2010年のノーベル物理学賞は、セロハンテープを使った単純な方法でグラフェンを発見したガイム教授とノボセロフ博士に授与されました 。この発見のきっかけは、研究室で捨てられたセロハンテープを観察したことでした。「実はセロハンテープはグラファイト表面のゴミをとるのに以前から使っていました」と、ノボセロフ教授は語っています 。
参考）ノーベル物理学賞ノボセロフ氏に聞く - 日本経済新聞
グラフェンの製造は驚くほど簡単で、鉛筆の芯（グラファイト）をセロハンテープに貼り付け、ペリペリと剥がすことを10回ほど繰り返すだけです 。この方法により、グラファイトの層構造から単層または数層のグラフェンが得られます 。youtube
参考）https://home.hiroshima-u.ac.jp/~yagi/opencampus.pdf
🔬 製造プロセス グラファイトの両面にスコッチテープを貼り付け、剥離を繰り返すことで最終的にグラフェンを得ることができます。テープには赤ラベルのスコッチテープが推奨されます 。
機械的剥離法（メカニカルエクスフォリエーション）は、グラフェン製造の最も基本的な方法です。高配向グラファイト（HOPG）にセロハンテープを押し付けて剥がすと、セロハンテープに薄いHOPGが付着し、その後シリコン基板に押し付けて再び剥がすことでグラフェンが得られます 。
参考）https://www.chart.co.jp/subject/rika/scnet/42/sc42-2.pdf
この方法の利点は、特別な装置を必要とせず、実験室レベルで簡単に実行できることです。ただし、大面積で均一なグラフェンの製造には限界があり、産業利用には他の方法が必要とされます 。
⚙️ 必要な材料
産業レベルでは、化学気相成長法（CVD）が主要な製造方法となっています。CVD装置にメタン・水素・アルゴン（CH4/H2/Ar）のガスを入れ、加熱されたウェーハ上でガスが化学反応を起こして炭素原子を析出し、グラフェン薄膜を形成します 。
参考）グラフェン - やさしい技術講座 : 富士通
銅などの金属触媒の表面で、メタンなどの炭素原料を1000℃前後で反応させてグラフェンを成長させます 。この方法により、30インチ規模の大面積グラフェン合成が可能となっていますが、結晶ドメインサイズは500nm〜1μm程度と小さく、品質の改善が課題となっています 。
参考）https://www.jstage.jst.go.jp/article/oubutsu/82/12/82_1030/_pdf
🏗️ CVD法の特徴
参考）グラフェンはどのように作られるのか？高品質グラフェンの製造に…
グラフェンは、発見された材料の中で最も強い材料の一つです。鋼鉄の数百倍の強度を持ち、最大引っ張り強度は鋼の100倍以上で、20％引き延ばしても結晶構造が壊れることはありません 。この優れた機械的性質は、炭素原子がハニカム格子状に強く結合した構造に由来します。
参考）ノーベル賞をセロハンテープと鉛筆で受賞
東北大学の研究では、ナノ多孔質グラフェンを用いて、極めて高い強度と延性を併せ持つ超軽量材料の開発に成功しています 。この材料は、グラフェンが面内張力に対して極めて強く、面外曲げに対して柔軟であることを利用しており、航空機産業や自動車産業での応用が期待されています。
参考）ナノ多孔質グラフェン: 高い強度と柔軟性を兼ね備える｜AIM…
⚡ 機械的特性
金属加工業界において、グラフェンは革命的な変化をもたらす可能性を秘めています。特に金属表面へのグラフェンコーティング技術では、金属サンプルを酸化グラフェン水溶液で被覆し、マイクロ波還元処理を行うことで、耐食性や電気特性を向上させることができます 。
参考）https://patents.google.com/patent/JP7096422B2/ja
グラフェンの高い導電性と機械的強度は、金属加工製品の性能向上に直接貢献します。また、その透明性と柔軟性により、従来の金属材料では実現困難だった新しい製品開発が可能となります 。
参考）グラフェンの基礎とデバイス開発の応用技術
製造プロセスの効率化においても、グラフェンの特性は大きな影響を与えます。エネルギー消費を大幅に削減し、二酸化炭素排出削減にも貢献することが期待され、持続可能な製造業の発展を後押しします 。
🔧 金属加工への応用例
グラフェンの産業実用化には、まだ多くの技術的課題が残されています。最大の課題は製造コストで、以前は数千万円/kgだった酸化グラフェンの製造コストが、革新的な方法により50万円/kgまで削減されています 。しかし、さらなるコスト削減が実用化の鍵となります。
参考）https://www.env.go.jp/earth/ondanka/cpttv_funds/pdf/db/204.pdf
品質の均一性も重要な課題です。現在のCVD法では、結晶ドメイン境界が電子輸送特性を低下させる要因となっており、金属触媒からの転写時にグラフェンに欠陥や不純物が導入されやすいという問題があります 。
参考）グラフェンとは？構造・グラファイトとの違いや製品を紹介
最新の研究では、WJM法（ウォータージェット製造法）と層間化合物法を組み合わせたハイブリッド製造技術により、グラフェン濃度を20倍の1.0 g/Lに向上させ、回収率80%以上を達成しています 。
参考）https://www.chusho.meti.go.jp/sapoin/index.php/cooperation/project/detail/4815
💡 解決への取り組み