社会の発展と継続的な技術進歩により、ユニークな特性を持つ多くの新しい素材が発見され、急速に人気を集めています。
これらの材料を紹介する際、特に専門家の間では、人々はしばしばそれらを「21世紀の最も有望な材料」または「世紀を定義する材料」と呼び、将来の材料を形作る上での戦略的重要性を強調します。 新しい材料技術.
しかし、それらは本当にそのような称号に値するのでしょうか？これらの素材を詳しく見て、新素材という観点からその可能性を評価してみましょう。
グラフェン
2004 年、アンドリュー・ガイム、コンスタンチン・ノボセロフ、およびその同僚は、機械的剥離法を用いて薄片状グラファイトから単層グラフェンを分離することに成功しました。
この画期的な出来事は、いわゆる 「新素材の王」 グラフェンの並外れた電気的、機械的、熱的特性を明らかにしました。
グラフェンは密集した炭素原子で構成された二次元結晶です。
これは現在知られているナノマテリアルの中で最も薄く、最も強力なものの 1 つです。
超薄型、超軽量、優れた柔軟性、極めて高い強度、優れた導電性、優れた熱伝導性、高い光透過性を備えています。
高い電子移動度、低い抵抗率、優れた機械的強度、優れた放熱性を兼ね備えたグラフェンは、エレクトロニクス、光学、磁気、バイオメディカル、触媒、エネルギー貯蔵、センサーの分野で大きな可能性を示しています。
これは、将来のハイテク競争を形作る重要な材料として広く認識されています。
カーボンファイバー
炭素繊維は、先端材料分野におけるもう一つの有力な新素材です。炭素繊維は、有機繊維を不活性雰囲気下で高温炭化し、炭素以外の元素を除去することで製造されます。
よく言われる 「黒い金」 産業界では、炭素繊維は鋼鉄の 5 ～ 8 倍の強度を持ちながら、重さはわずか 4 分の 1 です。
高強度、低密度、耐高温性、耐腐食性が特徴です。
炭素繊維は軽量補強に適した素材であり、国家経済と防衛産業にとって戦略的な資源と考えられています。
カーボンナノチューブ
1991 年に発見されて以来、カーボンナノチューブは主要な研究対象であり続けています。
世界中の科学者が、その熱的および電気的特性について広範囲に研究してきました。カーボンナノチューブは、単層または多層のグラフェンシートを巻くことで形成されます。
ナノチューブは、単層、二層、多層ナノチューブに分類できます。
カーボンナノチューブは極めて小さいため、細胞内に侵入することも可能です。その独特な構造により、並外れた機械的強度、非常に高いキャリア移動度、調整可能なバンドギャップ、優れた熱性能、光学的・電気的特性、そして化学的安定性を備えています。これらの利点を組み合わせることで、カーボンナノチューブは工学材料、電子デバイス、エネルギー貯蔵、光検出器、そして生物医学的用途において大きな可能性を秘めています。
ダイヤモンド
ダイヤモンドはモース硬度 10 を持つ、自然界に存在する物質の中で最も硬い物質として知られています。
材料加工において、ダイヤモンドはほぼ比類のない性能を誇ります。また、ダイヤモンドは自然界で最も高い熱伝導率の一つであり、200～2200 W/(m·K)の範囲を誇ります。さらに、ダイヤモンドはバンドギャップが5.5 eVの超ワイドバンドギャップ半導体です。
ダイヤモンドは、高い電子移動度、高い飽和速度、極めて高い破壊電界強度、そして並外れた熱伝導率を特徴としています。ダイヤモンドパワーデバイスのジョンソン性能指数は、炭化ケイ素（SiC）の約10倍です。
SiCおよびGaNパワーエレクトロニクスが成熟するにつれ、新たな需要が次世代パワーデバイスの開発を牽引しています。ダイヤモンドは、高出力、高周波、高温、低損失の電子デバイスにとって最も有望な材料として広く認識されており、 「究極の半導体」。
炭化ケイ素（SiC）
シリコンカーバイドは現在、最も成熟した第 3 世代の半導体材料です。
近年、SiCは驚異的な勢いを増しています。世界的な「デュアルカーボン」戦略の下、SiCは新エネルギー車、太陽光発電、エネルギー貯蔵産業と深く結びついています。その結果、SiCは「半導体材料」としてよく知られています。 「離陸します。」
先端セラミックス
アドバンストセラミックス（ファインセラミックス、テクニカルセラミックス、高性能セラミックスとも呼ばれる）は、金属やポリマーと並んで、固体材料の3大カテゴリーの一つです。アドバンストセラミックスは単一の材料を指すのではなく、幅広いグループを包含しています。その多くは、優れた機械的特性、音響特性、光学特性、熱特性、電気的特性、生物学的特性を示します。
セラミックスは航空宇宙、電子情報、生物医学工学、ハイエンド機器製造など、幅広い分野で利用されています。20世紀初頭には既に自動車のスパークプラグに利用されていましたが、その可能性は拡大し続けています。従来の機械部品から新エネルギー車、半導体装置に至るまで、先端セラミックスの未来は未知数です。
超伝導材料
超伝導材料は、ある臨界温度以下では電気抵抗がゼロになります。その3つの特徴的な特性、すなわちゼロ抵抗、完全反磁性、そしてトンネル効果は、世界的な注目を集めています。最もよく知られている用途は送電網です。抵抗がなくなるため、送電損失は10～20%も削減され、大幅な省エネにつながります。
