カーボンナノ材料、特にカーボンナノチューブとグラフェンの構造は、六角形格子に配列した炭素原子の単層からなる。カーボンナノチューブの場合、グラフェンシートは継ぎ目のない筒状に巻かれ、円柱に似ている。カーボンナノチューブもグラフェンも、炭素原子がsp2混成しているため、独特の性質を持つ。
カーボンナノチューブ（CNT）は、直径が約1 nmから100 nmの円筒状の構造体である。カーボンナノチューブは、チューブに巻き込まれるグラフェン層の数によって、単層（SWNT）と多層（MWNT）がある。SWNTは1層のグラフェンをチューブに巻き込んだものであるが、MWNTは多層である。CNTの構造は、チューブの一端が半分のフラーレン構造で覆われたハーフキャップフラーレンに似ている。
一方、グラフェンは炭素原子が六角形格子に配列した二次元シートである。グラフェンは、グラファイトから抽出された炭素原子の単層とみなすことができる。グラフェンは安定した機械的特性と高い電気伝導性、熱伝導性を持つ。
カーボンナノ材料のユニークな特性は、エレクトロニクス、膜、廃水処理、電池、キャパシタ、不均一系触媒、さらには生物学や医学などの分野における様々な応用のための理想的な候補となる。ナノ材料の形態、サイズ、相がその特性や潜在的用途に大きく影響することを考慮すると、所望の特性を持つナノ構造材料の合成は大きな注目を集めている。
カーボン・ナノ材料の大規模生産が最重要課題であることは注目に値する。フラーレン、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバー、グラフェン、炭化物由来カーボン、カーボンナノイオン、MXENなど、さまざまなカーボンナノ材料の合成は、化学気相成長法（CVD）などの方法によって実現できる。
環境への影響という観点から、カーボンナノチューブはカーボンブラックやグラフェンなどの代替材料と比較されるべきである。カーボンブラックは一般的に、カーボンナノチューブやグラフェンに比べてCO2排出量が多く、複合材料における負荷要件も高い。さらに、カーボンナノチューブ強化タイヤは、他のナノカーボンと比べてナノ粒子の放出量が少ないことが示されている。
グラフェンは炭素材料のさらなる発展につながったが、その製造方法、特に「トップダウン」アプローチには、エネルギー効率、必要な水の多さ、過酷な化学物質の使用に関する課題がある。グラフェンの研究は、その導電性と層間化合物、特に優れた導電性に焦点を当てている。
カーボンナノチューブやグラフェンを含むカーボンナノ材料は、その構造からユニークな特性を持ち、様々な分野への応用が期待されています。
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