危険です！ご注意！カーボンの粉を肺に吸い込むと肺がんの原因になります。
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炭素入門編
1.炭素と黒鉛の違い～カーボンとグラファイトの違い
グラファイトとは漢字で黒鉛と書きますが、和名で正確には石墨といいます。
名前に「鉛」が含まれているのは、グラファイトの元素を分析する前は鉛が含まれていると考えられていたためです。元々はラテン語で（plumbago）と呼ばれており、英語では（black lead）と言われておりました。それを直訳して「黒鉛」とつきました。グラファイトという名前は元素が「C」（カーボン）だと判明した後に付けられた名前です。
では、炭素と黒鉛の違いを簡単に説明いたします。
炭素（＝Carbon・カーボン）とは
原子番号６、元素記号「C」で表されます。石炭・石油・アスファルトのような炭素原子「C」と他の物質が結合した化合物として存在していたり、グラファイトやダイヤモンドのような、純粋な「C」原子の固まりとしてある物質の素と考えます。
原子「C」を構造の骨格の持つ化合物の総称を有機化合物（有機物）といいます。カーボンとは有機物（有機化合物）の礎となっている物質（元素）と考えてください。
しかし、立派な有機物でありながら、純粋な炭素原子の集合体である「グラファイト」や「ダイヤモンド」などの同素体、一酸化・二酸化炭素、金属炭酸塩（炭酸カルシウムなど）や金属シアン酸塩・金属チオシアン酸塩は原子「C」を構造の骨格に持ちながら無機化合物（無機物）とされています。それは、昔は「有機化合物は生体が産生する化学物質である」と定義されていたためで、生体が関与しない化合物として歴史上その定義の時点より前に発見されていた炭素化合物は無機化合物（無機物）とされたためです。
炭素化とは
炭素化合物である有機化合物（有機物）を、不活性雰囲気（例えば窒素やアルゴンなどのガス雰囲気）や、空気を密閉した状況で数百度～千度域で過熱する事により灰や炭になります。有機化合物（有機物）を加熱して、灰や炭に変化する事を炭素化といいます。
自然界では、大昔の恐竜や植物などが地中に埋もれ、空気を遮断された状態で地熱と地圧の影響を受けて、石炭や木炭に変わる物質の変化の過程を「炭素化」と言います。
人工的な方法で作る炭化物の判り易い例は、バーベキューなどに使う炭です。
炭は木を釜で空気に触れさせずに蒸し焼きにします。木が炭に変化する事を「炭素化」といいます。
数百度～千度域で「炭」となった有機化合物（有機物）、グラファイトの結晶構造やダイヤモンドの結晶構造をした小さな物質と他の物質（不純物）が含まれている状態です。こういった定まった一定の結晶構造でない物質を「無定形炭素」と呼びます。
有機化合物（有機物）のほとんどは、熱が加わる事により様々な種類の無定形炭素になります。例えば、原始時代の恐竜や木や生物から様々な資源ができています。石炭・コークス・木炭・煤（スス）のような固形（固相）の物や、ナフサ（ガソリン）、灯油、軽油、重油のような液体（液相）のもの、天然ガスのような気体（気相）もあります。
※物質の状態（固体、液体、気体）の三つの状態を「物質の三態（さんたい）や三相（さんそう）」とよばれます。
黒鉛化とは
炭を２,７００～３，０００℃程高い温度で空気を遮断した状態で熱を加えます。熱処理（熱を加える事）する事により、「C」原子の周りにある不純物を燃焼・気化させる事が出来ます。この高温で熱処理する事を「黒鉛化」といいます。
黒鉛化して作られた純粋な炭（規則的な配列をしている「C」原子の結晶体）をグラファイトといいます。グラファイトの原子の結合の形状は六角形の板状結晶。構造は、亀の甲状で層状物質となっております。
黒鉛（＝graphite・グラファイト）とは
黒鉛化という高温熱処理をされる事により出来る、規則的な配列をしているカーボンの塊をいいます。自然界で、炭素化されたカーボンに、高温の熱を加え続けると「天然黒鉛」になります。一方、人の手で炭に高温熱処理を施し作られたグラファイトを、「人工黒鉛」と言います。
自然界でも人工的にでも、グラファイトにさらに熱と膨大な圧力をかけ続けるとダイヤモンドへ変化します。身につけている天然のダイヤモンドは、地中深くで熱処理され、地殻変動により地上付近に現れた貴重かつ神秘的なものなのです。
炭素質と黒鉛質の違い
炭素質とは、原子「C」のみで形成される結晶の発達の程度の低いものをいいます。黒鉛質と炭素質の大きな違いは、純粋な「C」原子の集合体の結晶の大きさが違います。
