グラフェン Changes the World

ナノテクエナジー社の協同創設者でもあるUCLAのリチャード・B カーナー教授研究室から2008年にこのような研究が発表されており、今また注目が集まっています。 数年前に、日本の有名大学の教授から、 グラフェンは疎水性で水性分散できないと指摘を受けたことがありました。 日本では、まだあまり知られていないようなのでご紹介します。 詳細は、オリジナル論文をご覧ください。 グラフェンナノシートの加工可能な水性分散液 グラフェンは、並外れた電気的特性、機械的特性、熱伝導率を備えており、 ナノエレクトロニクス、センサー、ナノコンポジット、バッテリー、スーパーキャパシター、水素貯蔵など、 多くの技術分野での潜在的な用途に大きな可能性を秘めています。 そして、そのほとんどのアプリケーションで使用するためには、 処理可能なグラフェンが大量に入手可能であることが必須条件です。 ところが、疎水性グラフェンまたはグラファイトを 分散剤の助けを借りずに水中に直接分散させることは 一般的に克服できない課題であると考えられていました。 高い比表面積を持つグラフェンシートは、互いに十分に分離されていない限り、 不可逆的な凝集体を形成する傾向があり、ファンデルワールス相互作用によりグラファイトを形成するために再スタックする傾向さえあります。 これは、ポリマーを付着させることにより、凝集を減らすことができますが、 ほとんどの用途では、外部安定剤の存在は望ましくありません。 個別に分離した状態で、比較的きれいなグラフェンシートを大量に生産する新しい戦略が必要です。 この論文では、グラファイトから得られた化学的に変換されたグラフェンシートが、 静電安定化により安定した水性コロイドを容易に形成できることを報告ししています。 この発見により、ポリマーまたは界面活性剤の安定剤を必要とせずに、水性グラフェン分散液の大規模生産への簡単なアプローチを開発することができました。私たちの発見は、低コストの溶液処理技術を使用してグラフェン材料を処理することを可能にし、多くの技術的用途にこのユニークなカーボンナノ構造を使用する大きな機会を開きます。 nature nanotechnology Processable aqueous dispersions...

大阪大学の研究者らは、グラフェンを使った新しいバイオセンサーを発明しました。グラフェンを利用して、胃の内壁を攻撃する細菌や胃がんに関連する細菌などを検出します。 バクテリアがバイオセンサーと相互作用すると、グラフェンによって検出される化学反応が引き起こされます。化学反応生成物の検出を可能にするために、研究者達はマイクロフルイディクスを使用して、センサーの表面に近い小さな液滴でバクテリアを封じ込めました。 研究者たちは、シグナルの遮断とスクリーニングの制限を克服するために、小さな水滴に加えたある種の化学物質の存在下で細菌によって行われている化学反応をモニターすることにしました。 反応で生成された化学物質は抗体よりはるかに小さく、それらはそれらの間を容易に滑り、グラフェン表面に到達する可能性があります。マイクロフルイディクスを介して生成される液滴中の細菌を分析することによって、細菌およびそれらの反応生成物をグラフェン表面の近くに維持することができ、反応生成物の濃度さえも監視することができます。 「私たちのバイオセンサーは、明確に定義された微量で反応を制限することによって、胃潰瘍や胃がんを引き起こす細菌の高感度で定量的な検出を可能にします」と、共同研究者の松本和彦氏は述べています。 この研究成果は、 2019年6月3日(月)に米国科学誌「Nano Letters」（オンライン）に掲載されました。 Electrical Biosensing at Physiological Ionic Strength Using Graphene Field-Effect Transistor in Femtoliter Microdroplet

