グラフェンのアコーディオン効果がウェアラブル技術の未来を加速

グラフェンが発見されたのはわずか約20年前のことです。この短期間で、この「奇跡の材料」は電子工学や半導体技術、エネルギー貯蔵、熱管理、材料科学、その他の産業に不可欠なものとなっています。

2004年にマンチェスター大学のコスティア・ノヴォセロフ教授とアンドレ・ゲイム教授がグラフェンを単離・特性評価して以来、2010年にノーベル物理学賞を受賞したこの材料は、電子工学における最もエキサイティングな研究分野の一つであり続けています。

グラフェンは、炭素原子が単層だけで構成された極めて薄いシートからなる二次元（2D）材料です。顕著な特性を示し、軽量で非常に高い電気伝導性と強靭な機械的強度を備えています。

現在、研究者は独自の手法を用いてグラフェンの新たな特性を発見しました。

アコーディオン効果：グラフェンを非常に伸縮性のあるものにする 

ウィーン大学のヤニ・コタコスキ率いる物理学者チームは、グラフェンをアコーディオンのように操作することで、初めて大幅に伸縮性を向上させました。この新たな特性は、クリーンで無気体の測定環境により明らかにされました。

グラフェンの波状構造が伸縮性をもたらし、素材が身体に合わせて曲がり動く必要があるウェアラブルへの応用への道を開きます。

Physical Review Letters誌に掲載¹、本研究はウィーン工科大学との共同で実施され、オーストリア科学基金（FWF）から資金提供を受けました。

研究チームは実験を行い、グラフェンの極端な剛性が蜂の巣構造に配置された原子によるものであることを実証しました。そのため、いくつかの原子と結合を除去すると剛性が低下します。

科学的研究では矛盾した報告があり、わずかな減少と大幅な増加の両方が示されています。

最新の研究は、同じクリーンで無気体の環境を共有する高度な装置を使用したことで、これを非常に明確に示しました。カトコシによれば：

「ウィーン大学で開発したこの独自システムにより、2D材料を干渉なしで検査できるようになりました。」 

クリーンで無気体の環境により、試料は大気にさらされることなく各装置間で輸送できます。

「今回初めて、グラフェンを大気や含有する異物粒子から完全に分離した状態でこの種の実験が実施されました。この分離がなければ、粒子が表面にすぐに付着し、実験手順や測定に影響を与えていたでしょう。」

– 本研究の第一著者、ワエル・ジューディ

材料表面の清浄さに焦点を当てたことで、グラフェンの剛性と関連したアコーディオン効果の発見につながりました。

隣接する2つの原子を除去するだけで、もともと平坦だった材料に顕著な膨らみが生じます。これらの膨らみが複数集まると、材料全体が波状になる（コルゲーション）ことになります。

「アコーディオンのようにイメージできます。引き伸ばすと、波状の材料が平らになり、平坦な材料を伸ばすよりはるかに少ない力で済むため、伸縮性が向上します。」 

– ジューディ

波の形成とそれに続く伸縮性は、ウィーン工科大学の理論物理学者フロリアン・リビッシュとリカ・サスキア・ウィンディッシュによるシミュレーションで確認されました。

研究では、物質の弾性変形に対する抵抗が286 N/mから158 N/mへと低下したことが報告されました。この減少は、ほとんどの研究が予測するものや、提示された一部の測定結果と比較して「著しく大きい」もので、これは少なくとも2つの原子が欠損した空孔における局所ひずみによって生じた波状構造（コルゲーション）によるものです。

チームが実施した実験は、欠陥エンジニアリングの前に表面汚染が除去されない場合、逆の効果が測定できることも示しました。

したがって、材料表面の異物粒子は実際にこの効果を抑制し、逆の結果をもたらします。特に、これらの粒子の影響によりグラフェンはさらに硬く見え、以前の実験で報告された矛盾が解消されます。ジューディによれば：

「これは2D材料を扱う際の測定環境の重要性を示しています。結果はグラフェンの剛性を調整する方法を提供し、潜在的な応用への道を開くものです。」 

最先端の発見でグラフェンの限界を押し広げる

ウェアラブル技術は急成長産業で、今十年が終わる前に1500億ドルを超えると予測されています。

スマートウォッチ、リング、眼鏡、リストバンド、スマートタトゥー、ジュエリー、テキスタイル、包帯、フェイスマスク、リアルタイム血糖調整装置などのウェアラブルデバイスの主要構成要素はセンサーであり、バイオメトリクスの検出、データ収集、そして身体の要求に合わせた適応を可能にします。

