グラフェン

鉛筆で紙にサラサラと文字を書くとき、紙に残る黒い粉は「黒鉛（グラファイト）」という物質です。黒鉛は、炭素原子でできた薄い板が本棚の本のページのように何万層も積み重なった構造をしています。紙にペン先を走らせると、この層同士が滑り落ちて紙に移ることで文字が書けるのです。

科学者たちは長い間、この黒鉛という巨大な本から「たった1ページ」だけを綺麗に剥がし取りたいと考えていました。しかし、厚さが原子1個分しかない膜はあまりに薄く、空気中に出した瞬間に丸まったり崩れたりしてしまうというのが、当時の科学界の常識でした。

ところが2004年、研究チームは文房具のセロハンテープを使ってこの常識を鮮やかに打ち破りました。テープに黒鉛のかけらを貼り付けては剥がす作業を根気強く繰り返した結果、ついにこれ以上分けられない原子1層分の厚さの炭素膜を取り出すことに成功したのです。

グラフェンを超高性能な顕微鏡で観察すると、金網や蜂の巣のように正六角形がどこまでも連なる様子が見られます。それぞれの炭素原子が隣り合う3つの炭素原子と平面上で強固に手をつなぎ合っている形です。化学的に見ても、炭素同士の結合は自然界で最も強い部類に入ります。

この完璧な六角形ネットワークのおかげで、グラフェンは信じられないほどの力に耐えることができます。欠陥のない理想的なグラフェンは、同じ厚さの鋼鉄に比べて100〜200倍ほど強いと測定されています。ダイヤモンドに匹敵する強度を持ちながら、紙のように曲げたり折ったりでき、多少（およそ20％前後）伸ばしても千切れない柔軟性まで兼ね備えているのです。

水や気体の分子でさえ、この緻密な網目を通り抜けることはできません。透明でありながら極めて破れにくいため、自在に折り曲げられるウェアラブル機器や未来のディスプレイを支える「夢の素材」として注目されています。

もう少し詳しく言うと、グラフェンが真の革命と呼ばれる理由は、電気を操るずば抜けた性質にあります。グラフェン特有の炭素構造により、内部の電子はまるで質量がない粒子のように振る舞います。光速とまではいかなくても散乱が極めて少ないため、従来の半導体より圧倒的に速く移動できるのです。その結果、欠陥がほとんどない高品質なグラフェンでは、電子移動度がシリコンの100倍以上高く測定されることもあり、銅よりもはるかに大きな電流密度に耐えられます。ただし実際の素子では基板や欠陥の影響で移動度はこれより低下します。また、熱を伝える能力も既知の物質の中でトップクラスです。

しかし、今すぐあらゆる電子機器に使えないのには理由があります。コンピュータのチップに使われる半導体には、電流を流したり止めたりする「オン・オフのスイッチ」機能が欠かせませんが、グラフェンには電流を遮断するために必要なエネルギーの隙間（バンドギャップ）がないため、流れを完全に止めるのが難しいのです。

さらに、傷ひとつない高品質なグラフェンを大面積かつ低コストで大量生産することも、現在の技術では依然として高いハードルです。現在、科学者たちはバンドギャップを作り出す方法や量産技術の研究を進めており、これとは別にバッテリーやセンサーなどへの応用研究も活発に行われています。