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
紡績可能なカーボンナノチューブアレイ
引出し可能なカーボンナノチューブ（CNT）アレイは、特殊なタイプのCNTフォレストであり、個々のナノチューブが化学気相成長（CVD）プロセスによって基板上に垂直に整列して成長する。最も驚くべきことに、巨視的に整列した純粋なCNTシートは、隣接するCNTの間に生じる微妙な相互作用力の結果として、アレイから延伸方向と平行に連続的に引き出すことができる（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
使用可能な形状に組み立てる前に、集中的で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、ドローアブルCNTアレイは、原始的なCNTの特性を劣化させることなく、CNTを整列シート（フィルム）、撚り繊維、コンフォーマルコーティングに加工する簡単な方法を提供する。アレイ内の典型的な個々のCNTは、アスペクト比が非常に大きく（～50,000）、強い異方性を持つ。多層CNTの外径は～20nm（図2 ）、長さは～1mmである。
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、天の川のらせん腕から私たちの細胞のDNAの二重らせんまで、自然界でよく見られる。キラルな渦のような構造は、特定の方向に沿って形成される。このコンセプトに従い、数百万本のカーボンナノチューブが整列したCNTシート、またはそのようなCNTシートを複数枚積層したCNTシートに撚りを加えることで、CNTをらせん状に巻き、圧縮して高密度に撚られた糸にすることができる（図3 ）。カーボンナノチューブ自体は異方性が強く、その長さ方向の強度は直径方向よりもはるかに大きく、結果として得られる撚り糸はらせん状で異方性が強い。これは重要な現象につながります。このようなヤーンシステムで体積膨張が起こると、もはや等方性ではなくなり、体積は主にヤーンの直径を大きくするために膨張し、（ヤーンのバイアス角が〜55˚のマジックアングル以下の場合）むしろヤーンの長さを長くし、代わりに長さに沿って収縮を引き起こすことがよくあります。
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：本物そっくりのパワーを超えて
人工筋肉は、外部からの刺激に応じて形状を変化させ、自然の筋肉の挙動を模倣して機械的な仕事を行うスマートアクチュエーター素材である。人工筋繊維はいつの日か、従来のロボット工学で使われていた小型化しにくいモーターやかさばる油圧アクチュエーターに取って代わり、ロボットをより人間に近づけ、より安全なインタラクションを可能にするかもしれない。近年、上述の撚り糸やコイル状のCNT糸が、強力な働きをする有望な人工筋繊維として登場し、多くの点で天然の筋肉を凌駕さえしている。
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。
ねじり人工筋肉は、象の幹のようにCNTヤーンで作動させると回転し、回転ストロークと回転速度が大幅に向上する。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糸の人工筋肉は、人間の骨格筋と最もよく似た挙動を示すが、同じサイズと重量の天然筋繊維よりも大きな力とパワーを発揮する。2012年の研究では、CNTヤーンは極限まで撚られた後に引張力を発揮し、ヤーンは自発的にコイルを形成した（図4）。コイル状のCNTヤーンは、不活性環境下で白熱温度まで電熱加熱すると、約7.3％の引張収縮を示した。さらに、熱膨張係数の大きいゲスト材料をCNTヤーンに浸透させることで、作動に必要な温度を下げることができた。パラフィンワックスを浸透させたコイル状CNTヤーンは、200℃に加熱すると5％以上の収縮ストロークを実現した。2
さらに最近では、シリコーンゴムを浸透させたコイル状のCNTヤーンが、電熱で加熱すると34％以上、溶媒吸収で作動させると50％以上の引張ストロークをもたらすことが示された。収縮の際、コイル状のCNTヤーンは2.48kJ/kgの比仕事をもたらし、これは天然の骨格筋の50倍以上であり、全サイクルの平均パワーは27.9kW/kgで、天然の骨格筋の約80倍であった。この糸は100万回以上の可逆サイクルを繰り返しても、劣化の兆候は見られなかった。
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ー：人工筋肉を逆手に取る
カーボンナノチューブ糸を撚ってコイル状にした人工筋肉は、さまざまなエネルギー源を力学的エネルギーに変換することで機能する。例えば、電気化学的に作動するCNTヤーンは、電気を収縮と回転に変換する。カーボンナノチューブを撚ったり巻いたりした糸を変形させれば、発電できるのだろうか？
実際、コイル状に巻いたカーボンナノチューブ糸を伸ばしたり離したり、電解液中で撚ったCNT糸をほどくと、可逆的な開回路電圧の変化を測定することができる。9 図6 は、0.1 M HCl電解液に浸したコイル状CNTヤーンを引き伸ばすことで、外部回路中のLED電球の点灯に成功した様子を示している。興味深いことに、作動にキロボルトのバイアス電圧を必要とする従来の誘電エラストマー機械式エネルギーハーベスターとは異なり、この電気化学的プロセスは、電解液にCNTヤーンを浸すことで機械的エネルギーを収穫するのに十分な電気化学的電位差が得られるため、バイアス電圧を追加で印加する必要がない。
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の収穫は、伸張-解放過程におけるコイル状CNTヤーンの可逆的な電気化学的キャパシタンス変化によるものである。糸がらせん状で異方性であるため、延伸されると、コイル状の糸の長さの増加は、構成する撚りCNT糸のアップツイストに効果的に変換され、大きなトルクと直径の減少を引き起こす。この内部応力はCNTを軸方向に変形させ、同じバンドル内の隣接するCNTの表面エネルギーを最小にすることが観察されている。電気化学的にアクセス可能な表面積の減少は、電気化学キャパシタンスの減少に対応する。実験では、静電容量が可逆的に70％以下に減少し、発電することが測定された。
このような撚りコイル状のカーボンナノチューブ糸の機械的エネルギーハーベスターは、IoTの自己発電型ワイヤレスセンサーにとって理想的なエネルギー源であり、何千ものセンサーのために繰り返し電池を交換するという困難な作業を省くことができる。また、人間の健康監視システムに電力を供給したり、海の波からエネルギーを取り出したりすることもできる。
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。