グラファイトとグラフェン：その違いは？

同じ炭素でも、グラファイトとグラフェンにはこれ以上ないほどの違いがある。グラファイトとグラフェンには様々な特徴があり、様々な分野で利用されている。この記事では、その構造と用途、コストについてご紹介する。さっそく見てみよう。

グラファイトとグラフェンの比較

グラファイトとは

炭素の同素体であるグラファイトは、六角形の格子状をしている。グラフェンの滑るような感触は、グラフェンの層が互いに滑りあう性質からきている。黒鉛は現在、鉛筆から潤滑油、さらには電池に至るまで、日用品に含まれている。グラファイトは導電性である（層状であるためグラフェンほどの導電性はないが）。安価で比較的豊富に存在するため、多くの産業用途の有力候補である。

グラフェンとは

グラフェンとは、炭素原子がハニカム（蜂の巣）状に配列した単層構造である。グラフェンの厚さは原子1個分であるため、超薄膜でありながら強度を保つことができる。その軽さと限りなく透明に近い性質から、「奇跡の素材」とも呼ばれている。その強度は鋼鉄の200倍で、厚さは原子1個分である。電子機器から医療機器まで、その用途は多岐にわたるが、この素材は自然界に比較的豊富に存在するにもかかわらず、その製造にはコストと困難が伴う。

構造

レイヤーとシングルレイヤーの比較

黒鉛：炭素シートが何層にも重なったもの。これらの層は互いに弱く結合しているため、容易に互いの上を滑ることができる。グラファイトを手に取ると滑りやすいと感じるのはこのためで、潤滑油のような働きもする。

グラフェン：炭素原子のハニカム状の単一層で、卓越した強度と柔軟性を持つ1原子厚の材料。

ボンディングの違い

グラファイト：層は原始的なファンデルワールス力によって結合されているため、グラファイトは簡単に割れたり裂けたりする。

グラフェン：これらの炭素原子は単層内で非常に強固に結合しており、これがグラフェンに強力な強度と柔軟性を与えている。

グラファイトとグラフェンの特性

電気伝導率

グラファイト：グラファイトも層間を自由に動く電子のおかげで電気を伝えるが、ここにグラフェンシートを追加していないものは導電性が低い。抵抗が発生するのは、層が十分な距離を隔てている場合である。

グラフェン：最もよく知られた電気伝導体のひとつである。 電子がほとんど抵抗なくグラフェンを通り抜けることができるため、グラフェンは高速エレクトロニクスにはうってつけである。

機械的強度

黒鉛：柔らかく脆い。黒鉛は折れやすいので鉛筆の芯に使われる。層が弱い結合でしか保持されていないため、もろくなりやすい。

グラフェン：非常に強靭で、鋼鉄の20倍もある。炭素原子1個分の厚さしかないが、グラフェンの構造は強固な結晶格子によるもので、C-C結合1つ1つが長さの2倍に相当する強度を持つ。

4.3熱伝導率

グラファイト：熱伝導率が高く、パッシブ冷却などに広く使われている。

グラフェン：優れた熱伝導性。熱エネルギーの伝導性が最も優れているため、電気部品の冷却に適している。

アプリケーション

グラファイト

鉛筆：鉛筆は、黒鉛を「芯」として使う。なぜなら、黒鉛はしみたり、にじんだりすることがあまりなく、簡単に表面に印をつけて、必要なときに消すことができるからだ。黒鉛は層状のシートで構成されているため、わずかな筆圧で書くことができ、紙に跡を残すことができる。

潤滑剤：黒鉛は滑りやすいため、機械間の摩擦を防ぐ潤滑油に含まれている。グラファイトの層は滑りやすいため、互いを容易に滑らせることができ、動きによる部品の磨耗を抑える強固なバリアとなる。

電池グラファイトもまた、リチウムイオン電池の負極において、効率的なエネルギー貯蔵と安定性という2つの主要な機能を果たすことができる固有の元素であることが判明している。この層状構造は、充放電サイクル中にリチウムイオンが容易に出入りすることを可能にする。

製鋼：鉄鋼製造の際、高熱に耐えるため、一般に耐火物として使用される。そのためには、断熱 ライニング 鋳造炉や塗装炉では、温度を一定に保つ必要があり、これは高品質の鋼を製造するための絶対条件です。

グラフェン

エレクトロニクスバークレー研究所とカリフォルニア大学サンディエゴ校の2つの新しい実験が示唆する可能性のひとつは、グラフェンをシリコンの代わりにコンピューターチップに使用することである。電子移動度が高いため、将来のコンピューティング技術に必要とされる高速スイッチング速度に理想的に適している。

医療機器：生体適合性と高感度なグラフェムは、バイオセンサー、薬物送達システム、組織工学などに理想的である。この無毒性と生体システムとの適合性により、医療診断や治療への利用が魅力的である。

エネルギー貯蔵：スーパーキャパシタや先進的なバッテリーは将来、グラフェンを使用することで、より高いエネルギー貯蔵量とより速い充電時間を可能にする可能性がある。高い表面積と導電性により、エネルギー貯蔵デバイスの性能を向上させ、長持ちさせることができる。

複合材料:グラフェンは、金属やプラスチックなどの他の素材と組み合わせることで、より軽量化しながら、より強度を高めたり、導電性を高めたりすることができる。このようなグラフェン強化複合材料の用途としては、軽量化、燃費の向上、全体的なアブレーション性能の向上などが考えられる。

グラファイトとグラフェンの比較：コスト

グラファイト低い

豊富さ：世界中で採掘されており、入手が容易でコスト効率の高い鉱物である。

生産コスト:生産コストと加工コストが低いため、グラファイトは多くの産業用途にも適している。

グラフェン：高

生産の課題：グラフェンの製造は、グラファイトの製造よりもはるかに困難である。単層h-BNは現在、湿式法で調製することができるが、化学気相成長法（CVD）や剥離法などの既存の製造アプローチでは、コストが高く、大規模製造には容易に対応できない。しかし、コスト高であり、大規模な製造には容易には対応できない。

価格動向：グラフェンの価格は下落傾向にあるが、そのコストはグラファイトよりもはるかに高い。現在、よりコスト効率の高いグラフェンの製造方法を開発し、この素材が商業的に成り立つようにするための研究が行われている。

結論

グラファイトとグラフェンには、互いに類似したいくつかのユニークな性質があり、これがグラフェンを重要な材料グループにしている。したがって、グラフェンは炭素の進化の最終段階であると考えることができる。グラファイトは何十年もの間、産業界で役立ってきたが、グラフェンこそが、さまざまな分野を破壊する真のゲームチェンジャーだと多くの人が信じている。現在の研究により、グラフェンをより安価に簡単に製造できるようになれば、別世界の素材が王者となる世界も、そう遠くないかもしれない。グラファイトの現実主義を尊重するか、グラフェンの可能性に魅了されるか。テクノロジーと産業界では、両者が協力して前進していかなければならないだろう。