【ナノテク】二次元材料グラフェンから無尽蔵のクリーンエネルギーを取り出せる可能性

野良ハムスター ★

軽くて薄く、そして強靱な素材として知られるグラフェン。この2次元の原子シートを用いることで無尽蔵にエネルギーを得られる可能性があることが、米大学の研究で明らかになった。鍵を握るのは、グラフェンの「ゆらぎ」だ。

ミクロの世界は、われわれを「ゆらぎ」の世界へといざなってくれる。液体の中にある微粒子を顕微鏡で見てみると、それらは生物のようにゆらゆらと不規則にうごめいて見えるはずだ。その理由は、熱運動する原子や分子が、溶媒中の微粒子と常にぶつかり合っているからだという。

この無尽蔵の「ゆらぎ」は、もしかすると人類に究極のクリーンエネルギーを提供してくれる鍵となるかもしれない。米アーカンソー大学の物理学者チームが、グラフェンの持つ特徴的な「ゆらぎ」から、エネルギーを取り出すことができるという強力な証拠を発見したのだ。

■2次元グラフェンの存在を可能にする「ゆらぎ」

鉛筆の芯の材料であるグラファイト（黒鉛）から生まれたことで知られるグラフェンは、軽くて薄く、そして強靱なことから「夢の素材」とも称される。これは蜂の巣のような六角形の構造が規則正しく平面上に繰り返された、2次元の原子シートである。ところがグラフェン自体、そもそも物理的に存在不可能な構造であるはずなのだという。

「グラフェンのように原子1個分の厚みをもつ平坦な素材とは、本質的にとても不安定で、超低温でも溶融してしまうはずなのです」と、米アーカンソー大学の物理学者ポール・ティバード教授は『WIRED』日本版の取材に説明する。これは「マーミン=ワグナーの定理」として知られている。「ですから、2004年のグラフェン発見は非常に驚くべきことでした」

ティバードをはじめとする研究チームは、2010年より“規格外の物質”であるグラフェンが存在しうる物理学の抜け穴を探し続けてきた。その結果、グラフェンは完全に平坦ではありえないことがわかってきたという。「2次元の素材は、存在するために波形で構成されていなければならないはずです」と、ティバードは言う。それも静止した状態ではなく、常に動き回るダイナミックなそれだ。つまりグラフェンは、熱運動により常に「ゆらいで」いるのである。

「この動きをブラウン運動といいます。実際にわたしたちの目でグラフェンの表面を見ることができたとすれば、海の表面のようだと形容できることでしょう。それらの波は不規則に上下したり、周期的に動いたりし、ときには表面を横切る“はぐれ波”のようなものもあります」

彼らは、走査トンネル顕微鏡を用いた実験と、シミュレーションを用いた理論的研究を経て、原子1個分のスケールでグラフェンの上下運動を監視できる技術を開発。まるで海面で上下するブイのように動くグラフェンの高さと時間データセットから速度を計算し、速度分布率を作成した。

するとこのデータから、グラフェンは思いもよらないスピードで上下していることがわかった。それらの動きはブラウン運動の「ゆらぎ」に加えて、さらに大きい高さをもつものだった。物理学ではこの現象をレヴィ飛翔と呼んでいるが、この非常に珍しい現象が、グラフェンでは毎秒何百回も起こっていたのだという。

「この謎を解明するのがわれわれのブレークスルーの鍵でした」と、ティバードは説明する。「最先端の分子動力学シミュレーションによって、グラフェンは単に振動しているだけではなく、波形に湾曲したグラフェンが凸面から凹面に反転することがわかったのです」

ひとつの波形には数千の原子が含まれており、反転時にはそれらがすべて一団となって動く。この非常に迅速に起こる反転が、グラフェンの上下運動が高速で起こる現象のメカニズムなのだ。これらが詳しく説明されている一連の研究内容は学術誌「Physical Review Letter」にて発表されている（ティバード教授は同論文のPDFファイルを公開している）

>>2につづく
https://wired.jp/2017/12/19/energy-from-graphene/