UCLAのニュースより UCLAの研究者らは、雪が降ると電気を発生させる新しい装置を設計しました。 その種類では最初の装置はプラスチックシートのように安価で、小さく、薄く柔軟です。 雪の摩擦電気の原理に基づいて、エネルギーハーベスタや多機能センサーとして使用できる、初の雪ベースの摩擦電気ナノ発電機（snow-TENG）です。この研究では、電極と摩擦電気層の正確な設計と蒸着に3Dプリンティング技術を使用し、柔軟で伸縮性があり、金属を含まない摩擦電気発電機を開発しました。 雪は正に帯電しており、電子を放出します。シリコン - 炭素原子、水素原子、その他の元素と結合したシリコン原子と酸素原子からなる合成ゴムのような材料 - は、負に帯電しています。雪が降りシリコンの表面に触れると、電荷が発生し、それがデバイスによって捕捉され、電気が発生します。 開発されたsnow-TENGは、積雪量、積雪深度、風向、および雪および/または氷の多い環境での速度に関する正確な情報を提供できるため、リアルタイムで気象を監視するための小型気象観測所として機能することができます。 また、人体の動きを検出するウェアラブル電源および生体力学的センサーとして使用することができます。これは、雪関連のスポーツに役立つことが証明されています。 従来のセンサープラットフォームとは異なり、このデザインはバッテリーや画像処理システムを必要とせずに動作します。これらの装置が潜在的に太陽のパネルに統合されて雪の天候の間に継続的な電力供給を確実にすることができると考えられています。 この研究は、グラフェン製造のトップ企業Nanotech Energyが資金提供をしています。 Best in snow: New scientific device creates electricity from snowfall

physicsworld より カリフォルニア大学リバーサイド校（UCR）の研究者は、グラフェンを含有するエポキシ樹脂複合材料は、電子装置を電磁放射から遮蔽し、同時にこれらの装置内の過剰な熱を放散するために使用され得ることを発見しました。 電子機器がますます小型化され、ますます高い周波数で動作するようになるにつれて、さらに多くの熱および電磁波を発生させます。これらはEM波も熱を発生させるため、装置自体を劣化させるだけではなく、近隣の電子システムに悪影響を及ぼす可能性があります。電磁波放射は人間や動物の健康や環境にとっても害となる可能性もあります。 過剰な熱については、この熱を消散させる高い熱伝導率を有する界面材料を使用することによって解決されます。また電磁波を遮断するためには、電磁波シールド材料が使われます。 しかし、これら2種類の材料は、特性が非常に異なります。 効率的な熱伝導材料は通常絶縁体であるのに対して、優れたシールド材料は熱伝導率が低い可能性があります。 このことは、両方のタイプの材料を同じ装置で使用する必要があることを意味し、それが複雑さとコストを増すことになります。 UCRの研究者たちは、グラフェンを含む複合材料が、過剰な熱を放散しながら電磁波を遮断することができることを発見しました。 「驚くべきことに、グラフェン複合材料は、いわゆるパーコレーションしきい値を下回ってもEMエネルギーをブロックし、電気絶縁性を維持できることを発見しました（これは、熱界面材料にとって重要な特性です）。 「グラフェン複合材料は、99.998％以上の高周波電磁波を遮断することができます」と研究者は言います。「電磁シールドでは、電磁波がシールド材料内部の電荷担体と相互作用して電磁放射が反射または吸収される必要があります」と彼は説明します。この理由のために、遮蔽材料は導電性であるかまたは導電性フィラーを含まなければなりません。 グラフェンは優れた電気伝導体であり、この材料から作られたフィラーが電磁波を反射および吸収することを可能にします。それはまた、優れた熱伝導体です。これは、2D材料のフォノン（結晶格子振動の量子）のユニークな性質のおかげです。 Dual‐Functional Graphene Composites for Electr...

