11）はじめに、世界の動向物質のサイズが小さくなり、ナノスケールサイズ

となるとバルクな状態の時とはまったく違った新し

い性質が現れる。これ故に、新規なナノスケール物

質はナノテクノロジー開発の鍵を握るナノマテリア

ルとして特に注目されている。とりわけ、ナノチュ

ーブやナノワイヤー等の１次元ナノスケール物質は

その特異な形態や構造さらには優れた特性を発現す

ることから、エレクトロニクスや環境・エネルギー、

バイオ用の新素材としての応用が期待されている。

1次元ナノスケール物質の代表はカーボンナノチュ

ーブ（CNT）である。カーボンナノチューブは1991

年の飯島による発見以来、合成方法、生成機構解析、

構造解析、各種の物性解析、理論的解析さらには応

用開発研究など多岐の分野にわたり全世界において

活発な研究がなされている。カーボンナノチューブ

の研究ほど基礎から応用に渡る幅広い領域におい

て、多くの研究者・技術者の関心が集まり、大学、

公的研究機関、企業等で世界的に激しい開発競争が

行われている新素材は他には見当たらない。毎日新

しい発見がなされ、その進展は息をつく暇もないほ

ど急速に進んでいる。

一方、ナノチューブの形状を示す物質はカーボン

以外にもいくつかの化合物が既に知られている。表

1にこれまでに見出されたナノチューブの中で主要

なものをまとめた。この中で、硫化モリブデン

（MoS2）、窒化ホウ素（BN）、塩化ニッケル（NiCl2）

があり、これらはジグザグ型やアームチェアー型と

言ったナノチューブ特有の層状構造の原子配列を有

する点でカーボンナノチューブと類似している。そ

れに比べて、硫化亜鉛（ZnS）、窒化ガリウム（GaN）、

シリコン（Si）などのナノチューブはバルクと同じ

sp3 型の構造をとっている。これらの化合物ナノチ

ューブは針状結晶が中空形状をし、微細なチューブ

の形態をしたものである。カーボンナノチューブの

ようにナノチューブ特有の原子配列を有するチュー

ブ物質とは厳密に区別べきだが、ともにナノチュー

ブと呼ばれている。

カーボン以外のナノチューブの中ではBNナノチ

ューブが一番盛んに研究が行われている。これは、

BNナノチューブが熱に強く、化学的に安定である

などカーボンナノチューブにない優れた性質を有

し、エレクトロニクス素材、超耐熱軽量素材や水素

吸蔵素材等としての応用が期待されている所以であ

る。しかし、BNナノチューブはその大量合成法が

困難であることから、その性質や機能の解明がまだ

十分に進んでいず、カーボンナノチューブに比べる

と研究はまだ緒に就いたばかりと言えよう。また、

TiO2やV2O5などの酸化物ナノチューブも最近になり

見出され、酸化物の持つ本来の特性を活かしつつ、

有機・無機物による表面修飾やドーピング等を行う

ことにより、発光材料、触媒や高性能磁石等への応

用に期待がかけられている。この分野の研究もまた

緒に就いたばかりである。

78

物質・材料研究における今後の動向

ⅣⅣ

1)

2)

3)

4)

5)

6)

7)

8)

9)

