2024年9月24日

カーボンナノチューブの発見

そんな経緯もあったので、1985年にC60の発見が伝えられたとき、「あのタマネギ構造だったのか！」と残念に思ったと同時に、「C60のようにきれいな対称性を持つ分子構造がどのように作られるのか」に新たな興味が生まれました。
1987年にNECの基礎研究所に移ってからは、5年前の研究を再確認するために、もう一度そのタマネギを調べてみようと考えました。

ところが、タマネギ構造の研究を始めて間もなく飯島の目をひきつけたのは、タマネギ構造のC60ではなく、そのそばに写っていた針状の物質でした。1990年に発表されたC60の大量合成法では、2本の炭素棒電極間の放電(アーク放電)でC60が発生するのですが、飯島は陰極の炭素棒の上に堆積したススの中に、それまで見たことのない針状の物質を見つけたのです。その針状の物質こそが、後に飯島が”カーボンナノチューブ”と命名した物質でした。

当時、この発見は”偶然の産物”と言われたりもしましたが、偶然というよりむしろ必然であると思います。針状の物質を見てピンと来たのは、飯島の博士論文のテーマの一部が「銀の針状結晶」であったこと、また、当時同じ研究室の助教授が電子顕微鏡で研究していたアスベストが、チューブ型結晶構造であることを知っていたことが発想につながったのだと思います。すなわち、あの発見は単なる偶然ではなく、「セレンディピティ(serendipity)」の力だったのです。

「セレンディピティ(serendipity)」とは、「うまくものを見つけ出す能力」、「掘り出し上手」といった意味をもちます。飯島が長年培ってきた電子顕微鏡の技術や、炭素物質を見続けてきた経験、米国では鉱物学についても関わっていたこと、そして何より、「まだ構造が明らかになっていない未知の材料について追究したい」という強い思いから、この能力が自然に身についたのだと思っています。
カーボンナノチューブは、一連の真理追究の過程で見つけたひとつなのです。

カーボンナノチューブの応用例

ユニークな電気的性質と、ナノメートルスケールというレベルの微細構造をもつこと、軽量で、機械的強度も極めて高いこと(鉄より高い引っ張り強度をもつ)、酸素がなければ2000℃という超高温にも耐えうること、電圧をかけると効率よく電子を放出することなど優れた性質があるので、カーボンナノチューブは将来の超微細デバイスを構成する材料としての期待が寄せられています。今日では、私たちが取り組んでいるトランジスタや燃料電池に加えて、大型テレビ画面、超高感度分子センサー、高分解能STMプローブ、スーパーキャパシタ、透明導電膜、薬物搬送、触媒、複合材料として、実用を目指し、世界中で研究が盛んに行われています。

飯島のグループでは、1999年、JSTと共同で、固体化学反応を利用して異物質材料にカーボンナノチューブを接合することに成功し、カーボンナノチューブをナノメートルレベルの電子デバイスに応用する道を拓いています。 2001年には、JSTと財団法人産業創造研究所とともに、カーボンナノチューブを電極に用いた携帯機器用の小型燃料電池の開発に世界で初めて成功しました。また、2002年には、集積回路にも適用できる高性能カーボンナノチューブ・トランジスタの開発にも成功し、2003年9月には、シリコンMOSトランジスタの10倍以上の相互コンダクタンス(高速動作の可能性を示す指標)のカーボンナノチューブ・トランジスタを試作しました。

2004年9月には、カーボンナノチューブの位置と直径をナノメートルレベルで制御して成長させる技術を開発しました。これまで位置と直径をともに制御することが困難でしたが、今回の技術を用いると、意図した場所に、デバイス特性の揃ったトランジスタを形成できるようになります。2008年2月には、塗布プロセスを用いたカーボンナノチューブトランジスタを作製。2009年には、カーボンナノチューブトランジスタの全ての構成要素を印刷により形成する技術を開発したことを発表しました。そして、2013年には、印刷CNTトランジスタで世界最高の動作速度を実証したことを発表しました。

今後引き続き、カーボンナノチューブの高品質化、インク技術、印刷回路製造プロセス技術を高度化させることで、2015年頃にカーボンナノチューブ・トランジスタを実用化したいと考えています。

なお、2005年には、JST、財団法人癌研究会癌研究所との共同研究により、バイオテクノロジー分野において、カーボンナノホーンの薬物搬送担体への応用の可能性を実証し、現在、独立行政法人産業技術総合研究所にて実用化に向けた研究が進められています。

カーボンナノチューブ発見から応用への歩み