材料科学
グラフェンのクリーンアップは商業化への鍵
長年にわたり、グラフェンは多くの形容詞で称賛されてきました。ある人はそれを「驚異的な奇跡素材」と呼び、別の人は「実証済みの超素材」と呼んでいます。世界は10年以上前にグラフェンの驚異に目覚めました。
2012年、Natureは『A roadmap for graphene』という記事を掲載し、なぜグラフェンが科学界の注目の的となりつつあるのかを詳述しました。研究者たちはこの関心の理由としてグラフェンの特性を挙げ、次のように述べました：
「この炭素の単原子厚の繊維は、極めて高い機械的強度、非常に高い電気・熱伝導性、ガスに対する不透過性、そしてその他多数の卓越した特性を独自に組み合わせており、これらすべてが多くの応用に対して非常に魅力的です。」
グラフェンの可能性を認識した欧州連合は、2013年から2023年にかけて1億ユーロ（約13億米ドル）を投資することを決定しました。この投資は、特にエレクトロニクス、エネルギー、医療、建設などへの応用において、グラフェンの変革的能力を確かめることを目的としています。これらの取り組みは、2005年から2013年の間にグラフェンに関する8,000件以上の論文が執筆されたという長い研究の流れに支えられました。
それ以来、科学界におけるグラフェンへの関心は衰えていません。現在、研究者はさらに大規模にグラフェンを商業化する方法を模索しています。ある研究では、コロンビア大学のエンジニアチームが、モントリオール大学と米国標準技術研究所（NIST）の同僚と共にthe possibilities of cleaning up Grapheneを調査し、大規模な商業生産に向けてグラフェンをクリーンにする可能性を探りました。
化学蒸着（CVD）によるグラフェン合成が直面する課題への対処
CVDは、もう一つの「スコッチテープ」法とともに、グラフェン合成の伝統的手法の一つです。この方法は、CVD成長とも呼ばれ、メタンなどの炭素含有ガスを約1000 °Cの銅表面上に流すことで目的を達成します。
このプロセスはメタンを分解し、炭素原子が再配置・再結合して単層のハニカム構造を持つグラフェン層を形成します。この方法の『スコッチテープ』法に対する利点は、CVD成長がセンチメートル、あるいはメートル単位のはるかに大きなグラフェンサンプルを作製できる点です。一方、スコッチテープ法から得られる出力は、数十マイクロメートルサイズの非常に小さなグラフェンにとどまります。
グラフェンのCVD成長による産物は、スコッチテープ法の産物よりもはるかに汎用性が高いです。しかし、CVDで合成されたサンプルは再現性の問題や品質のばらつきに悩まされています。
これらの課題に取り組むため、研究者は酸素フリー化学蒸着（OF-CVD）法を考案し、スケールで高品質なグラフェンサンプルを作製できるようにしました。
このイノベーションとその先駆的な品質について語る際、コロンビア工学部機械工学のWang Fong-Jen教授であり本研究のシニアオーサーであるJames Honeは次のように述べました：
「成長プロセスから実質的にすべての酸素を除去することが、再現性の高い高品質なCVDグラフェン合成を実現する鍵であることを示しました。これはグラフェンの大規模生産への重要なマイルストーンです。」
この研究は科学技術分野での成果だけでなく、学術的な協働のあり方も示しました。6年前、モントリオールの共同著者であるリチャード・マルテルとピエール・レヴェスクは、微量の酸素が成長プロセスを遅らせ、グラフェンをエッチングすることを示しました。その当時、マルテルとレヴェスクの発見に基づき、Christopher DiMarco（GSAS 19）は酸素量を自動化プロセス中に制御できるCVD成長システムを設計・構築しました。
現在の研究は、マルテル、レヴェスク、Di Marcoの研究の継続であり、現在の博士課程学生であるXingzhou YanとJacob Amontreeは、酸素の痕跡が除去されたときにCVD成長がはるかに速くなることを発見しました。酸素フリーCVD成長サンプルの品質は、剥離されたグラフェンとほぼ同等で、非常にクリーンで不純物がなく、グラフェンの望ましい特性を阻害することがありません。
クリーンで純粋なグラフェンを製造するだけでなく、研究者はガス圧や温度などさまざまなパラメータ範囲でCVD成長速度を予測できることも判明しました。