蒸発法、テンプレート法� B. K. Teo

表１　これまでに発見された主なナノチューブ

ナノチューブ関連ナノマテリアル

板東　義雄　フェロー01

1

22）国内外の動向ここでは、カーボンナノチューブをはじめとした

各種のナノチューブやナノワイヤーの最近の研究の

動向を述べる。

① カーボンナノチューブ

図１はカーボンナノチューブの論文件数と特許件

数を年度別にまとめたものである。論文及び特許件数

はともに発見以来指数関数的に毎年増大しているのが

特徴的である。これまでに約1万件以上の論文が発表

されており、統計データーからはいかにカーボンナノ

チューブの研究が世界的な規模で盛んに行われている

かがわかる。特許総数の内訳をみると、日本が約53％、

アメリカが約13％、ヨーロッパが約７％を占めている。

日本は国内特許総数は世界一だが、国際特許は約10％

にしか過ぎず、アメリカの約50％に遠く及ばない。ま

た、特許分野の内訳は、合成・プロセッシングが約

40％、電子放射が約20％、コンポジット約9％、水素

吸蔵約6％、その他となっている。さて、カーボンナ

ノチューブの研究動向は、１）合成・プロセッシング、

２）構造解析と機能解明・理論計算、３）デバイス等

の応用開発、から考察できるが、本稿では合成法と応

用開発について述べる。

合成・プロセッシングに関しては、多層ナノチュ

ーブの大量合成法の開発（1992年）、カーボンナノチ

ューブの金属の注入（1993年）、単層ナノチューブの

大量合成（1995年）、単層ナノチューブ内にフラーレ

ンを注入したピーポットの創製（1998年）、Si配線基

板上のナノチューブの一方向成長（2000年）などが

特筆した成果と言える。また、熱分解法によるカー

ボンナノファイバーやナノチューブの大量合成法の

成功（1995年）、また、大型連続反応装置を用いた多

層ナノチューブの量産化技術の開発（1999年）など

がある。現在では多層ナノチューブの大量生産技術

はほぼ確立されているといえる。従って、最近の動

向は、主に単層カーボンナノチューブの大量合成法

やカイラリティ制御法の開発に向けられている。単

層カーボンナノチューブは従来レーザーオーブン法

やアーク放電法により生成されたが、少量でしかも

不純物を含むなど高純度な単層ナノチューブが得ら

れにくいなどの欠点があった。現在、多くの研究グ

ループでは数nm径の各種の金属微粒子を触媒として

用いたCVD法での高純度な単層ナノチューブの合成

法の開発が行われている。最近、炭化水素の代わり

にエタノールを用いた新しい合成方法で、低温でし

かも安価な方法で単層ナノチューブの大量合成がで

きることが報告されるなど、単層ナノチューブの合

成法でも大きな進展も見られつつある。

カーボンナノチューブの電界放射現象の発見（1995

年）後、その長寿命や高輝度等の優れた特性を活かし

て、超高輝度光源チューブやフルカラー型フラットパ

ネルディスプレイへの実用化が日韓の企業を中心に進

んでいる。また、ナノチューブをシリコン半導体に代

わる超微細細線として利用しようというディバイス研

究もまた盛んに行われている。ナノチューブを用いた

電界効果トランジスターやダイオード等が試作され、

ナノチューブの有効性が明らかにされつつある。しか

し、複雑な回路をもつ電子回路にナノチューブを自在

に配線することは極めて難しい。その要素技術として、

基板の所定の場所にナノチューブを成長させる方法や

電場を用いてナノチューブを配向させるなどの研究が

盛んに行われている。

② BNナノチューブ

カーボンナノチューブの発見以降、カーボン以外

の新規なナノチューブの探索とその機能解明の研究

が行われ始めた。BNナノチューブは1994年にその存

在が予測され、1995年に発見された。多層ナノチュ

ーブがプラズマアーク放電やレーザー照射法により

極微量で発見されたが、その後置換反応法やプリカ

ーサーを用いたCVD法等が開発され、合成法が確立

されつつある。しかし、単層のBNナノチューブは

79

ナノマテリアル

0101

図１　カーボンナノチューブの論文件数と特許件数の推移

カーボンと異なり安定に存在しにくいことから、微

量でしか合成されていないのが現状である。BNナ

ノチューブの性質に関してはその優れた酸化特性や

水素吸蔵等が最近になり明らかになりつつある。

③ その他のナノチューブ

V2O5のナノチューブはカーボンナノチューブをテ

ンプレートとしたCVD法で最初に見出された酸化物

ナノチューブである。その後、ゾルゲル法等のソフ

ト化学的な手法あるいはCVD法や熱分解法等の各種

の合成法を用いて、TiO2、SiO2、MoO3、ZrO2、

ZnO、WO3などの酸化物が見出されている。酸化物

以外の硫化物、炭化物、窒化物においては、WS2、

MoS2、ZnS、PbS、CdS、GaN、AlN、SiCなどが見

出されている。また、Bi、AuやNiなどの金属のナノ

チューブもメソポーラスなアルミナをテンプレート

とした方法で合成されている。しかし、これらのナ

ノチューブの性質や機能については一部を除いてほ

とんど解明されていない。最近は半導体や光学的に

優れた特性を有するカーボン以外の新規なナノチュ

ーブの探索研究が世界的に進展しつつある。

④ ナノワイヤー等の１次元ナノスケール物質

ナノチューブ以外の１次元ナノスケール物質とし

ては、その形態からナノワイヤー、ナノロッド、ナノ

ベルト、ナノコーンがあり、それらの新物質の探索と

機能解明の研究もまた盛んに行われている。ナノチュ

ーブとして見出された物質はすべてナノワイヤー等の

