碳纳米管(CNT)诞生于1991年。如今,CNT终于看到了全面投入量产,实现实用化的希望。CNT从发现之初就是备受关注的“梦之材料”,迄今为止,每年发表的研究论文都多达数千篇,但是,由于其中还存在若干重大课题,一直难以实现实用化。就在CNT原地踏步的时候,同为碳材料的富勒烯(C60),以及“发现”更晚的石墨烯登上舞台,发现者均获得了诺贝尔奖。CNT的发展落在了后面,虽然距离其发现已经过了21年,但CNT的实用化事例极其有限,只在近期作为了网球拍的框架材料,也就是碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)的添加剂。
CNT的实用化之所以进展迟缓,是因为存在非常多的课题。其中,最重大的课题之一是缺乏高纯度CNT的量产技术。虽然已开发出了使用化学气相沉积(CVD)法的生产方法,但金属催化剂等杂质大量残留的问题一直没能解决。使用普通的CVD法时,金属催化剂甚至会占到生成物整体的7成(重量比)。不过,借助日本产业技术综合研究所在2004年开发的“超速成长法(Super Growth)”,单层CNT(SWNT)的纯度问题已经得到了大幅改善。凭借日本瑞翁公司(Zeon)对量产技术的不断研究,如今产品的纯度似乎已经达到了99.98%。多层CNT(MWNT)的生产方法也在改进之中,量产产品纯度达到95%也已经不再稀奇。
随着量产的开展,CNT的另一个重大课题——价格也在大幅下滑。在2005年左右,CNT的价格高达每克10万日元以上,而且还是有很多杂质的。这样的话,即使研究室得到的结果再有希望,也无法应用于产业用途。但在最近,MWNT的量产进步显著,比利时Nanocyl等公司的年产规模甚至达到了400t。因此,MWNT的价格降到了每千克1万日元左右,仅为2005年的万分之一。与太阳能电池等产品相同,中国企业也在纷纷参与MWNT生产,今后,MWNT的价格估计还会继续滑落。虽然SWNT的量产,特别是使用超速成长法的量产尚未展开,但其市场期待已经超过了MWNT。
其实,SWNT也存在其特有的课题,那就是金属型与半导体型CNT混合的问题。SWNT根据碳原子六元环,也就是“网”的连接方式(手性)的差别,分为金属型的CNT与半导体型的CNT两种。而且在制造时,金属型与半导体型CNT混杂在一起,这是把SWNT作为半导体使用的重大障碍。在此之前,CNT的应用之所以局限于CFRP等非电子元器件,以及电子元器件中蓄电池、电容器电极材料等比较简单的导电材料,正是出于这个原因。但在最近,这项课题的解决已有了眉目,虽然分别来制造金属型CNT与半导体型CNT的技术还不存在,但能够在室温下简单分离二者的技术已经问世。今后,SWNT在半导体领域的应用也有望扩大。
但CNT还有其他一些问题,例如,有观点指出CNT与石棉一样会危害健康、因为难以分散于水等溶剂而不易处理等。不过,随着危害健康的条件逐渐明朗,以及使CNT在分散时不受到破坏的方法问世,这些课题也即将得到解决。
最后的课题是用途。在此之前,CNT最多只是用作CFRP添加剂,但随着其价格的下跌,CNT非常有望用作蓄电池或超级电容器的部分电极材料。对于企业而言,如今正是决定是否为该用途投资建设制造设备的关键时期。
虽然CNT面临着诸多课题,但大多数课题都有了解决之道,其优越性能可以发挥的日子为期不远。特别值得提出的是,日本的研究者和技术人员在从CNT的发现到CVD法的开发到诸多课题的解决上所做出的卓越贡献。2012年3月,被誉为“工程学诺贝尔奖”的“Queen Elizabeth Prize for Engineering”(伊丽莎白女王工程将)也已设立,笔者预感,今后这些研究者和技术人员将会以某种形式为人们所瞩目。(记者:野泽 哲生,《日经电子》)