柔軟で感知可能な電気デバイスの急速な開発により、グラフェンベースのウェアラブルセンサーが登場し、医療施設へのアクセスを向上させ、センシング活動の品質を高める大きな可能性を持っています。

従来の半導体は硬く光電特性が限られ、金属は高価で有毒であり、機械的ストレス下で性能が劣化するのに対し、グラフェンの固有特性は低コストで多機能なウェアラブルの構築に非常に適しています。

最新の研究は、伸縮性の劇的な向上によりこの材料がデバイスで驚異的な能力を発揮できることを示しました。しかしこれは初めてではありません。これまでにも多くの研究がさまざまな理由でグラフェンのウェアラブルへの役割を調査し、多くの新発見をもたらしています。

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グラフェンベースのウェアラブルひずみセンサー

昨年、研究者は開発²し、グラフェンを用いたウェアラブルひずみセンサーを作成しました。このセンサーは無音の発話を検出し、放送することができます。

ケンブリッジ大学の研究者が構築した『スマート』チョーカーは喉の微小な動きを捉え、ひずみセンサーが電気信号として検出し、ソフトウェアモデルに入力して処理・音声認識を行います。無音で口だけで発した言葉さえも検出し、放送できます。

このウェアラブルは独特の構造を持ち、グラフェンコーティングされたテキスタイル上に秩序だった細かな亀裂が配置され、感度が大幅に向上しています。上部に構造化されたグラフェン層が統合テキスタイルひずみセンサーに適用されました。

この技術の製造方法はシンプルでスケーラブル、低コスト、かつ生体適合性があります。デバイスは長時間の使用に適応でき、1万回以上の伸縮サイクルに耐え、安定かつ信頼できる電気機能を維持します。

喉の微小動作に動的に応答することで、情報量の多い音声信号を捕捉し、ニューラルネットワークで処理し、音声デコードの精度は95.25%に達します。

研究者によれば、このデバイスは無音音声インターフェース（SSI）の分野を再定義する可能性があり、発声なしでの口頭コミュニケーションを実現する最先端ソリューションを含みます。

グラフェンとシルクを組み合わせた柔軟エレクトロニクス

別の研究では、エネルギー省太平洋北西国立研究所（PNNL）の研究者が、グラフェン上に「フィブロイン」またはシルクタンパク質の断片からなる均一な2次元層を開発しました。

シルクタンパク質の使用は新しいものではありませんが、シルク繊維が乱雑に絡み合うために限界があります。そのため、グラフェンが加えられました。

シルク・オン・グラフェンは、健康・ウェアラブルセンサー向けの高感度で調整可能なトランジスタを実現する可能性があり、神経ネットワークで使用される「メムリスタ」や、人間の脳機能を模倣するコンピュータに不可欠な要素となり得ます。

シルクは電子信号を調整する手段として多く研究されてきましたが、制御は容易ではありません。そのため、PNNLチームは水性系統に個々のシルク繊維を正確に添加し、平行βシートにパッキングされた高度に組織化された2次元タンパク質層を作り出すことで反応条件を慎重に制御しました。

これは機能性エレクトロニクス部品上のシルク層形成の第一歩であり、今後はシルク統合回路の安定性と導電性の向上に焦点を当てた研究が進められます。

不整脈治療のためのグラフェン『タトゥー』インプラント

一方、テキサス大学オースティン校（UT）とノースウェスタン大学の研究者は、開発し、グラフェンを用いた初の心臓インプラントで不整脈を治療しました。

このような障害は心拍が遅すぎたり速すぎたりすることで起こり、多くの場合、脳卒中、心不全、さらには突然死につながります。不整脈の治療には、通常、心拍の不規則性を検知し、電気刺激でリズムを修正する埋め込み型ペースメーカーが使用されます。

これらのデバイスは硬くて剛性のある材料を必要とし、身体との機械的適合性が低く、心臓表面に固定するのが困難です。これにより一時的な不快感や軟部組織の損傷、自然な動きを制限し、合併症を引き起こす可能性があります。

