Understanding and control of electron and phonon transport in hierarchical structure of carbon nanotubes

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本申請研究では、カーボンナノチューブ(Carbon nanotube, CNT)のバンドル化や分子内包といった”複合ナノ構造化”によるナノレベルにおける物性変化がCNTバルク構造体の熱物性に与える波及効果に着目し、サスペンドマイクロ加工デバイスを用いたナノスケール熱伝導測定技術、および我々研究グループが新たに開発したバルクスケール四端子熱計測技術を利用した実証実験、および分子シミュレーションを融合させることで、ナノスケールの熱伝導性の変調メカニズムやバルク構造体への物性伝搬メカニズムの解明を目標として研究を遂行している。２年目は、1年目に得られた単一バンドルレベルでの熱伝導率の劣化がバルク構造体の熱伝導率に波及することで熱伝導率の低下を促進しているという知見に基づき、バルク線材を自前で製作するための技術開発と熱伝導率の劣化メカニズムの仮説の構築、および材料選定に着手した。まずCNTの線材化技術に関しては、研究室内にシリンジポンプと小型回転テーブルを組み合わせた自作システムを構築し、様々な分散剤、凝固剤を用いて線材開発に着手した。CNTを線材化させるためには、溶媒の粘性が重要な物性であり、また、分散溶媒のCNT濃度が線材密度と熱伝導性に密接に関与していることなどの重要な知見を見出した。また、CNTを分散させる過程で強い超音波処理を施した場合、平均長さの低下などの理由により、製作される線材の密度や熱伝導性が大きく低下することがわかった。これらの結果、CNTの湿式紡糸に良く利用されているコール酸ナトリウムなど界面活性剤を利用した水溶液の場合、溶解可能なCNT濃度に限界があり、分散溶媒は硫酸やクロロスルホン酸など広く利用されている強酸が利用可能な溶媒であること、それらの溶媒に対して更に平均長さの長い商用CNTを超音波処理を施さずにゆるやかに溶媒に分散させる必要があることを見出した。