【研究領域課題番号】20K20348 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

単層カーボンナノチューブ / CNT / 化学気相成長法 / CVD / 同位体ラベリング / 透過型電子顕微鏡 / 分子動力学法 / ナノテクノロジー / カーボンナノチューブ / 成長メカニズム / 分子動力学 / ラマン散乱分光法

【研究成果の概要】

同位体ラベリング手法を用いた単一単層CNTの成長時間変化の観察手法を確立し，触媒還元，水蒸気処理，アセチレン添加などの単層CNTの成長開始時間遅延と成長速度への影響を単一単層CNTレベルで明らかとした．さらにシリコン基板の微細加工により作製したTEMグリッドを用いた透過型電子顕微鏡（TEM）による触媒金属と単層CNTの観察および分子動力学（MD）法による単層CNT成長のシミュレーションを組み合わせて，単層CNTのジグザグ端の構造安定性に基づくカイラリティ決定機構を議論することができた．

【研究の社会的意義】

単層カーボンナノチューブ（単層CNT）の構造は直径・巻き方（カイラリティ）・長さなどにより規定される．単層CNTの性質は1本ごとの構造の違いに大きく影響を受けるという特徴を持つことから，次世代の電界効果トランジスターなどの様々な応用の実現に向けては各用途に適した構造の単層CNTを選択的に合成することが求められている．単一単層CNTの成長分析によって，単層CNTの原子スケールでの成長機構解明および構造制御合成の実現に向け大きな学術的な進展が見られた．この結果，単層CNTをチャネルとする次世代の電界効果トランジスターの実現に近づいたと考えられる．

【研究種目】挑戦的研究(開拓)

【研究期間】2020-04-01 - 2021-03-31

【配分額】26,000千円 (直接経費: 20,000千円、間接経費: 6,000千円)

【研究領域課題番号】20K14661 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

カーボンナンチューブ / 熱電変換 / フォノン / Van der Waals力 / カーボンナノチューブ / 熱伝導率 / カーボンナノピーポッド / ゾーンフォールディング / 分子動力学

【研究成果の概要】

カーボンナノチューブ（CNT）ネットワーク全体における熱輸送ではCNT同士の接触部分におけるフォノン散乱が大きな散乱因子となる。また近年実験からも明らかになってきたように、CNTはバンドル化することにより大きく熱伝導率が低下する、つまりCNT同士の面間相互作用によりフォノンが強く散乱される。CNT同士の接触部や面間相互作用の影響はこれまでにも分子動力学法や原子グリーン関数法などにより理論的に研究されてきたが、ネットワークやバンドルの熱輸送特性を制御するためには、より詳細な理論解析が必要である。そこで本研究ではS-matrix法と原子グリーン関数（AGF）法を用いた手法を応用し、CNT同士の接触部や面間におけるフォノン散乱モード依存性を明らかにすることを目指している。本年度は解析技術を確立するため、S-matrix法とAGF法を利用した実装したソフトウェアを開発した。既にシリコンやグラフェンなどにおけるテスト計算を行い、過去の研究と良い一致が得られることが確認できた。

本課題において、フラーレン内包によりCNT単体の熱輸送特性、特にフォノン波動性を制御可能であることを示してきた。これはVan der Waals力による弱い相互作用によっても熱輸送特性に大きな影響を及ぼすことが可能であることを示している。そこで、材料は異なるがVan der Waals力により低熱伝導率が実現しているクラスレート化合物に着目し、フォノン特性の詳細な解析を行った。これにより、室温付近においてフォノン非調和効果やコヒーレント輸送の寄与により熱伝導率の減少が抑制されることが明らかになった。本成果をまとめた論文は既に査読中であり、CNTにおけるフラーレン内包効果と比較することで、様々なVan der Waals力が及ぼす影響の理解が進むと期待される。

【研究種目】若手研究

【研究期間】2020-04-01 - 2023-03-31

【配分額】3,640千円 (直接経費: 2,800千円、間接経費: 840千円)

【研究領域課題番号】18H01341 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

カーボンナノチューブ / 強度特性 / CVD法 / 強度発現メカニズム / 分子間力 / 紡績糸 / 気相合成法 / 強化繊維 / 複合材料 / 分子動力学 / 引張強度 / 複合材料工学 / ナノカーボン材料 / 化学気相合成法

【研究成果の概要】

本研究では高強度無撚CNT糸の創製を目的とし，これまでにCNTの合成条件検討やCNT紡績糸作製条件の最適化，ポリマー含浸（PAA/DMSO処理）による無撚CNT糸の高強度化を行い，無撚CNT糸の機械的特性の向上を検討した．また，薄層・細径なCNTを原料として，基板法から得られるCNT紡績糸の強度ならびに湿式紡績手法により作製されたCNT 糸の各種物性値評価及び高強度化のための処理条件検討を行った．CNT糸の破壊形態に基づく強度予測モデルを構築し，その妥当性評価及び CNT 糸の高強度化条件の検討を行った．

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2018-04-01 - 2021-03-31

【配分額】17,810千円 (直接経費: 13,700千円、間接経費: 4,110千円)

【研究分野】機械材料・材料力学

【研究領域課題番号】15H03895 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

カーボンナノチューブ / 黒鉛化処理 / ポリマー複合 / 分子動力学 / 強度評価 / ポリアクリロニトリル / CNT単体強度評価 / 機械材料・材料力学 / ナノ材料 / 混酸処理 / 分子動力学解析 / 複合材料 / 強化繊維 / 強度特性 / 高密度化処理

