シリコンでは得られない独自の特性を備えた、極めて堅牢なグラフェン半導体を手に入れました。
私たちは材料の取り扱い方、改良の方法、そして最終的に特性測定の方法を学ばなければなりませんでした。それには非常に長い時間がかかりました。
ゴールデン
もう一つの注目すべき2次元材料はゴールデンで、基本的にはグラフェンですが炭素原子の代わりに金原子が置き換わっています。
金は酸化に対する耐性や非常に高い電気伝導性など、卓越した特性により、すでにチップやコンピュータ部品で広く使用されています。
2024年に最初のゴールデン単層が製造されたことで、半導体特性がリストに加えられる可能性があります。
材料を極めて薄くすると、驚くべきことが起こります――グラフェンと同様です。同じことが金でも起こります。ご存知の通り、金は通常金属ですが、層が単原子厚になると、金は半導体になることがあります。
有機半導体
有機分子は炭素の骨格に、酸素、窒素、硫黄などの他の元素が結合して構成されています。
研究者は、有機ポリマーを2次元構成に保ち、複数層が重なるのを防げることを発見しました。
出典: POSTECH
その後、半導体製造で一般的に使用される p型ドーピング と呼ばれる工程を用いました。
これは、半導体材料に元素を添加して導電性をさらに高めることを指します。
出典: Wikipedia by VectorVoyager
得られた材料は、研究者によって「卓越した電気伝導性」を持つと評価されています。
したがって、もしグラフェンのような材料が半導体構成で大量生産が困難であったり、ゴールデンが高価であったとしても、有機半導体は近い将来に2次元半導体の採用を可能にするでしょう。
超素材
電気的特性が科学者の関心の中心である一方、2次元材料の物理的特性も同様に印象的です。
例えば、グラフェンは同等の質量であれば鋼の200倍の強度を持ちます。グラフェンは、装甲コンクリートで鋼が使用されるようにコンクリートに組み込むことができ、コンクリートを2.5倍強くし、透水性を4倍低減します。さらに、グラフェンは鋼のように錆びないため、鉄の酸化による「コンクリート腐食」に対しても耐性があり、コンクリート構造物の寿命を大幅に延ばすことができます。
グラフェンや他の2次元材料の極めて高い耐性と軽量さは、より優れた防弾装備の作成にも利用できます。
研究者は最近、2次元ハイブリッド有機-無機ペロブスカイトを作成することで、絶縁性と剛性を兼ね備えた材料を製造できることを発見しました（稀な組み合わせです）。
グラフェンや六方晶ホウ素窒化物のような2次元材料は、電子デバイスや光電子デバイスにおける熱放散にも利用できます。
最後に、先進的な超耐久2次元材料は、例えば宇宙エレベーターのような未来的インフラの実現に利用できるでしょう。ただし、これらは材料をグラムやキログラム単位ではなく、数百万トン規模で経済的に生産できるようになって初めて実現可能です。
バイオテック
非常に高い表面積、極薄層、そして独自の化学特性により、2次元材料は医療・バイオテック産業における多数のニッチな応用に適した候補となります。
これには、薬物送達、イメージング、組織工学、バイオセンサー、ガスセンサーが含まれます。
2次元材料が生物学的応用で台頭するもう一つの要因は、最近の研究でキラリティと呼ばれる特性を付与できることが判明した点です。
キラリティは、分子が左右対称性を持つことを意味する化学用語です。キラリティは有機分子の重要な特徴であり、例えばタンパク質の構成要素であるアミノ酸が該当します。
出典: UC Santa Barbara
分子において、キラリティは生物学的または化学的単位が左右対称の二つの形態で存在し、完全に一致しないことを意味します。左手袋と右手袋のように、鏡像は正確に一致しますが、左手袋は右手には合わず、左手にはぴったり合います。
Dipanjan Pan 教授
最近、研究者はボロフェンの板状構造体を合成しました。これは、ボロフェンの断片が血流に入る様子に似ています。。彼らは、ボロフェンの異なるキラリティバージョンが細胞膜と異なる相互作用を示し、細胞への侵入方法も異なることを発見しました。
これにより、細胞相互作用を正確に追跡できるコントラストを備えた高解像度医療イメージングや、材料と細胞の相互作用を的確に捉える薬物送達など、カスタムボロフェン構造の設計が可能になります。
ボロフェン構造が生体細胞とどのように相互作用するかをより深く理解することで、その安全性プロファイルの明確化にも役立ちます。
ボロフェンの健康プロファイルはまだ評価中ですが、グラフェンは人間の健康に急性リスクを伴わずに安全に吸入できるようです。これらの結果はまだ初期段階ですが、2次元材料の急速な普及が公衆衛生上の問題を引き起こさないことを示唆しています。