炭素質は、紙に筋を引いた場合紙を引き裂いてしまいます。それは、不純物が多く含まれている為で、硬い部分と柔らかい部分が入り混じって存在するためです。また、非常に硬く加工しにくく叩いた時は金属音がします。例えるなら、バーベキューに使う炭（備長炭）などです。
一方、黒鉛質とは鉛筆に似た滑らかさで、白い紙に黒い線を書く事が出来ます。言い換えれば滑りやすく、柔らかく、金属などの硬いもので引っかくと傷が入ります。ずばり鉛筆やシャープペンシルの芯は黒鉛です。
黒鉛質は「グラファイトの結晶構造」をご覧いただいても判るように、原子が横方向に結合しているシート状（グラフェン）であり、グラフェンが積層されて出来ています。その為、水平方向の力に弱く、紙に擦ると黒い線を引く事が出来るのです。また、炭素質に比べ黒鉛質は不純物が少なくなっているため、純度が高くなっております。
加えて、炭素質から黒鉛質へ結晶化が進む途中段階材料があります。よく炭素黒鉛質やセミグラファイトと呼ばれる材料です。セミグラファイトは、結晶化に進み具合で硬さが全く違います。例えば、材料を切断する際に火花が出る材料（炭素質に近く硬い物）や、黒鉛質に近く加工しやすい材料も有ります。
カーボンとグラファイトの違い
カーボンとは、カーボン原子（＝C）が配合されていたりする材料や製品など広く使われています。一般に言われているカーボンで、自転車や車、釣竿に使われているカーボンといえば「CFRP」のことです。カメラ部品の掃除をする掃除用具や化粧品などで「カーボン配合」と記載があるものは、大体が「カーボンパウダー」や「カーボンブラック」の事になります。一般的なグラファイト製品といえば鉛筆の芯になります。
工業的なカーボンといえば黒鉛の事を指す事が多く、何かを作るための治具として使われたり、機械部品の一部として使われたり、工業製品の原料の一部として使われております。グラファイトとカーボンを使い分けられておられる方はあまりいらっしゃいません。
その為、カーボンといえば「炭素材料全般」のことで、グラファイトといえば「炭素材料の中でも黒鉛化されたもの」を表すというのが正しい使い方になるかと思います。
産業用途でのカーボンとは、主にグラファイトの事を指して言われます。
炭素入門編
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7.未来の炭素ってどんなの？（ニューカーボン・ファインカーボン）
カーボンは原子レベルでも様々に製品化されてきております。カーボンは未来の生活をより良くする上で重要だと考えられており、絶えず様々な研究が進められております。
- 1 カーボンナノチューブ（＝Carbon Nano Tube）
- 2 カーボンナノホーン（＝Carbon Nano Horn）
- 3 フラーレン（＝Fullerene）
- 4 カーボンナノカプセル（＝Carbon Nano Capsules）
- 5 フラーレンポリマー
- 6 ロンズデーライト
- 7 アモルファスカーボン
- 8 ナノ結晶ダイヤモンド膜
- 9 ナノチューブコート
- 10 超薄型テレビ
- 11 高性能もみ殻活性炭
- 12 スーパーポリ水酸化フラーレン
- 13 カーボンナノチューブアクチュエータ
- 14 携帯機器向け燃料電池
- 15 自動車用燃料電池
- 16 カーボンナノチューブとグラフェンの複合構造体
- 17 ＣＦＲＰ製人工関節・義肢
- 18 カーボンナノゲージ
カーボンナノチューブ（＝Carbon Nano Tube）
カーボンナノチューブとは、炭素原子を円筒状に結合させたものです。高電流密度耐性で、高熱伝導特性、高機械強度の特徴を持ち、分子構造が細長く、集積回路や、燃料電池の電極や、宇宙エレベーターの研究分野で特に注目されています。切れのないナノチューブを1cmに束ねれば、1200tもの重量を吊り上げるとこが出来るそうです。カーボンナノチューブは「CNT」と言われます。
カーボンナノホーン（＝Carbon Nano Horn）
カーボンナノチューブのチューブの先端が、角状（horn）の閉じたもの。
カーボンナノホーンの複合体を用いて、マウスの腫瘍に対してレーザー光を照射したところ、顕著な治療効果が確認されました。今後、研究が進めば人体の癌治療に大きく貢献する事となるでしょう。
フラーレン（＝Fullerene）
フラーレン（炭素原子で構成される、球殻状のクラスターの総称）というサッカーボール状の構造を持ち、炭素原子60個で構成されるフラーレンC60という分子が特に注目されています。これは、高潤滑材（摩擦係数ほぼ0）として実用化されております。また、フラーレンは、光の作用により細胞内のDNAの切断をしたり、活性酸素の消去や抗HIV活性を示し、医療用臨床実験が行われています。
カーボンナノカプセル（＝Carbon Nano Capsules）