エアロゲル
エアロゲルは、ナノ多孔質ネットワーク構造を持つ軽量の固体材料です。
よく呼ばれる 「固い煙」 最大99.8%の空気で構成されています。非常に高い多孔性、大きな比表面積、超低密度、そして非常に低い熱伝導率を特徴としています。
つまり、超軽量、超高強度、そして優れた断熱性を備えています。エアロゲルは触媒、断熱材、その他の高度な用途に広く使用されており、「魔法の素材」として知られています。
液体金属
液体金属とは、融点が室温付近または室温以下の金属または合金を指します。
液体金属は常温またはわずかに高い温度でも液体のままです。代表的な例としては、水銀（Hg）、ガリウム（Ga）、ルビジウム（Rb）、セシウム（Cs）などが挙げられます。液体金属は、既知の液体材料の中で最も優れた電気伝導性と熱伝導性を有しています。金属的な性質と流体挙動を併せ持つため、多用途で多機能な材料となっています。
金属有機構造体（MOF）
近年、金属有機構造体（MOF）は、結晶性多孔質材料の新たなカテゴリーとして登場し、世界中で大きな注目を集めています。ゼオライトや活性炭といった従来の多孔質材料とは異なり、MOFは金属イオンまたはクラスターと有機リガンドが配位結合を介して自己組織化することで形成されます。
このユニークな構造により、MOF は高い構造秩序と調整可能性を獲得し、多様な特性と機能を実現します。
軽量合金
チタン合金は、高強度、優れた延性、耐食性、非磁性といった特性を備えています。軽量合金には、チタン合金に加え、アルミニウム合金やマグネシウム合金も含まれます。アルミニウム合金は数十年にわたり、自動車や船舶に広く使用されてきました。マグネシウム合金は、実用化されている構造用金属の中で最も軽量であり、車両の軽量化において最も重要な材料の一つと考えられています。
ポリエーテルエーテルケトン（PEEK）
ポリエーテルエーテルケトン（PEEK）は、線状、半結晶性の高性能熱可塑性樹脂であり、先端エンジニアリングポリマー分野における代表的な新素材です。その分子骨格は、ケトン基、エーテル結合、および芳香環から構成され、完全な芳香族構造を形成しています。PEEKは優れた機械的特性、熱安定性、耐薬品性を備えています。導入以来、防衛および航空宇宙用途における重要な新素材として認識されてきました。
薄膜ニオブ酸リチウム（LiNbO₃）
ニオブ酸リチウムは、リチウム、ニオブ、酸素からなる化合物です。強い自発分極と、強誘電体の中で最も高いキュリー温度を有する強誘電体結晶です。ニオブ酸リチウムは、強い電気光学効果、調整可能な特性、化学的安定性、そして広い光透過率を有します。
光通信がAIコンピューティングパワーの「ハイウェイ」だとすれば、薄膜ニオブ酸リチウム変調器は「超高速充電ステーション」です。これらはデータ伝送速度、効率、そして安定性を直接左右します。光通信とAIコンピューティングに加え、薄膜ニオブ酸リチウムはLiDAR、量子通信、超高速レーザーにおいても大きな可能性を秘めています。
量子材料
半導体が「必需品」だとすれば、量子材料は未来を象徴する存在です。量子コンピューティング、量子通信、量子センシングの基盤となる材料です。トポロジカル絶縁体や二次元材料といった材料は非常に有望視されています。しかし、商業化はまだ遠い将来です。今後10年間、量子材料は主に研究主導型であり、プロトタイプへの応用は限定的なものにとどまる可能性が高いでしょう。
4Dプリント材料
4Dプリンティングは、構造が時間の経過とともに形状を変化させることを可能にすることで、3Dプリンティングを拡張します。この変化は、材料設計と外部刺激によって制御されます。現在、4Dプリンティング技術は初期段階から中期段階にあります。今後5～10年以内に、フレキシブルエレクトロニクスと航空宇宙分野で大きなブレークスルーが期待されています。一般的な材料としては、形状記憶ポリマー、ハイドロゲル、液晶エラストマー、量子金属などが挙げられます。
ボロフェン
グラフェンは、単層のホウ素原子からなる二次元材料で、方向性導電性、高い引張強度、金属特性を備えています。その独特な構造により、エレクトロニクスおよび光学分野への応用が期待されています。例えば、エレクトロニクス分野では、電界効果トランジスタやセンサーにグラフェンが使用され、デバイスの性能と信頼性が向上します。光学分野では、光検出器や光変調器に使用され、デバイスの感度と応答速度が向上します。エネルギー分野では、バッテリーの電極やスーパーキャパシタに使用され、エネルギー密度とサイクル寿命が向上します。量子コンピューティング分野では、量子ビットや量子回路に使用され、量子コンピューティングの効率と安定性が向上します。
特殊グラファイト
特殊グラファイトは、高純度、高強度、高密度のグラファイトです。
新興産業において、かけがえのない戦略的資源であり、太陽光発電、半導体、新エネルギー電池、冶金、化学処理、機械、電子機器など、幅広く利用されています。
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— 投稿者 エミリー・チェン