これらとは異なり、新たに開発された生体適合性インプラントは、外観が一時的なタトゥーに似たグラフェン『タトゥー』です。髪の毛一本よりも薄く、従来のペースメーカーと同様の機能を果たします。

この新しい薄型デバイスは心臓に柔らかく密着し、不整脈を検知し治療します。心臓の繊細な輪郭に適応できる柔軟性と、鼓動する心臓の動的な動きを処理できる強度を兼ね備えています。

「生体適合性の観点から、グラフェンは特に魅力的です。炭素は生命の基礎であり、既にさまざまな臨床応用で使用されている安全な材料です。また、柔軟で柔らかく、電子機器と柔らかく機械的に活性な臓器とのインターフェースとしてうまく機能します。」

– 主著者 イゴール・エフィモフ

グラフェンタトゥーを包み、鼓動する心臓の表面に貼り付けるために、グラフェンはシリコン弾性膜でカプセル化され、電極にアクセスできるように穴が開けられました。その上に10ミクロン厚の金テープがカプセル層に配置され、グラフェンと外部測定・刺激用エレクトロニクスを接続しました。

結果として得られたデバイスの総厚さは約100マイクロメートルで、60日間の安定性を維持し、これは一時的なペースメーカーの使用期間と同等です。

デバイスのテストのため、研究者はラットにインプラントし、不整脈を検知し、連続したパルス列で電気刺激を提供でき、心臓の自然な動きを妨げないことを確認しました。

特筆すべきは、この技術が光学的に透明であるため、外部光源を用いてデバイスを通して心臓を記録・刺激できる点です。これにより、心臓関連疾患の特定と治療に新たなアプローチが提供され、オプトジェネティクスの新たな可能性が生まれます。

不完全なグラフェンでも大きな利点がある

2年未満前、ウィーン工科大学の研究者はコンピュータモデルを開発し、実際的なグラフェン構造をシミュレートしました。その結果、グラフェンの優れた電子特性は非常に安定していることが示されました。つまり、完璧でなくてもグラフェン片は技術応用に利用可能です。

したがって、グラフェンの電流伝搬は原子スケールで計算され、非常に小さな部分での電子の移動経路がいくつか存在し、同時に複数の経路を取ることができ、異なる方法で重なり合うことがあります。

特定のエネルギー値で経路が相殺し、電子がそのグラフェン片を通過する確率が極めて低くなり、電流が最小になる「破壊的干渉」と呼ばれる現象が起こります。

特定のエネルギー値での電流流の劇的な減少は「技術的に非常に望ましい効果」であり、コンピュータチップ内の電子部品が情報を処理するように、極小スケールで情報処理に利用でき、また新しい量子センサーの開発にも活用できます。

しかし、グラフェン片のサイズや形状は常に一定ではなく、不要な原子や原子の揺らぎ、複数電子間の相互作用など、計算が非常に困難な要因も考慮しなければなりません。これらを「材料としてのグラフェンを真に現実的に記述する」ために必要です。

そこで研究者は、材料におけるさまざまな効果を正確に記述する長年の経験を組み合わせ、すべての関連する誤差源と摂動効果を含む包括的なモデルを開発しました。

これにより、誤差源が存在しても望ましい効果が観測できることを示しました。

この研究は、制御された形でグラフェンにおける量子効果を利用する可能性を示す重要なものとなっています。

グラフェンを微小磁石に変える

このような中、ドイツの専門家は、磁気スイッチや記憶装置における材料の可能性を示す、グラフェンの多様な特性の別の側面を追加しました。

デュースブルク＝エッセン大学（UDE）の研究者は実験を実施し、ヘルムホルツ・ツentrum ドレスデン・ロッセンドルフ（HZDR）で、材料の微小ディスクに短いテラヘルツ（THz）パルスを照射しました。これにより、ディスクはごく短時間で非常に強力な磁石に変わります。この発見は、将来の磁気スイッチや記憶装置の開発に有用である可能性があります。

科学者たちは、既存の半導体手法を用いて、マイクロメートル（μm）サイズのグラフェンディスクを数千個、チップ上に配置し、短いテラヘルツパルスを照射しました。テラヘルツはマイクロ波と赤外線の間に位置する放射です。