フラーレンの製造の研究過程で、フラーレンの球体結合の中に金属の超微粒子を包み込む技術が開発されております。これは、機密性に優れ、内部の金属の持つ性質を引き出しながら酸化や水分解から保護し、さらに黒鉛の持つ潤滑性を利用する技術の研究が進められております。
フラーレンポリマー
フラーレン同士を結びつけた「フラーレンポリマー」の研究が行われております。
フラーレンポリマーとは、フラーレン結合一つが1炭素原子の役割をし、グラファイトの結合に似た六面体結合を作ったり、ピーナツ型の2重体を作ったり、一直線に繋がったり、色んな構造があります。フラーレンポリマーとなってカーボンに初めて発現する面白い機能は「磁性」を持つことです。磁性が発生する原因は解明されておりません。他の性質がないか等、フラーレンポリマーの研究は現在も進められております。
ロンズデーライト
ダイヤモンドと同じ炭素原子の結晶で、その結晶構造から「Hexagonal diamond（六方晶ダイヤモンド）」とも呼ばれています。
ロンズデーライトは、実際のモース硬度の実測データは材料に含まれる不純物や結合の欠陥と予想される原因により3～7程度なのですが、純粋なロンズデーライトではダイヤモンドより58％高い圧力に耐えることが予想されています。というのも、隕石の衝突により出来る物質で、隕石中に微量に確認されていて、大きくても顕微鏡で確認出来る程度の大きさです。純粋な結合の大きな結晶のロンズデーライトがなく実測出来ないためです。
将来的な工業用途では、ドリルの刃の先端や宇宙船での利用が検討されており、ロンズデーライトの人工的製造方法もこれから研究されていくことでしょう。
アモルファスカーボン
球状や平面状といったような一定の形態を持たなく、カーボンと水素（H）などと結合した状態で定まったパターンの分子結合をしていないカーボンです。言い換えれば、ダイヤモンド（SP3構造）や、グラファイト（SP2構造）の様に、定まった結合構造をしていません。
アモルファスカーボンは、
ⅰ．潤滑性がある
ⅱ．耐磨耗性がよい
ⅲ．化学的に安定している
ⅳ．硬い
ⅴ．平坦な膜が得られる
ⅵ．ヤング率が低め
ⅶ．一般的に絶縁体
という特性を持っております。様々な物をコーティングする材料としてアモルファスカーボンは利用されております。
用途として、電子・半導体分野ではプラズマエッチャー電極板、ダミーウエハー、燃料電池セパレーターなどがあります。また、耐薬品性、高純度、耐熱衝撃性の良さからルツボ、パイプに被膜処理をして使用しています。耐食性、耐熱性もある為、半導体の製造治具に使われています。
ナノ結晶ダイヤモンド膜
ナノ結晶ダイヤモンド膜（UNCD：ultrananocrystalline diamond film）のダイヤモンド膜はナノサイズの純ダイヤモンド結晶より出来ている膜です。
ナノサイズの被膜なので様々なものに貼り付けたり、コートする事により強度を上げることが出来ます。
ナノ結晶ダイヤモンド膜をする事により、摩擦を減らし、耐摩耗性を増し、発生熱を減らすことで省エネルギーを可能にします。
ナノチューブコート
カーボンナノチューブを金属の表面に効率的にコーティングする技術を、大阪大学の近藤勝義教授や梅田純子助教授やの研究グループが開発されております。
金属にナノチューブコートを施す事により丈夫になり、金属の摩擦を抑えることが可能となります。チタンやアルミ、鉄などの幅広い材料にコーティングをすることが出来、自動車や飛行機のエンジンや変速機、ベアリングなどの機械部品や家電製品への応用が期待されています。
超薄型テレビ
カーボンナノチューブの応用ですが、NECや伊勢電子工業が驚く程薄いナノチューブディスプレイの試作型を発表されております。将来のテレビは、壁掛け６５インチ、厚さ5mm消費電力は現在の三分の一とかが主流になるかもしれません。
高性能もみ殻活性炭
もみ殻は飼料や敷材に使われていて、大半は野焼きで処分されていました。もみを焼却するには大量の酸素を必要とします。その為、二酸化炭素による温室効果ガスの排出が問題になっていました。炭になったもみ殻には二酸化ケイ素が含まれており、広い用途での産業的リサイクルが難しいという悩みがありました。
長岡技術科学大学の研究グループは、水酸化カリウムや水酸化ナトリウムを用いて熱処理をする事により、もみ殻から二酸化ケイ素を取り除くことに成功されました。
従来の活性炭は1g当たり1000平方メートルなのですが、高性能もみ殻活性炭では2.5倍ほどの表面積があり、高い吸着力を持つことが発見されております。その為、大量の水素を吸着させる燃料電池の材料にしたり、色んな応用が検討されています。
スーパーポリ水酸化フラーレン
