スマホを落としても割れない時代がくる　魔法の新素材グラフェンの可能性

ラップほどの厚さでもゾウを乗せられる

ハンク・グリーン氏：みんなの話題の的、グラフェン。その機能については、マンガの世界の話だと思う人もいるでしょう。

グラフェンは原子1個分の厚さで、銀よりも電気を通し、ダイアモンドよりも熱を伝え、鉄よりも強度があります。

ラップフィルムほどの厚さのグラフェンの上に、ゾウが乗った鉛筆を立てたとしても耐えることができます。それが、あの脆い鉛筆の芯と同じ成分でできているのです。

グラフェンは炭素からできており、炭素は2種類の結晶構造を持っています。

グラファイトはグラフェンの積み重なったもので、ダイアモンドは三角錐に形成された炭素のネットワークです。同じ成分なのに随分違います。ダイアモンドは透明で、グラファイトは黒です。また、グラファイトが電気と熱をよく通すのに対し、ダイアモンドはほぼ完全な絶縁体です。

これら2つの違いは、原子の配列にあります。炭素は4つの核外電子があります。

ダイアモンドでは、炭素原子にそれらすべてがくっついて四面体を形成しています。それによって高い透明度があります。また、電気を通す電子が残されていないので、絶縁体なのです。

しっかり固定されるため、光は電子を簡単に刺激できず透明になります。

それに対しグラファイトは、3つの別の炭素原子にそれぞれの原子がくっつく透明の炭素なのです。

それらの原子は、ペアにならずに残された電子を持つ6角形の平面シートを形成します。それらは通過する光子を一気に消費するのでグラファイトは黒いのです。

グラファイトは優れた伝導体であると同時に、その自然な形のなかにそのようなシート（6角形の平面シート）の層が含まれています。

その層を1つはがすとグラフェンです。これが、炭素原子の平面マトリクスが行き交う電子の高速道路となるのです。それらのシートは分子的には結合していないためにはがしやすくなります。それがグラフェンが柔らかい理由でもあります。それらは微弱電子のようなファンデルワールス力（分子間にはたらく力）によって引き合っているのです。

グラフェンはどんなことに活用できるのか？

原子1個分の厚さを手に入れたわけですが、何が便利なのでしょうか？

グラフェンの極めて高い伝導性を見込んで、シリコンやマイクロチップの代わりに使おうと科学者たちは盛り上がっていました。グラフェン上では電子が高速移動できるだけでなく、ノイズも小さいのです。つまり、原子のくぼみを迂回することなく直線移動が可能なのです。

科学者によると、グラフェンのトランジスタによって1,000ギガへルツの周波数が可能になると考えられており、それはシリコンの最大値の10倍です。

グラフェンのほかの用途候補としては、タッチスクリーンがあります。スクリーンの一番外側の層は、指先を感じるために優れた伝導体である必要があるからです。

現在私たちが使用しているのは酸化インジウムスズですが、貴重で脆いのが問題です。一方グラフェンは粉末状でも効果を発揮し、車のタイヤ、バッテリーなどをより強い伝導性を持たせることが可能です。

しかし、グラフェン最大の問題は、それを作ることの困難さにあります。テープでいちいちはがして採取するというのは果てしない作業です。

メタンのような炭化水素のシートをどんどん作って水素が離れるまで待ち、グラフェンを培養することは可能ですが、そのグラフェンの質は低いものになります。

基本的に、原子のシートを作るというのは困難なことで、純粋なサンプルを採取するのもまたしかりです。私たちはその両方をしようとしているのです。ただ、シリコン業界は同じ困難に50年前に直面したものの、今ではそれは解決して利益を生んでいます。グラフェンもきっとそうなるでしょう。