材料科学
グラフェンからゴールデンへ：先進的な単原子層材料が未来の発見への新たな扉を開く
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金の価値について疑う者はいません。結局のところ、金は最も人気があり、長い歴史を持つ価値の保存手段です。しかし、人類が成し遂げた科学的進歩により、私たちは今やゴールデンの門前に立っています。そして、少なくともそれはゲームチェンジャーになる可能性があります。では、ゴールデンとは何でしょうか？なぜ科学界はそれにこれほど興奮しているのでしょうか？さらに掘り下げてみましょう。
ゴールデン: 単一原子層の厚さだけの金のシート
スウェーデンのリンシェーピング大学の研究者たちは、初めて単一原子層の厚さと同等の金のシートを作製しました。研究者はこの派生物に「ゴールデン」と名付けました。ゴールデンは、二酸化炭素の変換、水素生成、付加価値化学品の製造など、さまざまな高度なタスクに役立つ可能性があります。
スウェーデン・リンシェーピング大学の材料設計部門の研究者、鹿谷俊（Shun Kashiwaya）によれば：
「材料を極めて薄くすると、グラフェンのように驚くべきことが起こります。金でも同じことが起こります。ご存知の通り、金は通常金属ですが、単一原子層の厚さになると、金は半導体になることがあります。」
『ゴールデン』はどのように作られたのか？
この発明は、チタンと炭素の層の間に金を埋め込んで作られた三次元ベース材料の開発から始まりました。高温下で、チタンシリコンカーバイドの薄層シリコンが金に置き換えられ、チタン金カーバイドが発見されました。しかし、これは偶然の発見でした。研究者は、電気伝導性のあるチタンシリコンカーバイドを金でコーティングし、接触できるようにすることを目指していました。
研究者は、百年以上にわたり日本の鍛造技術の一部として存在する伝統的な方法を利用しました。この成分は村上試薬と呼ばれます。研究者は異なる濃度と時間で使用し、最終的にその成分に到達しました。
単一原子層という望ましい厚さで金のシートを最終的に製造できたものの、安定させることが重要でした。研究者は、シートが巻き上がらないようにするため、界面活性剤として長鎖分子の界面活性剤（テンサイド）を使用してシートを分離・安定化させました。
最終生成物とその科学的検証を説明する際、研究者の一人である鹿谷俊は次のように述べました：
「金のシートは溶液中にあり、まるでミルクに入れたコーンフレークのようです。ある種の“ふるい”を使って金を回収し、電子顕微鏡で観察して成功したことを確認できます。実際に成功しました。」
ゴールデンの多様な潜在的応用
ゴールデンの潜在的な応用は、二酸化炭素の変換、水素生成触媒、付加価値化学品の選択的生産、水素製造、水の浄化、通信など、幅広い分野に及びます。
今後のフォローアップでは、研究者はこれらの応用に使用される金の量を削減し、他の貴金属で代替する可能性を探ります。これらの新しい化合物はさらに多くの新しい応用を持つ可能性があります。
ゴールデンが科学的・技術的応用で多くの新たな扉を開くことが期待される一方で、単層原子材料への科学界の関心は新しいものではありません。
単層原子材料の興味深い事例: グラフェンとその他
単層原子材料について語るとき、必ずグラフェンが話題に上ります。グラフェンはその可能性から人気があります。黒鉛（炭素の結晶形）から抽出されたグラフェンは軽く、弾性があり、強靭です。その薄さに加えて、強度は鋼の200倍の高い抵抗性を持ちますが、アルミニウムの5倍軽いです。また、光吸収能力と高い電気・熱伝導性も備えています。
近年、研究者が初の機能性グラフェン半導体を実証したという画期的な成果により、グラフェンの議論が活発になっています。この発見は、コンピューティングとエレクトロニクスの世界に劇的な変化をもたらす可能性があります。
グラフェンが最も人気があり、広く応用できる単層原子材料である可能性がありますが、このカテゴリには他にもいくつかの例があります。
