カーボンナノチューブはグラフェンよりも強いですか？用途に合った適切なカーボンナノマテリアルの選択

簡潔に言えば、いいえ。グラフェンは理論上、これまで測定された中で最も強い材料であり、引張強度は130ギガパスカル（GPa）です。しかし、この単純な答えは、はるかに複雑で重要な現実を覆い隠しています。実用的な工学目的では、「より強い」材料は、用途と形状に完全に依存します。

グラフェンは完全な2次元平面における固有の強度でその名を馳せていますが、カーボンナノチューブは1次元の繊維状構造であるため、実際の用途ではより効果的で利用可能な強度を発揮することがよくあります。

強度の基盤：共通の起源

グラフェンとカーボンナノチューブ（CNT）はどちらも、その驚くべき特性を全く同じ源、つまり炭素原子の配置から引き出しています。

原子レベルでは、両材料の強度はsp²混成炭素-炭素結合に由来します。これらは知られている中で最も強い化学結合の一部であり、引き離されることに非常に強い六角形の格子を形成します。

グラフェンは、これらの炭素原子がハニカムパターンに配置された単一の平らなシートです。これは基本的な構成要素です。その理論的強度は約130 GPaと測定されており、これまでに試験された中で最も強い材料となっています。

単層カーボンナノチューブは、グラフェンシートが継ぎ目なく円筒状に巻かれたものと理解するのが最適です。全く同じ原子構造でできているため、その固有の強度も非常に高く、理論値はしばしば100 GPa前後と引用されます。

「より強い」という言葉は誤解を招く可能性があります。材料科学では、測定している特性について具体的に述べる必要があり、この文脈はあらゆる実世界での応用にとって極めて重要です。

固有強度とは、完全で欠陥のないサンプルの理論的な強度を指します。この点ではグラフェンがわずかに優位に立っています。しかし、利用可能な強度とは、バルク材料や部品を作成したときに実際に達成できる強度であり、これは常に欠陥や形状によって制限されます。

引張強度は、材料が破断する前に引き伸ばされることへの抵抗力を測定します。グラフェンの面内強度は最も高いですが、その利点を活用するために2次元シートを均一に引っ張ることは困難です。CNTは1次元の繊維であるため、その長さに沿って荷重を支えるのに自然に適しています。

両材料とも信じられないほど硬く、ヤング率は約1テラパスカル（TPa）です。これは、それらを弾性的に変形させるには途方もない力が必要であることを意味し、これは共通のsp²結合に起因する特性です。

両材料の最も重要な違いは、原子結合ではなく、その次元性です。これが、特定の工学的課題に対してどちらが適切な選択であるかを最も頻繁に決定する要因となります。

グラフェンの主な課題は、その2次元性です。大きく、欠陥のないシートを製造することは非常に困難です。実際のグラフェンは、しばしば欠陥、粒界、しわに悩まされており、これらすべてが応力集中点として機能し、理論上の最大値からその有効強度を大幅に低下させます。

CNTの1次元の繊維状構造は、それらをほぼ完璧な強化剤にします。それらはポリマーまたは金属マトリックス内に整列させて複合材料を作成することができます。この形態では、その卓越した引張強度をその軸に沿って直接活用して荷重を支えることができ、これは2次元シートよりも幾何学的に適したタスクです。

両材料にとって、欠陥は大きな均等化要因です。高品質でほぼ完璧なカーボンナノチューブは、多くの欠陥や粒界を持つ大面積のグラフェンシートよりも、実際にははるかに強くなります。最終製品の性能は、理論的な可能性ではなく、製造品質によって支配されます。

これらの材料の選択は、完全に工学的な目標に依存します。質問は「どちらが強いか？」ではなく、「私の問題にはどの形状が適切か？」であるべきです。

超強力で軽量な複合材料の作成が主な焦点である場合：カーボンナノチューブは、その繊維状の形状がマトリックス材料の強化に理想的であるため、より実用的な選択肢となることがよくあります。
透明導電性フィルムまたはバリアコーティングが主な焦点である場合：グラフェンの2次元シート状の性質は、その面内特性を最大限に活用できるため、優れた材料となります。
材料強度の限界に関する基礎研究が主な焦点である場合：グラフェンは、sp²結合炭素の理論上の上限を表すため、ベンチマークであり続けます。

最終的に、強度に関する議論は、理論的な競争というよりも、その仕事に適した形状を選択することに重点が置かれます。