そして、バイオ適合性が高ければ高いほど、生体センサーの開発や血流中のナノロボットへの電力供給に利用される可能性が高まります。
制限事項
大規模製造
最も確立された最初に発見された2次元材料であるグラフェンでさえ、依然として研究所やスタートアップの領域にとどまっています。
これは、スケールでの生産が依然として難しい課題であるためです。少量の製造は比較的容易ですが、半自動化された方法で大量に生産することは容易ではありません。
黒鉛の一片にスコッチテープを貼るだけでグラフェンが発見されましたが、量産には化学蒸着（CVD）などのはるかに複雑な手法が必要です。
例えば、酸素フリーCVDで高純度グラフェンを生成するプロセスの公開など、徐々に現実味を帯びてきています。
接着
2次元材料の別の課題は、極薄で化学的に独特であるため、他の材料に接着するのが難しいことです。
グラフェン層をコンピュータチップ、電源、医療機器などに貼り付けるには、専門的な技術が必要になることが多いです。
これは、効率は低いものの実装が容易な代替手段に比べ、はるかに時間と資源を要します。
コスト
現在、ほとんどの製造方法や既存デバイスへの応用が小規模または受注生産であるため、2次元材料は依然として高価です。
実際の価格は純度に大きく左右され、例えば グラフェンは20〜2,000ドル/kgの範囲です。
つまり、最安値でもグラフェンは鋼の20倍の価格です。さらに、鋼の代替として受容できる性能を得るには、最低限の純度以上が必要と考えられます。
2次元材料企業
2次元材料の分野は非常に速く進化しており、ゴールデンのような新しい選択肢が定期的に発見され、グラフェンを半導体化するなど「古い」材料の最適化に関する新たな洞察が得られています。
これらの製品は、産業的手法で大規模に生産されるようになって初めて、主要な経済セクターになる可能性があります。
現在までで最も高度かつ文献が豊富な方法はCVDであり、CVD専門家は2次元材料製造の価値を多く獲得する大きな優位性を持っています。
1. Veeco
VECO 価格チャート
Veecoは1945年の創業以来、半導体製造業界への主要な装置供給者であり、その機械は先進的なEUVチップ製造、5Gアンテナ、ハードドライブ、LIDAR、LED、EV向けパワーエレクトロニクスなどに使用されています。
出典: Veeco
同社の主な技術的焦点は、ボロフェン製造に使用されるCVDプロセス、より正確にはMOCVD（金属有機化学蒸着）です。
出典: Veeco
半導体業界のこのニッチセグメントのリーダーとして、VeecoはCVD応用の拡大に賭ける有力な候補となり得ます。
このような成長は、グラフェン、タングステン、ボロフェンの利用拡大に起因し、原子レベルで物質を操作する技術が進歩するにつれて促進されるでしょう。
また、デジタル化、AI、電化という大規模なトレンドからも恩恵を受ける可能性が高く、2次元材料をすぐに大量に使用するかどうかに関わらず利益を得られるでしょう。
2. Graphene Manufacturing Group (GMG)
GMGは、熱コーティングや潤滑剤など、すでに実証されたグラフェンベースの製品に注力しているグラフェン製造企業です。
このため、グラフェン市場への直接的なエクスポージャーを求める投資家や、グラフェンを大量生産し、現在の製造方法を改善している企業を探す投資家にとって、GMGは有力な選択肢となります。
出典: GMG
さらに、グラフェン半導体の創出（「Graphene Semiconductors – Are They Finally Here?」参照）や、常温超伝導体の実現などの応用が考えられます。グラフェンコーティングはバッテリーや水素圧力容器技術にも利用可能です。
出典: GMG
GMGはメタンと水素からグラフェンを製造しており、天然の黒鉛鉱床から製造する多くの競合他社とは異なります。これにより、より高い純度、スケーラビリティ、低コスト生産が可能になります。
同社は2023年にオーストラリアで最初の生産施設を立ち上げ、年間最大100万リットルの熱交換器コーティングを生産しています。
同社の次なるステップは、グラフェンアルミニウムイオンをベースとしたバッテリー技術で、エネルギー密度は290 Wh/kg、リチウムイオンバッテリーの60倍の高速充電、3倍のバッテリー寿命、そして火災リスクが低い特性を持ちます。
出典: GMG
このバッテリー市場への参入はGMGにとって大きな賭けとなりますが、同時にEVやその他の電力関連用途で開かれる可能性のあるグラフェンの将来市場に対する独自の視点を提供します。