単層原子材料は 2D 非層状材料とも呼ばれます。これは、形成が三次元（3D）の化学結合によって行われ、表面に不飽和のデングリング結合が生じ、高活性・高エネルギー表面をもたらすためです。
グラフェン以外の例として、黒リン（フォスフォレン）があります。他の非層状材料の例として、シリコンやGermaneneがあります。
これらの材料は層依存の特性、層端効果、可変バンド構造を持ち、エッジで独自の特性を示すことが多いです。ひずみや電場を加えることで特性を調整でき、チューニング可能な性質を備えています。
金属カルコゲナイド、金属酸化物、III-V 半導体、そして有機無機ハイブリッドペロブスカイトは、最も一般的な単層原子または二次元非層状材料の例です。
実際の例のいくつかを簡単に見てみましょう。金属カルコゲナイドの例としては、モリブデンジスルフィド（MoS2）、タングステンジスルフィド（WS2）、タングステンジセレニド（WSe2）があり、金属酸化物の代表例としてはインジウム酸化物（In2O3）、スズ酸化物（SnO2）、酸化亜鉛（ZnO）があります。
III-V 半導体は、アルミニウム、ガリウム、インジウムなどの第III族元素と、リン、ヒ素、アンチモンなどの第V族元素が結合したものです。ガリウム砒素やインジウムリンは III-V 半導体の例です。
有機無機ハイブリッドペロブスカイトの例としては、メチルアンモニウム鉛ヨウ化物（MAPbI3）とホルムアミジウム鉛ヨウ化物（FAPbI3）があります。
これらの材料はさまざまな応用が期待されており、企業がそれらを活用したソリューションを構築しています。次のセクションでそれらを見ていきます。
#1. Haydale Graphene Industries
グラフェンの不活性な性質が採用を難しくしていました。Haydale Graphene Industries はこの問題を解決するため、プラズマ機能化の課題をシームレスに克服できる粉体イン・粉体アウトプロセスを開発しました。
このプロセスは Haydale HDPlas と呼ばれ、乾燥・クリーン・環境に優しい手法で、必要な機械的強度と向上した電気・熱伝導性を付与することで、グラフェンや他のナノ材料の性能を高めることができます。
Haydale は、医療機器、フレキシブルエレクトロニクス、加熱素子、ウェアラブル技術向けのカスタマイズ可能なグラフェンインクなど、さまざまなグラフェンベースのソリューションを開発しています。また、白色グラフェンとして知られる機能化ホウ素ナイトライドも提供しています。この合成セラミックは無毒で、固体および粉体の形で入手可能です。その特性には絶縁性、強度、軽量、電気伝導性が含まれます。
Haydale の機能化グラフェンおよびナノ材料添加剤のポートフォリオは、エラストマー製品の製造にも有効です。これらは自転車や道路用のゴムタイヤ、靴底、シールやガスケットに使用できます。Haydale のシリコンカーバイドグラフェン製品は、コンクリート製品を保護するためのセラミック‑ポリマー表面処理に利用されています。
グラフェンを用いて、Haydale は有用な複合材料、熱可塑性樹脂、そして太陽光切断ツールも開発しています。
最近、Haydale（AIM: HAYD）は2023年12月31日終了年度（「FY23」）の中間決算を発表しました。報告書によると、グループ収益は38％増の247万ポンド（FY23上半期は178万ポンド）となりました。
#2. Siemens
グラフェンフィルムの高度な活用例のもう一つは、Siemens がサイクロトロンを構築する際に見られます。研究者グループは、11 MeV の Siemens Eclipse サイクロトロンで抽出（ストリッパー）フィルムとしてグラフェンフィルムを使用しました。
これらのフィルムは炭素に比べて非常に高い熱伝導性と優れた機械的強度を示しました。寿命は 16,000 PA*H を超えました。グラフェンフィルムの使用により、透過係数（ストリッパーフィルム上のビーム電流とターゲット上の電流の比率）が 90％以上に大幅に向上しました。
この実験は、単原子層のグラフェンフィルムが、通常ストリッパーフィルムとして使用される他の炭素フィルムと効率的に競合できることを示しました。
