紡績可能なカーボンナノチューブアレイー高性能人工筋肉およびエネルギーハーベスタへの応用
Na Li, Ph.D.
Global Product Manager for Electronic Materials
紡績可能なカーボンナノチューブアレイ
紡績可能なカーボンナノチューブ（CNT：carbon nanotube）アレイは、化学蒸着（CVD：chemical vapor deposition）プロセスにより基板上に個々のナノチューブが整列し垂直に成長した特殊なタイプのCNTフォレストです。最も驚くべきことには、隣接するCNT間に確立された繊細な相互作用の結果として、巨視的に整列された純度の高い純粋なCNTシートを、基板に対して平行にアレイから連続的に紡ぎだすことができます（図1）。
図1紡績可能なカーボンナノチューブアレイからCNTシートを側面から紡ぎ出した状態のSEM像
使用可能な形態に加工する前に集中的かつしばしば破壊的な後処理を必要とする他の形態のCNTとは異なり、紡績可能なCNTアレイは、未処理のCNTの特性を劣化させることなく、配列したシート（フィルム）、撚りを加えた繊維、およびコンフォーマルなコーティング等にCNTを加工するための容易な方法を提供します。アレイ内の典型的な個々のCNTは、非常に大きなアスペクト比（約5万）と強い異方性を有しており、多層CNTの外径は約20 nm（図2）、長さは約1 mmです。
図2紡績可能なCNTアレイの典型的なカーボンナノチューブのTEM画像
撚りおよびコイル状カーボンナノチューブヤーン
らせん構造は、天の川の渦巻き状の腕からわれわれの細胞のDNAの二重らせんまで、自然界によく見ることができます。キラルな渦様構造は特定の方向に沿って形成されます。この概念に従うと、紡ぎだしたCNTシート（何百万もの整列したカーボンナノチューブから構成されます）、またはこのようなCNTシートの複数の積層体に、撚りをかけることにより、CNTがらせん状に巻き取られ、密にねじれた糸（図3）に圧縮されます。カーボンナノチューブ自体は異方性が高く、長さに沿った強度は直径に沿った強度よりもはるかに大きく、得られるねじれたCNTヤーン（糸）はらせん状で高い異方性を示します。このことは、重要な現象をもたらします。つまり、このような紡糸システムにおいて体積膨張が生じると、それはもはや等方的ではなくなり、体積膨張は、その長さを伸長させるのではなく、主に糸の直径を増加させるために拡大し(糸のバイアス角度がマジック角約55°以下の場合)、代わりに長さに沿って収縮を引き起こすことがしばしばあります。
図3アレイから紡ぎだした状態のCNTシートへ撚りをかけて作り出したCNTヤーンのSEM画像
この螺旋状に撚ったCNTヤーンは、さらに撚りをかけたり、マンドレルに巻き付けることにより、古い電話コードもしくは金属製スプリングのような密に巻かれた構造（図4）に成形することができます。
図4撚ったCNT糸にさらに撚りを加えることにより得られたコイル状CNTヤーンのSEM画像
人工筋肉:生命のような力を超えて
人工筋肉は外部刺激に応答して形状を変化させるスマートアクチュエータ材料であり、天然の筋肉の挙動を模倣して機械的仕事を行います。人工筋繊維は将来、従来のロボット工学で使われていた小型化が難しいモーターや大型の油圧アクチュエータに取って代わり、ロボットをより人間に近いものにし、人とロボット間のより安全な相互関係を可能にするかもしれません。近年、上述した撚りおよびコイル状のCNTヤーンは、強力な働きをする人工筋繊維として有望視されており、様々な点で天然の筋肉を凌駕しています。
図5天然骨格筋の構造図
CNTヤーンを撚り合わせてコイル状にした人工筋肉には、ねじり（torsional）人工筋肉と引張（tensile）人工筋肉の2種類があります。
CNTヤーンを作動させると、象の鼻のように、より高い回転ストロークと速度で人工筋肉が回転します。2011年の報告では、直径12 μmのCNTの撚糸を電解液に半浸漬し、電気化学的に帯電させることで、250°/mmの回転速度（最高590 rpm）が得られています1。パラフィンワックスのような体積膨張性ゲストを浸透させると、ワックス−ハイブリッドCNTヤーンは最大11500 rpmの速度で回転し、大型電気モーターに匹敵する重量トルクを与え、劣化の兆候なしに約200万回サイクルしました2。