光源として、HZDRのFELBE自由電子レーザーを使用し、超強度テラヘルツパルスを生成しました。

マイクロメートルサイズのグラフェンディスクが電磁石に変わるだけでなく、チームは0.5テスラ（地球の磁場の約1万倍）という磁場も生成し、持続時間は10ピコ秒（10億分の1秒の100分の1）でした。

この成功を得るために、研究者はテラヘルツパルスを特定の方法で偏光させる必要がありました。特殊な光学装置で放射の振動方向を変え、螺旋的に空間を進むようにしました。

円偏光パルスが微小ディスクに当たると、内部の自由電子が円運動を始め、ディスクは微小電磁石に変わります。

研究者によれば、このシンプルで高効率なプロセスは、材料特性の詳細な理解を深める科学実験に利用でき、磁場は単極性を保つため、特定の実験に有益です。

将来的には、これらの微小磁石は磁気記憶技術やスピントロニクスへの応用が期待されます。

グラフェンへの投資

グラフェン分野で際立っている企業の一つはCVD Equipment Corporation (CVV )です。同社は化学気相成長（CVD）システムを設計・製造しており、高品質グラフェンの製造に不可欠な技術です。産業界が特に電子や材料科学でグラフェンの実用化を模索する中、CVDのニッチなフォーカスは需要拡大に伴い戦略的優位性をもたらす可能性があります。

CVD Equipment Corporation (CVV )

米国拠点のCVD Equipmentは化学気相成長（CVD）システムを開発しており、グラフェンなどの先進材料やエネルギー、航空宇宙などの産業で使用されるコーティングの製造に利用されています。

また、グラフェンの研究開発（R&D）や、スケールで高品質グラフェンを製造するための専門的な生産装置も提供しています。

同社は2つのセグメントで事業を展開しています。第一はCVD Equipmentで、物理蒸着輸送、化学気相成長、熱プロセス装置の設計・製造を行います。第二はStainless Design Concepts（SDC）で、超高純度ガスおよび化学供給制御システムに注力しています。

CVD株の市場パフォーマンスについて、執筆時点で株価は2.84ドルで、年初来34％下落しています。時価総額は2,000万ドルで、EPS（TTM）は-0.28、P/E（TTM）は-10.43です。

同社の財務状況として、CVDは2024年度通期で2,690万ドルの収益を報告し、前年同期比11.5％増加しました。これは主に航空宇宙契約の増加、SDCセグメント、そして昨年事業を終了したMesoScribeセグメントの80万ドルの最終売上によるものです。

CVD Equipmentの粗利益率は2024年に2.6ポイント上昇し、23.6％となりました。期間中の営業損失は240万ドル、純損失は190万ドルで、基本・希薄化後1株当たり0.28ドルの損失でした。

昨年、同社は新規受注が8.9％増加し、2,810万ドルに達しました。年末の受注残は1,940万ドルでした。

「2024年も航空宇宙・防衛市場の回復が続いています」とCEOのマニー・ラキオスは述べ、シリコンカーバイド市場は「供給過剰とウェーハ価格の世界的低下により課題がある」と指摘しました。

CVD Equipment Corporationの最新情報

結論

軽量で柔軟、耐久性が高く、電気伝導性に優れることで知られるグラフェンは、エネルギー、エレクトロニクス、ヘルスケア分野で広範に研究・活用されています。

上記のように、無音音声チョーカーや心拍モニタリングタトゥーなど、数々のエキサイティングな開発がグラフェンの世界を拡大し続けています。今回のアコーディオン効果による伸縮性の向上は、マジックマテリアルのウェアラブル適合性をさらに高める新たな特性です。

優れた電気的、機械的、生体適合性を併せ持つグラフェンは、次世代スマートウェアラブルを駆動する極めて有望な素材です！

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参照研究：

1. Joudi, W., Windisch, R. S., Trentino, A., Propst, D., Madsen, J., Susi, T., Mangler, C., Mustonen, K., Libisch, F., & Kotakoski, J. (2025). 欠陥エンジニアリングされたグラフェンの波状支配的機械軟化. Physical Review Letters, 134(16), 166102. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.134.166102

2. Tang, C., Xu, M., Yi, W., Zhang, Y., Wang, J., Li, H., & Zhao, Y. (2024). 超高感度テキスタイルひずみセンサーがウェアラブル無音音声インターフェースを再定義し、高機械学習効率を実現. NPJ Flexible Electronics, 8, 27. https://doi.org/10.1038/s41528-024-00315-1