Siemens は、世界中でハイエンドで高度な技術集約型製品の製造で知られています。このような企業が単層原子材料をフィルム形態で使用することは、カテゴリの可能性を示しています。
2023 会計年度において、Siemens は 196.6 億ユーロの収益を上げ、2022 年の 173.9 億ユーロから大幅に増加しました。
単層原子材料に関するさらなる探求
最近の研究は示したように、Goldene や Graphene といった材料に加えて、単層黒リン（Phosphorene）もセンシング応用で独自の利点を提供します。科学者や研究者は、Phosphorene の「波打つ」格子構造が、グラフェンや遷移金属ジカルコゲナイド（TMDC）よりも大きな表面積対体積比をもたらすことが、これらの独自の利点の原因であると指摘しています。Phosphorene は応用範囲が広く、ガスセンシング、湿度センシング、光検出、バイオセンシング、イオンセンシングなど、さまざまなセンシングシナリオで使用できます。
Phosphorene は電子工学および光エレクトロニクスでも大きな可能性を示しています。科学的出版物は明らかにしたように、Phosphorene の固有の異方性を持つ電子、輸送、光エレクトロニクス、熱電、機械的特性は、グラフェンや遷移金属ジカルコゲナイドとは顕著に異なります。製造の容易さと新しい特性により、Phosphorene を用いた新しいナノデバイスの設計と実証が促進されています。
別の研究は、グラフェンとフォスフォレンの組み合わせの利点を指摘しました。この組み合わせがどのように有用かを深く探るため、リチウムイオン電池の代替としてのナトリウムイオン電池の比較状況を検討します。ナトリウムイオン電池はリチウムイオン電池と同等の性能を示すものの、より実用的なアノード材料の開発が課題です。ここでグラフェン‑フォスフォレンの組み合わせが重要になります。
科学実験において、研究者はその可能性を実証しました。数層のフォスフォレン層をグラフェン層で挟んだハイブリッド材料は、電流密度 0.05 A g⁻¹ で 2,440 mA h g⁻¹（リンのみの質量で計算）の比容量を示し、0〜1.5 V の範囲で 100 サイクル後に 83％ の容量保持率を示しました。
研究者は、開発したアノードの大容量を説明するために、インシチュ透過電子顕微鏡とエクシチュ X 線回折技術を用いました。彼らは、リン酸層の x 軸に沿ったナトリウムイオンの挿入と、Na₃P 合金の形成という二重メカニズムによってそれを開発しました。
科学界の関心を成功裏に集めた別の単層原子材料は Germanene です。Germanene への関心は主にその光学特性にあります。関連する計算により、Germanene シートは太陽光スペクトルで顕著な光吸収を示し、光学異方性を持つことが示されています。
Germanene は、K 点付近でゼロバンドギャップかつ線形バンド分散を持つ半導体である点で独特です。バイアス電圧が存在するとバンドギャップが開きますが、バイアス電圧の強さが増すにつれて線形に増加します。
したがって、Goldene だけでなく、グラフェン、フォスフォレン、Germanene などの多数の単層原子材料が、将来の発見に向けた新たな科学的フロンティアを切り開こうとしています。
これらの材料の特性に焦点を合わせ続ける必要があります。そうすれば、さらなる応用を発見できるでしょう。2D 非層状材料の高い表面活性は、二酸化炭素の酸化や水の還元といった重要な反応の触媒として有用であることを忘れてはなりません。
これらの材料は、燃料電池や太陽電池の開発に寄与することで、エネルギー貯蔵・変換における価値を証明しています。光エレクトロニクスでは、その特性により高品質な発光ダイオード、レーザー、センサーが製造されます。また、トポロジカル絶縁特性により、表面では電気を導通し、内部は絶縁するインシュレーターの実現にも貢献します。
総じて、先進的な単層原子材料は多くの機会へのゲートウェイです。将来、確実に広範な採用が見られるでしょう！