今まで、極低温で高い弾性を持つ材料は観察されていません。ほとんどの材料は、低温では硬くなり脆くなります。しかし、新しいグラフェンフォームは、液体ヘリウム（–269.15°C）にさらされても超弾性を維持します。このような低温でも柔軟性が保たれる材料は、宇宙で使用するための装置を構築するために使用することができると、サイエンスアドバンスでオンラインに発表されました。 Super-elasticity of three-dimensionally cross-linked graphene materials all the way to deep cryogenic temperatures この泡の中では、酸素原子が超薄2-D材料グラフェンのマイクロサイズのパッチをつないでメッシュ状の構造を作り出しています。このような低温でも、グラフェンのシートは容易に曲がることができ、そして引っ張りに抵抗があり、これらのシートを一緒に連結する炭素 - 酸素結合は強力なままなので、得られる材料は極低温条件において柔軟であるとのことです。–269.15°Cの中では、フォームは室温と同じように動作し、元の厚さの10分の1に圧縮された後でも、ほぼフルサイズに戻ります。この材料は、約1000℃に加熱して何百回も平らにしてもこの弾力性を保っていたと報告されています。 サイエンスニュース より

リチウム電池のエネルギー貯蔵能力はよく知られていますが、時として熱暴走を起こし、火災の原因となります。今回、イリノイ大学シカゴ工科大学の研究者らは、21世紀の驚異的な材料であるグラフェンが、リチウム電池の火災から酸素を取り除く可能性があると報告しています。研究者たちは、調査結果をジャーナルAdvanced Functional Materialsに発表しています。 Anti‐Oxygen Leaking LiCoO2 グラフェンシートが酸素原子に対して不透過性であることから、リチウムコバルト酸化物カソード電極の小さな粒子を導電性グラフェンで包んだところ、包まれていない粒子と比較して、高温下での酸素の放出が著しく減少していることを発見しました。 「グラフェンは電解質への酸素の放出を阻止するのに理想的な材料です」と研究者は述べています。 「酸素不透過性、導電性、柔軟性、そして電池内の条件に耐えるのに十分な強度があります。厚さはわずか数ナノメートルなので、電池に余分な質量が加わることはありません。カソードは確実に酸素の放出を減らすことができ、私たちの携帯電話から私たちの車まですべてに電力を供給するこれらのバッテリーの火災の危険性を大幅に減らすことができるかもしれません」。

UCLAと他の二つの大学の研究者が、難燃性自己消火型モーションセンサーと発電機を設計しました。 http://newsroom.ucla.edu/releases/flame-resistant-wearable-sensors-safety-equipment この装置、消防士、石油掘削機、その他極端な気温や過酷な環境を扱う人々が着用する靴や衣服に埋め込むことができます。 自己発電センサーは、摩擦電気ナノ発電機の一種です。摩擦帯電は、ある材料が別の材料と摩擦するときに電子の交換からエネルギーを発生させます。この場合は、デバイス自体と着用者の衣服または皮膚、あるいはデバイスと地面です。 またこの装置は、歩行、走行、跳躍、静止の違いを感知できるため、着用者が危険にさらされたり、動けないでいるなどを検出できます。 摩擦電気ナノゲーターはすでに存在しますが、可燃性のプラスチックや織物などの材料を使用しているため、現在のモデルでは火や極端な温度に耐えることができません。 その問題を克服するために、新しい装置は研究者が発明したカーボンエアロゲルから作られています。エアロゲルは非常に軽量であり（体積の95％が空気中）、高温でも安定しているため、難燃性機器での使用に最適です。 「カーボンエアロゲルは電気を効率的に伝導し、環境に優しい材料を含んでいます」「エアロゲルはとても軽いので、着用者はデバイスさえも感じません」とEl-Kadyは言っています。 エアロゲルを形成するために、研究者たちは、ホルムアルデヒドとレゾルシノールの2種類の化学物質を、ポリアクリロニトリル繊維とわずか数ナノメートルの厚さの酸化グラフェンシートと混合しました。 彼らはそれからゲルを乾燥させて液体内容物を除去し、そしてそれを水素で満たされた小さなチャンバー中で加熱し、耐久性があるが軽量のカーボンエアロゲルナノ複合材料を残しました。 この研究は、グラフェン、酸化グラフェン、およびグラフェンスーパーバッテリーを製造しているNanotech Energyによってサポートされています。 Nano Enegyに掲載された論文 https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2211285519301399