今後、研究者は金属成長触媒からシリコンなどの機能性基板へ高品質グラフェンをクリーンに転写する方法を開発し、グラフェンの可能性をさらに大幅に拡げることを計画しています。
『クリーン』グラフェン：商業化への鍵
グラフェンはその初期から多くの特性で注目を集めてきました。その炭素は六角形のハニカム構造で完璧に配列され、厚さは0.3ナノメートル、原子間距離は0.1ナノメートルです。この構造的なシンプルさと純度が、グラフェンに数多くの特性をもたらします。
例えば、鋼の200倍の強度を持ちつつ、重量は6倍軽いです。透明性はほぼ完璧で、光の約98％を透過させ、2％だけ吸収します。グラフェンはガスに対しても不透過であり、表面に化学成分を添加することで特性を変えることができます。ONERA（国立航空宇宙研究所）のAnnick Loiseauは次のスローガンを掲げました。「The future lies in pencil graphite!」
要するに、グラフェンは商業化の準備が整っていました。大きな飛躍に向けて準備ができていたのです。しかし、サイズを維持しながらグラフェンをクリーンにすることが課題として残っていました。本研究は、センチメートル、さらにはメートルサイズのクリーンなグラフェンを作製し、フルスケールの商業化に備える方法を示しています。
グラフェンの利点が広く知られ、活用される中で、科学界は他の単層元素構造の可能性にも関心を持ち始めました。注目を集めた元素はホウ素で、その単層はボロフェンと呼ばれます。
グラフェンとボロフェンの比較
GrapheneとBoropheneはそれぞれの元素の単層シートで構成されています。高い構造強度を持ち、非常に柔軟で、簡単には分解しません。
いくつかの違いもあります。例えば、グラフェンは平面シートで六角格子構造を持ちます。ボロフェンシートはわずかな曲率を持ち、三つのサブ同素体があり、三角形と六角形の配列が異なります。
すでにグラフェンが持つ特性については述べました。ボロフェンの特性は、光学的透明性と高い電気伝導性を持つ『a』方向での特性や、さまざまな新しい異方性により、光起電力、フレキシブルエレクトロニクス、ディスプレイ技術において重要な要素となります。
全体として、グラフェンとボロフェンの開発は、興味深い応用特性を持つさまざまな技術革新を試すことを可能にしました。
本日の議論はグラフェンに焦点を当てていますが、グラフェンの応用で革新的な企業を見ていきます。しかし、個々の企業とその成果を検討する前に、グラフェン・フラッグシップという、グラフェンでさまざまなソリューションを開拓する先駆的コンソーシアムについて検証しなければなりません。
グラフェン・フラッグシップ
欧州連合の資金提供を受けたGraphene Flagshipは、12の研究・イノベーションプロジェクトと1つの調整・支援プロジェクトにおいて、118の学術・産業パートナーを結集し、「グラフェンやその他の2D材料に依存する技術におけるヨーロッパの戦略的自立を推進する」ことを目指しています。
過去10年間で、グラフェン・フラッグシップは多くのマイルストーンを達成しました。その中でも、最も重要と思われるのは、グラフェンの先駆的な2D材料半導体統合プロジェクトの成功です。
このプロジェクトは2020年10月に開始され、グラフェンおよび関連材料（GRM）を研究室からスケーラブルな商業生産・利用へと移行させることを目指しました。20百万ユーロの予算を4年間にわたって配分し、2D実験パイロットライン（2D‑EPL）プロジェクトは、プロトタイピング、ウェーハ製造、プロセス実装に焦点を当てました。
結果は、言うまでもなく有望でした。プロジェクトの成果により、学術界、研究者、民間企業は、2D材料デバイスの新しいアイデアをテスト・プロトタイプ化する前例のない機会を得ました。これにより、低コストで大規模なプロトタイプ開発を可能にするマルチプロジェクトウェーハ（MPW）実行が実現しました。
プロセス実装の分野では、グラフェン・フラッグシップは、Aixtron製の金属有機化学蒸着（MOCVD）リアクターと、SUSS MicroTec製の自動2D層転写ツールという、2つのカスタム新装置を構築することで科学界を支援しました。これらのツールにより、2D材料の成長および層転写プロセスの徹底的なテストと調整が可能となり、将来の高生産能力達成に不可欠です。