針状結晶として合成されており、その数は100種類以

上に達する。特に、ZnOやSnO2などのワイドギャッ

プの半導体ナノワイヤーは電界放射、FETトランジ

スターやガスセンサー等への応用研究も盛んに行われ

ている。図２にナノワイヤー等の論文数の推移を示す

が、その総数はカーボンナノチューブに匹敵するほど

であり、特に最近数年の研究開発の勢いは強い。

33）NIMSの現状・NIMSの研究板東らのグループは世界最高性能の電子顕微鏡技

術をうまく活用しながら、新規なナノチューブやナ

ノワイヤー等の探索・創製とその構造解析の研究に

取り組んでいる。特に、BNナノチューブの合成と

構造解析の研究では先導的な研究を進めている。こ

れまでに、カーボンナノチューブをテンプレートと

した置換反応法の開発（1998年）、プリカーサーを

用いたCVD法の開発（2001年）、カーボンフリーな

合成法を用いた高純度BNナノチューブの実験室レ

ベルの大量合成の開発（2002年）などを報告してい

る。またBNナノチューブがカーボンナノチューブ

と異なりジグザグ型の原子構造を優先的にとること

やコーン状の特異な形態をしたＢNナノチューブの

存在が明らかにされた（2002年）。さらに、BNナノ

チューブの水素吸蔵が発見された（2003年）。

一方、カーボンナノチューブの温度センサーとし

ての新しい応用分野を切り拓く発見が板東らによりな

され、ナノ温度計（nanothermometer）と命名された

（2002年）。10) ナノ温度計はカーボンナノチューブ内に

閉じこめられた液体ガリウムが外気温度の変化により

その体積を膨張・収縮する現象を利用して、微細な空

間での温度を計測しようとするものである。温度計の

サイズが極めて小さいことから、世界最小の温度計と

してギネスブックに掲載されている（2004年）。カー

80

物質・材料研究における今後の動向

ⅣⅣ

図２　ナノチューブ以外のナノワイヤー等の1次元ナノスケール物質の論文件数の推移 図３　NIMSの最近の主な研究成果、カーボンナノ温度計の発見

ボンナノチューブ以外の温度計として、耐熱性や耐酸

化性に優れたMgO、In2O3、SiO2などの酸化物ナノチ

ューブを用いたナノ温度計の創製にも成功した。

カーボンナノチューブの研究では、電気泳動法を

用いてカーボンナノチューブを原子間力顕微鏡の探針

として作製する技術の開発や磁場を用いてカーボンナ

ノチューブを一方向に並べる技術の開発などがある。

また、カーボンナノチューブを安価に作る方法として

アルコールなどの液体に侵した電極を加熱する方法が

開発された。さらに、従来のアーク放電と異なり、外

部から炭素源を供給する必要の無い新しい方法でのカ

ーボンナノチューブの合成にも成功している。一方、

C60やC70のフラーレン分子からなるフラーレンナノチ

ューブ（直径が数百ナノメートルで長さが数百ミクロ

ンの中空針状結晶）も合成された。

カーボンやBN以外の新規なナノチューブの研究

では、各種の無機系のナノチューブやナノワイヤー

が探索・創製されている。ZnSとSiO粉末の高温反応

により単結晶のSiナノチューブ（sp3 型のバルク構造

を有し、チューブ直径が約100nm）、SiOの熱分解の

よるSiのマイクロチューブ（チューブ直径が数ミク

ロン）、さらにZnS、AlNなどの10種類以上の新ナノ

チューブ・ナノワイヤー等が世界に先駆けて合成さ

れ、その構造が解明された。

44）今後の動向カーボンナノチューブは発見以来数多くの基礎的

な研究がなされ、電気伝導性、機械的強度、熱伝導性

や電界放射などの基本的な特性がほぼ明らかにされつ

つある。しかし、カーボンナノチューブ研究の最大の

課題であるカイラリティを制御した合成技術がいまだ

に成功していない。半導体あるいは金属だけの性質を

示すナノチューブを選択的に合成・制御することは、

ナノチューブの各種の応用展開には必須である。また、

今後の動向は従来の基礎研究から応用・実用化へとそ

の研究フェーズをより産業にシフトしてゆく必要があ

る。特に、フラットディスプレイパネルやナノチュー

ブ分子素子などのエレクトロニクス・ナノテクノロジ

ー分野、リチウムイオン電池の負極材や水素ガス貯蔵

などの環境・エネルギー分野、DNAバイオセンサー

などバイオテクノロジー分野、強化プラスチックなど

の複合材料分野への応用など幅広い産業分野への実用

化に向けた研究開発の推進が重要である。

一方、BNナノチューブは最近になり高純度な合成法

がNIMSにおいて確立されつつあり、その電磁気的、

光学的、熱的な基本的性質の解明の環境が整いつつあ

る。BNナノチューブの機能解明を通じて、例えばBN

ナノチューブが水素吸蔵特性を実用化レベルに向上で

きるうるか、また元来の絶縁体を元素ドーピングによ

り半導体化しナノチューブ素子等としての応用が可能

かなど基礎・基盤的研究が今後益々重要になってくる

であろう。同時に、半導体や光学的な性質などにおい

てカーボンナノチューブを凌ぐような優れた特性を有

する新ナノチューブの発見も待たれるところである。

引用文献

81

ナノマテリアル

0101

(a) フラーレンナノチューブ

(ｂ) NIMSで見出された新ナノチューブ図４　 NIMSの最近の主な研究成果

1)

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物質・材料研究における今後の動向

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