炭素材料発展の起爆剤にノーベル賞！フラーレン発見はなぜすごい？
フラーレンって、なぜノーベル賞を取るほどすごいんでしょうか？
先日、僕がやっている理系とーくバーで、ノーベル賞126年分・355研究を振り返りました。
そのときに、フラーレンはなぜ受賞したのか、炭素材料はなぜ強いのか、というご質問をいただいたんです。
今回は、その話をしてみます。
フラーレンの発見が、炭素でどんなものを作れるのかという研究を広げました。
僕は、炭素材料の発展の〝起爆剤〟になった発見だと思っています。
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同じ炭素でも、立体・シート・ボールになる
炭素だけでできている物質として、ダイヤモンドとグラファイト（黒鉛）がよく知られています。
ダイヤモンドは、とても硬いですよね。
炭素原子どうしが立体的につながって、全体に網目が広がっています。
イメージとしては、テトラポッドのように四方へ伸びるつながりが、きれいに組み合わさっている感じです。
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一方、鉛筆の芯にも使われるグラファイトは、炭素が六角形の網目を作り、そのシートが何層も重なった構造です。
このシート1枚を取り出したものが、グラフェン。
グラファイトとグラフェンは、名前も似ていますが、重なったものと1枚のシートという違いがあります。
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そこへ登場したのが、フラーレンです。
代表的なC60は、炭素原子60個がサッカーボール状につながった分子。
六角形だけでなく五角形も組み合わさって、閉じたかごのような形をしています。
立体的な網目や、平らなシートとは、ずいぶん違いますよね。
炭素だけで、こんな形の分子までできる。
まず、この構造そのものが面白いですよね。
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新しい形の発見が、次の研究を生む
フラーレンの発見に贈られたのは、1996年のノーベル化学賞です。
発見されたのは1985年で、受賞までは11年あります。
授賞理由は、フラーレンの発見。
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新しい分子が見つかると、その分子にどんな性質があるのかを調べられます。
別の原子を中へ入れたり、分子に手を加えたりすれば、性質がどう変わるのかも研究できますよね。
サッカーボールの形が見つかったことで、いろいろな研究の入口ができたわけです。
僕が〝起爆剤〟と呼びたいのは、そこですね。
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炭素材料の話を続けると、カーボンナノチューブも出てきます。
こちらは、炭素の六角形の網目が筒状になったもの。
イメージとしては、フラーレンのボールを引き伸ばした形です。
球、筒、シート。
同じ炭素だけでも、形を変えると研究できることが広がっていく。
炭素材料の発展を、この流れで見ると面白くないですか？
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ナノチューブは、なぜ軽くて強いのか
では、カーボンナノチューブはなぜ強いのでしょうか？
筒の壁では、炭素原子どうしが〝共有結合〟という強い結合でつながっています。
原子どうしがしっかりつながった網目で、筒ができているんですね。
だから、筒を折ろうとしても、なかなか折れません。
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さらに、その筒が束になると、もっと折れにくくなります。
筒と筒がくっついている面が大きいほど、分子どうしが強く引き合うからです。
この引き合う力は、ファンデルワールス力と呼ばれています。
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強い素材といえば、金属もありますよね。
金属は、原子と原子が自由電子によって接着されているようなイメージです。
自由という名前のとおりで、力が加わると原子の位置が入れ替わります。
だから、叩くと伸びて、薄い板にもなる。
曲がりやすいのも、同じ理由です。
一方のナノチューブは、長い分子が束になっているので、叩いても原子が入れ替わったりしにくい。
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軽いほうは、形で説明できます。
筒なので、中が空いているんですね。
だから、強い割に軽い。
軽くて強い材料が増えれば、飛行機のような乗り物を軽くすることにもつなげられます。
同じものを、より軽い材料で作れたらどうなるか。
燃料や、運べるものの量にも関わってきますよね。
分子の形の話から、僕たちが使うものの話へつながっていく。
こういうところも、材料の科学の面白さだと思います。
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まとめ：炭素の〝形〟から、研究の広がりを見る
フラーレンは、炭素が閉じたかご状につながる、新しい分子の発見でした。
代表的なC60はサッカーボール型。
その発見が、炭素からどんな構造や性質を作れるのかという研究を広げました。
名前と受賞年だけでなく、発見の前後で何が広がったのかまで見ると、ノーベル賞の研究も楽しみやすくなると思います。
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次にできること
あなたは、フラーレンのどこが気になりましたか？
サッカーボールの形になるところでも、炭素だけで性質が変わるところでも大丈夫です。
僕は、こういう科学のおしゃべりができる場として、理系とーくバーをやっています。
京都駅から徒歩5分の、理系とーくバー京都駅店です。
京都まで来られない方には、そのときだけ参加できる、アーカイブなしの無料Zoom配信もあります。
気になった研究について、一緒に話しましょう。
