なぜグラファイトは電気を通さないのか？高い電気伝導率の秘密を解き明かす

それどころか、あなたの前提は一般的で理解できる誤解です。グラファイトは非金属ですが、優れた電気伝導体です。その伝導能力は、一部の電子が自由に移動して電流を運ぶことができる、そのユニークな原子構造の直接的な結果です。

グラファイトが電気を伝導する核心的な理由は、その層状構造にあります。各層内では、各炭素原子は4つの外殻電子のうち3つだけを結合に使用し、4番目の電子は「非局在化」されて層全体を自由に移動でき、電荷を運ぶことができる移動性の電子の海を作り出します。

基礎：炭素の同素体

グラファイトを理解するには、まず炭素を理解する必要があります。同素体とは、同じ元素の異なる構造形態であり、これらの異なる構造がそれらに大きく異なる特性を与えます。

同素体とは、元素が取りうる特定の物理的形態です。炭素の場合、最も有名な2つの同素体はダイヤモンドとグラファイトです。

どちらも純粋な炭素でできていますが、その原子の配置は異なります。この原子配置の違いが、一方が既知の天然物質の中で最も硬く、絶縁体（ダイヤモンド）であるのに対し、もう一方は柔らかく、滑りやすく、電気伝導体（グラファイト）である唯一の理由です。

その説明は、各炭素原子が隣接する原子とどのように結合するかという点にあります。炭素原子は、結合に利用できる4つの外殻電子（価電子）を持っています。

グラファイトでは、各炭素原子は4つの価電子のうち3つを使用して、他の3つの炭素原子と強い共有結合を形成します。

この結合パターンはsp²混成として知られており、相互接続された六角形に配置された炭素原子の平坦な層を形成します。これが、現在グラフェンとして知られている単一のシートを形成します。

重要な部分は、4番目の価電子に何が起こるかです。この電子は、層内の強い結合には使用されません。

代わりに、この電子は炭素シートの平面の上と下の軌道に存在します。層内のすべての原子からのこれらの軌道が重なり合い、連続的な「雲」または非局在化電子の海を作り出します。

これらの電子は単一の原子に縛られていないため、2次元シートのどこへでも自由に移動できます。電圧が印加されると、これらの移動性の電子が流れ、電流を生成します。

ダイヤモンドでは、各炭素原子は4つすべての価電子を使用して、剛性のある3次元の四面体格子で他の4つの炭素原子と結合します。これはsp³混成と呼ばれます。

すべての電子が強い共有結合に閉じ込められているため、移動できる自由電子や非局在化電子は存在しません。これが、ダイヤモンドが優れた電気絶縁体である理由です。

グラファイトの伝導性は、すべての方向で均一ではありません。この特性の方向依存性は異方性と呼ばれます。

グラファイトは、その炭素シートに平行な方向に非常に優れた電気伝導性を示します。これは、非局在化電子がこれらの2次元平面に沿って自由に迅速に移動できるためです。

グラファイトの個々のシートは互いに積み重ねられており、非常に弱い力（ファンデルワールス力）によって結合されています。層間に強い結合や電子経路はありません。

その結果、電子は層間を容易に飛び移ることができません。これにより、グラファイトはシートに垂直な方向には電気伝導性が低くなります。

この原理を理解することで、グラファイトのユニークな特性が非常に特定の用途に適しているため、適切な材料を選択できます。

電極の作成が主な焦点である場合：グラファイトは、高い電気伝導性、低コスト、および極端な熱に耐える能力により、アーク炉やバッテリーに最適であるため、理想的な選択肢です。
乾式潤滑剤を見つけることが主な焦点である場合：グラファイトの層間の弱い結合により、非常に少ない力で互いに滑り合うことができるため、鍵や高温機械用の優れた固体潤滑剤となります。
電気絶縁が主な焦点である場合：別の材料を選択する必要があります。ダイヤモンドのような他の炭素同素体、またはセラミックやポリマーのようなより実用的な材料は、その電子が強く結合しているため使用されます。

最終的に、材料の電気的特性は、その原子構造の直接的な結果である電子の自由度によって決定されます。