【研究成果の概要】

本研究ではCNT単体の優れた機械的特性が十分に発揮された革新的高強度CNT糸の創製を目的とし，乾式紡績法で作製した無撚CNT糸の高強度化を行った．糸を構成するCNT単体の強度評価および分子動力学解析によるCNT間相互作用力の評価によって，CNT糸の高強度化にはCNT単体の高強度化とCNT間の荷重伝達効率の向上が必要であることを明らかにした．また，それに基づいて黒鉛化処理によるCNTの高純度化，CNT糸と各種ポリマーとの複合化を行い，強度2.4 GPaのCNT糸を創製した．

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2015-04-01 - 2018-03-31

【配分額】16,770千円 (直接経費: 12,900千円、間接経費: 3,870千円)

【研究分野】熱工学

【研究領域課題番号】25630070 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

分子動力学シミュレーション / 淡水化 / カーボンナノチューブ / アクアポリン / 分子動力学 / 水 / 水／メタノール混合系 / 水／エタノール混合系 / 分子シミュレーション / 揺らぎ / 電場

【研究成果の概要】

細胞の内外を分ける細胞膜内に存在するタンパク質であるアクアポリンは，水分子のみを透過する特殊な分子である．この分子の特徴を研究し，カーボンナノチューブを用いて淡水化のための新規透過膜について研究を行った．アクアポリン内部のアミノ酸間の距離のゆらぎを解析した結果，1/fゆらぎであることを示した．またカーボンナノチューブを用いた系においては，電場を印可することにより水のみの系ではカーボンナノチューブ内に螺旋状の氷構造ができることがわかった．水／アルコール混合系に電場を印可した際には，水分子のみがカーボンナノチューブ内に存在し，水とアルコールの分離を行うことに成功した．

【研究種目】挑戦的萌芽研究

【研究期間】2013-04-01 - 2016-03-31

【配分額】4,160千円 (直接経費: 3,200千円、間接経費: 960千円)

【研究分野】熱工学

【研究領域課題番号】17656072 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

カーボンナノチューブ / 分子動力学法 / 熱伝導 / 界面熱抵抗 / 伝熱 / 分子動力学

【研究成果の概要】

常温における単層カーボンナノチューブの熱伝導をTersoff-Brenner型の炭素原子間ポテンシャルを用いた分子動力学法によって計算した.従来の計算では,短いナノチューブに周期境界条件を課して無限長のナノナノチューブを模擬し,様々な手法による漸近特性によって熱伝導率を求めていた.それに対し,本研究ではカーボンナノチューブの両端に熱浴を設置し,非平衡分子動力学シミュレーションを行うことで,有限長の単層カーボンナノチューブの熱伝導を解析した.幅広い長さ範囲に渡り熱伝導計算を行うことによって,弾道的熱伝導から拡散・弾道的熱伝導への遷移過程を捉えることに成功し,単層カーボンナノチューブの応用上非常に重要となる熱伝導の長さ依存性の詳細を明らかにした.また,単層カーボンナノチューブと曲率のないグラフェンシートの熱伝導率の長さ依存性を比較することにより,フォノン状態密度の弾道的熱伝導及び拡散熱伝導への寄与を明らかにした.さらに,熱伝導率のナノチューブ直径依存性を計算することで,異なる直径におけるフォノン散乱による拡散効果の役割を議論した.
また,単層カーボンナノチューブの非定常熱伝導の計算を,フェムトレーザーによる加熱を想定して行った.フェムトからピコ秒程度の局所的パルス加熱を行った結果,波動的熱伝導が観測された.この熱波に寄与する単層カーボンナノチューブの振動モードをウェーブレット解析を用いて明らかにし,その波動的特性を検証した.さらに,単層カーボンナノチューブに同位体が混入した場合の熱伝導への影響を検証した.疑一次元構造体の熱伝導への同位体超格子構造の影響を計算し,ある超格子構造の周期幅において有効伝導率が最小値を示し,合金の熱伝導率よりもさらに低い熱伝導率を達成することが可能であることを示した.

【研究種目】萌芽研究

【研究期間】2005 - 2006

【配分額】3,500千円 (直接経費: 3,500千円)

【研究分野】機械材料・材料力学

【研究領域課題番号】13875022 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

カーボンナノチューブ / 第一原理 / 分子動力学 / 機械的特性 / 電子構造 / 微視的構造 / ひずみ / 原子構造体

【研究成果の概要】

電子レベルのシミュレーションによって、カーボンナノチューブの機械的負荷による変形特性を解析するとともに、その変形に起因した電子構造を明らかにして、電気的特性の変形依存性を明らかにすることを目的としている。
まず、擬ポテンシャル法に基づく電子密度分布の詳細解析との比較より、タイトバインディング法による変形解析の有効性を明らかにした。また、これに基づいて、ジグザグ型とアームチェア型単層カーボンナノチューブ(直径約1nm)を中心に、引張り負荷による変形と破壊の詳細シミュレーションを行った。両者とも強度は120nNであり、脆性的な破壊挙動を示す。しかし、剛性はジグザグ型がアームチェア型より大きく、機械的特性はチューブの微視構造に依存することが明らかになった。
次に、直径や螺旋構造(カイラルベクトル)が異なる17種類のカーボンナノチューブに引張りひずみを負荷し、その状態密度を解析して、バンドギャップの変形による変化を評価した。その結果、アームチェア型は変形させても金属的性質を保持することが判明した。また、ジグザグ型と螺旋型のうち、無ひずみ時に金属的性質を示すもの(m-nが3の倍数:(m, n)はカイラルベクトル)は、引張りひずみ0.05程度負荷すると半導体的性質を示すように変化する。さらに、無ひずみ時に半導体的性質を示すチューブも大きな引張りひずみ(0.05から0.20程度)を負荷すると、金属的性質を示すようになることが明らかになった。

【研究種目】萌芽研究

【研究期間】2001 - 2002

【配分額】2,200千円 (直接経費: 2,200千円)