2024/07/10

1.2.1 炭素原子の結合様式 図1.6をみて頂きたい。炭素原子はsp，sp2，sp3の3つの結合様式を有する。今更言うまでもないが，sp3炭素原子からはダイヤモンド，sp2原子から黒鉛（グラファイト）がつくられる。sp炭素原子は鎖状物質のカルビンを与える。カルビンは隕石中で発見されているが，物性測定が可能なサイズの試料は見つかっていないし，不安定なために合成されてもいない。このため性質はほとんど分かっていない。 ダイヤモンドは全物質の中でもっとも硬く，絶縁体である。黒鉛はまったく逆で，柔らかくて電気の良伝導体である。この両者が共に高い熱伝導性を示すのは，一見不思議に思われるかもしれない。両者の熱伝導のメカニズムが異なるためである。黒鉛の熱伝導が層間のπ電子の移動に基づくのに対し,ダイヤモンドのそれは格子振動に起因する。ダイヤモンドの結晶構造が剛直なためである。図1.7をみて頂きたい。sp2とsp3炭素原子のいろいろな割合で構造される炭素材料が示されている。sp2とsp3炭素原子の割合を変えることで多様な構造の炭素材料を調製でき，多様な性質や機能を生み出すことに繋がる。右の図は，左図で示した種々の炭素材料の硬度と電気比抵抗を示している。 図中のi-カーボンやダイヤモンドライクカーボン（DLC）はsp3炭素原子の割合が多い炭素材料である。ただし，ダイヤモンドと違って黒色で非晶質である...続きを読む »

2024/07/10

炭素材料の性質や機能には，炭素原子で構成される構造（高次構造）によるものの他に，炭素原子そのものに起因するものがある。最初に炭素原子に起因する炭素材料の性質からみることにする。 “炭素材料は軽い”。炭素材料の密度は最も大きな黒鉛でも2.26g/cm3に過ぎず，多くの炭素材料の密度は1～2g/cm3である。炭素は全元素中で6番目に軽い元素である。原子の充填の仕方にもよるが，一般に軽い元素でできた物質は軽い。ちなみに26番元素の鉄の密度は7.85 g/cm3，80番元素の水銀は13.59 g/cm3である。“炭素材料は強い”と言うと，首を傾げる人が多い。多分，バーベキューに使うような木炭や消し炭などが念頭にあるのだろう。木炭が脆いのは孔だらけの構造に起因する。表1.1に様々な結合の結合エネルギーを示した。C-Cの結合エネルギーは347.7kJ/molで，多々ある結合の中で中位の大きさである。二重結合や三重結合の結合エネルギーはそれぞれ607kJ/molと828kJ/molと格段に大きい。炭素材料の基本構造は炭素芳香族平面で,そこでの炭素原子間の結合エネルギーはC-CとC=Cのほぼ中間の474kJ/molである。 こうした大きな結合エネルギーも炭素原子に固有なものと言ってよいだろう。 もちろん，現実の材料の強度は構造欠陥や粒界などによって支配され，結合エネルギーが即そのまま材料の強度にな...続きを読む »

2024/07/10

炭素材料は、その名の通り「炭素」という1種類の元素で作られた材料です。しかし、本章を読んでいただければ分かるように、実に多様な構造を有しています。この多様な構造が、多様な性質や機能の発現をもたらし、多様な用途展開を可能にしています。「炭素」という1種類の元素から、なぜこれほど多様な構造が生まれるのでしょうか。炭素材料の最大の魅力と面白さは、この点にあります。 炭素材料の多様な構造はどこから来るのでしょうか？構造と性質の関係は？多様な構造を生み出す製法は？そして、発現する性質や機能に基づいた用途は？これらのことを知ることで、炭素材料の全体像を把握することができるでしょう。 炭素化や黒鉛化の話に入る前に、まずは炭素材料の概要を見てみましょう。...続きを読む »

2021/09/01

群馬大学尾崎研究室は炭素材料を専門に取り扱う研究室です．炭素材料は主成分が炭素原子であることから，一見単純な材料だと思われがちですが，実際には極めて多様な状態を取る複雑な材料です．そんな複雑な材料である炭素材料なわけですが，炭素材料を詳しく説明した情報はweb上には殆ど無く，情報を得るためには論文や書籍に頼らざるを得ない状況になっています．学生さんにとっては，論文を探すとか書籍を購入するのはなかなか難しいと思われます．尾崎研究室では炭素材料をより広くの学生，研究者の方に知って頂きたく考えており，当研究室webページに炭素材料入門と題しまして，炭素材料の概要，特性，合成，分析といった炭素材料に関する情報を掲載していくこととしました．本ページでは，炭素材料に関する基礎的な内容を主として取り扱いつつ，最新研究の情報も適宜掲載できればと考えています． 　読者の方々の理解の助けとなるよう，本ページの作成にあたり，図や表を多く取り入れるようにいたしますが，著作権の問題もあるため，多くの図や表は，ページ製作者が暇を見つけて独自に作ったものを載せています．本ページの図や表は基本的にはイメージ図であるとお考え下さい．また，本ページの情報を他の論文等に引用することは避けて頂けますようお願いします． 　本ページは，群馬大学名誉教授の大谷朝男先生がご執筆された“炭素材料入門”を参考に作成しています．以下に...続きを読む »