三菱商事のナノテク子会社であるビタミンC60バイオリサーチと阪大大学院工学研究科 物質化学専攻の大島巧教授の研究グループとの共同研究で、フラーレンの炭素原子に水酸基（OH－）を多数 修飾することで水溶性になる「スーパーポリ水酸化フラーレン」が開発されています。このスーパーポリ水酸化フラーレンは人体に有害な活性酸素を効率的に消去することから化粧品への実用化がされています。
カーボンナノチューブアクチュエータ
アクチュエータとは、信号を送る事により、伸縮や屈曲などの運動を行う装置の事です。
アクチュエータは家電製品や航空機によく利用されています。例えば、クリスマスの電飾、車のウインカーなど、電気を通すと銅電極の熱膨張によりスイッチが自動でオンオフします。似たような動きを、信号により発生させる装置といえば判りやすいでしょう。
この電極にカーボンナノチューブを使い超小型アクチュエータの研究が進められており ロボットの関節の動きや人工筋肉の研究が進められています。
先日、独立行政法人 産業技術総合研究所 健康工学研究部門 人工細胞研究グループと、アルプス技研 仙台開発センターの共同開発により、産業技術総合研究所のナノチューブ応用研究センターらが開発した、スーパーグロ－スカーボンナノチューブ（ＳＧ－ＣＮＴ）を用いて、10万回駆動しても変位量が10％しか減らない、耐久性が高くて、3時間にわたって変位状態をほぼ一定に保てる変位保持性などを持つ、高性能ナノカーボン高分子アクチュエーターを開発されました。この研究の成果により、実用化に向けた開発が更に進むことになりそうです。
携帯機器向け燃料電池
カーボンナノホーンを電極に採用した、携帯機器向けの小型燃料電池が、日本電気㈱、科学技術振興事業団、(財)産業創造研究所から発表されております。 燃料電池は、水素などの燃料と酸素を反応させて電気を発生させます。
開発された燃料電池は電気出力が従来より約2割向上することが確認されております。更に、発生するエネルギーがリチウム電池の10倍程で、高効率な次世代エネルギーとして注目されています。将来的には、ノートパソコンの数日間の連続使用などが可能になるといわれており、さらに研究が進められております。
自動車用燃料電池
自動車用の水素燃料電池の開発で特に問題になっているのは、いかに安全、軽量、小型の水素燃料タンクを作れるかということです。
まだ研究段階ですが、燃料タンクを金属チタンでコーティングし、タンク内をカーボン・ナノチューブで満たし、ナノチューブに水素を吸着させて燃料として蓄える研究が進められております。
カーボンナノチューブとグラフェンの複合構造体
富士通研究所は、カーボンナノチューブ生成用の基盤に対して垂直な方向に沿って作られた多層のカーボンナノチューブ上に、数層から数十層のグラフェンの複合構造体を自己組織的に作ることに成功されました。
このカーボンナノチューブとグラフェンの複合構造体の詳細な特性や、形成構造の解析し新しい分野で活かす研究が行われています。
ＣＦＲＰ製人工関節・義肢
人工関節や義肢にＣＦＲＰを用いる研究がされております。 従来の人工関節の構造部には主に金属が使用されております。金属は関節が繰り返し動かされる際に発生する磨耗粉や骨溶解や、骨の萎縮、疲労折損、金属アレルギーに対しての反応など問題点が存在しています。
一方、ＣＦＲＰは金属材料に比べて軽量で強度が高く、疲労強度も優れている事から代替材料になるのではないかと注目されています。
ＣＦＲＰと金属製の関節と比較すると、ＣＦＲＰは放射線を透過するため、ＣＴやＭＲＩの使用が可能となります。また、金属ではない為、空港などでの金属探知機を用いた、セキュリティチェックに不必要に反応しません。更に、金属アレルギーの問題も有りません。
まだまだ、ＣＦＲＰを採用する為には課題も多く残されておりますが、将来的にはＣＦＲＰ製の人工関節や義肢が主流になるかもしれません。
カーボンナノゲージ
名古屋大学、伊丹健一郎教授達の研究グループが120個の炭素原子と、78個の水素原子からなる、カゴ状の炭素ナノ化合物「カーボンナノゲージ」の合成に世界で初めて成功されております。 カーボンナノゲージの特徴としては、
ⅰ．白色固体で、ほとんどの有機溶媒によく溶ける
ⅱ．300度以上でも分解しない
ⅲ．光を効果的に吸収する
ⅳ．強い青色蛍光をもつ
という特性を持っております。
応用展開としては、有機ＥＬ材料や有機トランジスタ材料、光記録材料、高密度光ストレージ、生体分子の蛍光イメージング、ゲスト分子の光センサー、分岐型カーボンナノチューブの精密化学合成用途などに期待されております。
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