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热电変换によって自动车の排気などの比较的低温の廃热を利用した発电は、新规のエネルギー有効利用技术として期待されているが、热电変换素子と高温?低温电极との接合部の劣化が装置设计の大きな问题となっている。この问题を解决できる素材として、机械的に柔软で高い热伝导率を有する単层カーボンナノチューブ(颁狈罢)の垂直配向膜の活用が期待されている。

© 丸山茂夫, （左図）単層CNTの垂直配向膜のイメージ図。ファンデルワールス力による単層CNTの引き裂きと絡み合いを表現している。（右図）単層CNTの垂直配向膜の内部構造

東京大学大学院工学系研究科　机械工学専攻の丸山茂夫教授らは、スタンフォード大学のケン?グッドソン教授らや中国中山大学の項 榮准教授との共同研究により、単層CNTの垂直配向膜の膜平面方向の弾性係数（材料の変形しにくさを表す値）が、「CNT束の引き裂きと絡みつき」によって決まることを見出した。膜の上部に存在するランダムな構造部分とそれ以外の高配向性の部分とで異なる力学特性を有していることが分かった。ランダム構造部分はCNTの曲げが弾性係数を決める主因であり、それ以外の高配向部分では、ファンデルワールス力（分子と分子の間に働く弱い力で、本研究では共有結合をしていない炭素原子間に働く力）によるCNT束の引き裂きと絡み合いが主な決定因子となっていることが明らかになった。本研究はこれまで単層CNTの垂直配向膜の微細構造の複雑さゆえに困難であった力学特性を、実験と粗視化分子動力学シミュレーションを組み合わせることにより解明した。

このような、単层颁狈罢膜の微细构造と弾性係数、热伝导率および导电率を结びつける解析技术は、透明かつ柔软な薄膜トランジスター、太阳电池や柔软な透明导电膜などの単层颁狈罢応用デバイスを设计する际の指针となることが期待される。

论文情报

Yoonjin Won, Yuan Gao, Matthew A. Panzer, Xiang Rong, Shigeo Maruyama、 Thomas W. Kenny, Wei Cai, Kenneth E. Goodson,
“Zipping, entanglement, and the elastic modulus of aligned single-walled carbon nanotube films”,
Proceedings of the National Academy of Sciences 2013, 110 (51), pp. 20347-20348. Online Edition: 2013/12/5, doi: 10.1073/pnas.1312253110.

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