グラフェン・フラッグシップとその2D‑EPLプロジェクトの成果を説明する際、ディレクターのPatrik Johanssonは次のように語りました：
「パイロットラインは、私たちが集めたハードデータや科学技術の進歩だけでなく、むしろ—そしておそらくそれ以上に重要なのは—将来のヨーロッパにおける2D材料イノベーションのためのアイデア交差の遊び場を創出した個人的な交流です。世界のグラフェン市場は、2022年の年間収益380百万米ドルからわずか5年で1.5十億米ドルへと指数関数的に成長すると予測されており、2D‑EPLのようなプロジェクトはヨーロッパが開発とイノベーションの最前線に留まるために不可欠です。」
コンソーシアム以外にも、個々の企業や事業がこの分野で卓越した取り組みを行っています。以下のセクションでは、いくつかの企業を簡潔に紹介します。
#1. NanoXplore
2011年に設立され、カナダ・ケベック州モントリオールに本社を置くNanoXploreは、モジュラー構造で設計された年産4,000メトリックトンのグラフェン粉末生産施設を有しています。同社は、熱可塑性樹脂や熱硬化性樹脂内の工業材料の性能向上を目的とした添加剤として、グラフェンベースのソリューションの開発・製造を専門としています。
NanoXploreの施設は、ポリオレフィンやエンジニアドポリマーでグラフェン強化マスターバッチを作製するための最高水準の押出し能力を備えています。同社の特許取得済みのクリーン技術により、顧客はGrapheneBlack™粉末やグラフェン強化マスターバッチペレットなど、さまざまなグラフェンベースのソリューションを活用できます。NanoXploreのコンポジット事業部は、輸送、包装、エレクトロニクス、その他の産業セクターの顧客向けに、標準およびカスタムのプラスチック・コンポジット製品を提供しています。
NanoXploreのGraphene Blackは、混合性と製造性のバランスが最適な多用途グラフェン粉末です。これにより、グラフェンは商業的な実現性が高まり、プラスチックやポリマーの特性を大幅に向上させます。
NanoXploreは、シリコン対応リチウムイオン陽極にGrapheneBlackを組み込むことで、エネルギー容量と充電速度を向上させ、電気自動車、エネルギー貯蔵システム、電動トラックやバスに有用なグラフェン強化バッテリーの開発も試みています。
最新の財務報告によると、NanoXploreは2024年3月31日終了の3か月期および9か月期でそれぞれ3,387万ドル、約9,200万カナダドルの収益を上げました。
クリーンなグラフェン粉末製造で成功を収めている別の企業は、GMG（Graphene Manufacturing Group Limited）です。
#2. Graphene Manufacturing Group Limited
同社は、入手しやすく低コストな原料からグラフェン粉末を製造する独自の生産プロセスを持つクリーンテクノロジー企業です。このプロセスは「高品質、低コスト、スケーラブル、調整可能、汚染物質フリーのグラフェン」を生成し、エネルギー節約とエネルギー貯蔵の分野でのソリューション開発に貢献します。
具体的には、GMGの製品ラインには、グラフェン強化暖房・換気・空調・冷却（HVAC‑R）コーティング、潤滑剤、液体が含まれます。同社は、リチウムイオンバッテリーよりもエネルギー密度が高い可能性を持つGMGグラフェンアルミニウムイオンバッテリーの商業化にも取り組んでいます。
2024年3月31日終了の3か月期および9か月期において、GMGはそれぞれ53,000オーストラリアドル、212,000オーストラリアドルの収益を上げました。
未来の驚異的素材？
グラフェンの画期的な特性と機能は、将来さらに多くのことを実現させます。エレクトロニクス、フォトニクス、エネルギー、バイオ医療、コンポジット、そして次世代の2D材料設計に活用されるでしょう。
これらの2D材料は、卓越した物理的・化学的特性を提供し、オプトエレクトロニクス、エネルギー、センシング、コンポジットなどの画期的な応用を可能にします。急速に成長する鍵は、グラフェンを最も持続可能で低コストな方法で活用する手法の開発にあります。
