最も純粋な形態のグラフェンには、採掘または採取できる直接的な天然の供給源はありません。 その代わりに、グラフェンの真の天然供給源はグラファイトであり、世界中で見られる一般的な鉱物です。グラフェンは、ハニカム格子状に配置された炭素原子の単一の二次元原子層であり、グラファイトは、これらのグラフェン層が何十億も積み重なってできた三次元構造にすぎません。
重要な区別は、グラフェンが単独の材料として自然界に「見つかる」のではなく、その天然の前駆体であるグラファイトから「誘導される」ということです。この分野の課題と革新は、グラフェンを見つけることではなく、グラファイトの積み重ねから単一の原子層を効率的に分離することにあります。
基本となるつながり：グラファイトからグラフェンへ
グラフェンが単に環境から採取されない理由を理解するには、その親材料であるグラファイトとの関係を理解することが不可欠です。
グラファイトとは？
グラファイトは、自然界に存在する結晶性の炭素形態です。世界中で採掘される一般的な鉱物であり、鉛筆や潤滑油としての用途で知られています。
その構造は、比較的弱い力で互いに保持されている数え切れないほどのグラフェンシートの層で構成されています。この層状構造により、シートが互いに滑り合うことができ、グラファイト特有の滑らかさが生まれます。
「トランプの束」の類推
天然グラファイトの塊をトランプの束全体だと考えてください。束全体がグラファイトを表します。
その束から引き抜かれた単一のトランプがグラフェンです。それは同じ基本的な材料でできていますが、個々のシートとしての特性は束全体とは劇的に異なります。
単離されたグラフェンが自然界に存在しない理由
技術的には天然鉱物の一部ではありますが、安定した単離されたグラフェンシートが自然界に存在しないのには、主に2つの理由があります。
安定性の問題
単一の大きな原子層は、三次元の世界では単独で熱力学的に不安定です。グラフェンの体積に対する巨大な表面積は、高い反応性をもたらします。
単離されたシートは、ナノチューブに丸まるか、フラーレンに丸まるか、再びグラファイトになるために別の表面に再積層することで、エネルギーを最小限に抑えようとします。
自然の力の現実
剪断応力などの自然の地質学的プロセスは、理論的にはグラファイト鉱床から微小なグラフェンの断片を剥離（剥離）させる可能性があります。
しかし、これらの断片は微小で、構造的に不完全であり、使用可能な「供給源」と見なせる形態ではありません。2004年のグラフェンの単離は、実験室でセロハンテープを使用して達成されました。これは意図的かつ人工的な分離行為でした。
グラフェンの真の「供給源」を理解する
グラフェンは直接採取されないため、その「供給源」は生産方法の出発材料として理解するのが最も適切です。これらの方法は、大きく分けてトップダウン方式とボトムアップ方式に分類されます。
トップダウンアプローチ：グラファイトからの剥離
この方法は、バルク材料から始めてそれを分解します。高純度の天然グラファイトは、すべての剥離技術の主要な供給材料です。
機械的剥離（「テープ法」）や液相剥離などのプロセスでは、物理的な力を利用してグラフェン層を保持している弱い結合を克服し、グラフェンフレークを生成します。
ボトムアップアプローチ：ガスからの合成
この方法は、原子を一つずつグラフェンを構築します。最も一般的な技術は化学気相成長法（CVD）です。
CVDでは、炭素含有ガス（メタンなど）を基板（多くの場合銅箔）上で加熱します。ガスが分解し、炭素原子が連続した高品質のグラフェンシートとして配列します。この場合、「供給源」は天然鉱物ではなく、前駆体ガスです。
避けるべき一般的な誤解
グラフェンの供給源を理解するには、炭素材料に関する一般的な仮定を避ける必要があります。
「石炭中のグラフェン」の神話
石炭は炭素が豊富ですが、グラフェンの供給源としては不適格です。石炭は非晶質構造を持っており、炭素原子が不規則に配列しています。
剥離によるグラフェン製造には、グラファイトにのみ見られる高度に秩序だった結晶格子構造が必要です。
天然対合成：応用の問題
グラフェンの品質と形態は、その製造供給源に完全に依存します。
天然グラファイトから剥離されたグラフェンは通常、さまざまなサイズのフレークとして得られ、複合材料、インク、コーティングなどのバルク用途に最適です。高度な電子機器用の高品質シートグラフェンは、CVDなどの方法で合成する必要があります。
グラフェンの供給源について考える方法
適切な「供給源」は、最終的な目的に直接結びついています。材料を見つけることではなく、適切な製造経路を選択することです。
- 複合材料やコーティングなどの大規模な用途が主な焦点である場合： 供給源は高純度の天然グラファイトとなり、そこからグラフェンフレークが剥離されます。
- 高性能電子機器やセンサーが主な焦点である場合： 通常、前駆体ガスからCVDによって成長する合成グラフェンが必要になります。これは自然のプロセスではありません。
- 基礎研究を探求している場合： その旅は常に、ほぼすべてのグラフェン製造の天然前駆体であるグラファイトの特性を理解することから始まります。
グラフェンは発見されるのではなく、意図的に作成しなければならない材料であると理解することが、その驚くべき可能性を解き放つ鍵となります。
要約表：
| 天然前駆体 | 説明 | 一般的な製造方法 |
|---|---|---|
| グラファイト | 積み重ねられたグラフェン層からなる結晶性鉱物 | 機械的または化学的剥離 |
| 炭素ガス（例：メタン） | 天然の供給源ではない。合成に使用される | 化学気相成長法（CVD） |
| 石炭 | 非晶質構造のため、供給源としては不適格 | 高品質グラフェンには適さない |
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