引張CNTヤーン人工筋肉はヒト骨格筋と最も類似した挙動を示しますが、同じサイズと重量の天然筋線維より大きな力とパワーが得られます。2012年の研究では、CNTヤーンは、極度にねじった後に、自発的にコイルを形成するほどの引張アクチュエーションを示しました（図4）。コイル状CNTヤーンは、不活性環境下で白熱電球温度まで電気加熱すると、約7.3%の引張収縮を示しました。さらに、大きな熱膨張係数を有するゲスト材料をCNT糸に浸透させると、作動に必要な温度が低下しました。コイル状CNTヤーンにパラフィンワックスを浸透させ、200°Cに加熱した場合、5%以上の収縮ストロークを示しました2。
より最近では、コイル状のシリコーンゴム含浸CNTヤーンは、電気的に加熱された場合には34%を超える引張ストロークを示し、溶媒吸収によって作動させた場合には50%の引張ストロークが可能であることが見出されています。収縮中に、コイル状CNTヤーンは、天然骨格筋の50倍以上の比仕事量2.48 kJ/kgを生じ、全サイクルを通して平均27.9 kW/kgの力を生じ、天然骨格筋の約80倍でした。このヤーンを用いて100万回以上の可逆サイクルを行いましたが、劣化の兆候は見られませんでした。
ゲストとして異なる刺激応答性の体積変化材料を選択することにより、温度、湿度、光の波長、および抗原-抗体認識を介した特異的抗原の存在のようなキューにおける異なる変化に応答するスマートハイブリッドCNTヤーンのねじれおよび引張筋肉のエンジニアリングが可能となります2-6。同様の原理を適用して、環境変化に対応して気孔率を調整するスマートテキスタイルの製造のために、異方性を持つ撚り及びコイル状ポリマー繊維を製造することができます7,8。
カーボンナノチューブヤーン エネルギーハーベスタ：Artificial Muscle in Reverse
ねじれたコイル状のカーボンナノチューブヤーン人工筋肉は、さまざまなエネルギー源を機械的エネルギーに変換することによって機能します。例えば、電気化学的に作動するCNTヤーンは、電気を収縮および回転運動に変換します。代わりに、撚った、あるいはコイル状に巻いたカーボンナノチューブヤーンを変形させて発電することは可能なのでしょうか？
実際、コイル状のカーボンナノチューブヤーンを延伸して解放するか、または電解質内で撚ったCNTヤーンを解撚することにより、可逆的な開回路電圧変化を測定することができます。短絡すると、機械的エネルギーを電気に変換する可逆的な電流変化が得られます9。図6は、0.1 M HCl電解液に浸漬されたコイル状CNTヤーンを引き伸ばすことによる外部回路内のLED電球の点灯に成功した例を示しています。興味深いことに、動作するためにキロボルトのバイアス電圧を必要とする従来の誘電性エラストマ機械的エネルギーハーベスタとは異なり、CNTヤーンを電解質に浸漬することで機械的エネルギーをハーベスティングするのに十分な電気化学的電位差が得られるので、この電気化学的プロセスは追加的な印加バイアス電圧を必要としません。
図6外部回路のLEDライトは、電解液中でコイル状CNTヤーンを伸ばして電圧を上げることで点灯します。
観察された機械的エネルギーは、伸張‐解放過程中のコイル状CNTヤーンの可逆的な電気化学的容量変化から得られます。ヤーンの螺旋および異方性の性質のために、引き伸ばされると、コイル状ヤーンの長さの増加は、構成する撚りCNTヤーンのup-twistに効果的に変換され、大きなトルクおよび直径の減少を引き起こします。この内部応力がCNTを軸方向に変形させ、同一バンドル内の隣接CNTの表面エネルギーを最小化することを観測しました。電気化学的にアクセス可能な表面積の減少は、電気化学的キャパシタンスの減少に対応します。実験的には、キャパシタンスは可逆的に70%未満まで減少し、電気が発生することが確認されました。
これらの撚りおよびコイル状のカーボンナノチューブヤーンによる機械的エネルギーハーベスタは、IoTにおける自己給電無線センサのための理想的なエネルギー源であり、何千ものセンサのために繰り返し電池を交換するという面倒な作業を省くことができます。また、人間の健康を監視するシステムに電力を供給したり、波からエネルギーを取り出したりすることも可能です。
要約すると、紡績可能なカーボンナノチューブアレイは、カーボンナノチューブおよび多機能CNT複合材料の実用化への扉を開き、刺激的な将来の革新を可能にします。
参考文献
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