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ガラス状炭素（ガラス質炭素またはガラス状炭素とも呼ばれる）は、非黒鉛化性炭素であり、ガラス質特性とセラミック特性を黒鉛の特性と併せ持つ。最も重要な特性は、高い熱安定性、高い熱伝導率、硬度（モース硬度7）、低密度、低い電気抵抗、低い摩擦係数、極めて高い耐薬品性、そして気体や液体に対する不透過性である。ガラス状炭素は、電気化学における電極材料、高温るつぼ、および一部の人工装具の構成要素として広く使用されている。様々な形状、サイズ、断面に加工することができる。
「ガラス質炭素」および「ガラス状炭素」という名称は商標登録されており、IUPACはこれらの名称を技術用語として使用することを推奨していません。[ 1 ]
ガラス状炭素の歴史的レビューが2021年に発表された。[ 2 ]
ガラス状炭素は、1950年代半ばに英国マンチェスターのカーボランダム社の研究所で、材料科学者でダイヤモンド技術者のバーナード・レッドファーンによって初めて観察されました。彼は、セラミック（ロケットノズル）サンプルを炉の床に固定するために使用していたセロテープが、不活性雰囲気で焼成された後、「元の形を保ったままの珍しい構造」に変化したことに気づきました。[ 3 ]彼はダイヤモンド構造を模倣するポリマーマトリックスを探し、特別な準備で触媒なしで硬化するレゾール樹脂を発見しました。このフェノール樹脂でるつぼが製造され、 UKAEAハーウェルなどの組織に配布されました。
レッドファーンは、ガラス状炭素の発明に関するすべての権利を正式に放棄したカーボランダム社を退社した。英国トウスターのプレッシー社の研究所で働いていたとき、レッドファーンは英国原子力公社から複製用のガラス状炭素るつぼを受け取った。彼は、炭化前の未硬化の原料に刻んだ印から、それが自分が作ったものであると特定した。完成品に刻むことはほぼ不可能である。同社はリッチボローに研究所を設立し、その後ノーサンプトンシャーのキャスウェルに恒久的な施設を設立し、そこはプレッシー・リサーチ・キャスウェル、そして後にアレン・クラーク・リサーチ・センターとなった。
ガラス質炭素は既成事実としてプレッシー社にもたらされた。ガラス質/ガラス状炭素の発明と製造におけるレッドファーンの貢献は、初期の論文の共著者として認められているが[ 4 ] 、その後のカウラードとルイスの出版物では彼への言及は明らかではなかった[ 5 ] 。オリジナルのボート型るつぼ、厚肉棒、前駆試料が存在する。
レッドファーンの英国特許出願は1960年1月11日に提出され、彼は1963年11月5日に付与された 米国特許第3109712A号の発明者であり、優先日は1960年1月11日、出願日は1961年1月9日である。 [ 6 ]これは取り消された英国特許の後に提出されたものである。この先行技術は、1987年5月26日のガラス質炭素に関する米国特許第4,668,496号では参照されていない。特許は「炭素質材料の本体および形状、ならびにそれらの製造方法」として提出され、製品に「ガラス質炭素」という名称が付けられたのはレッドファーンの息子によるものである。
ガラス状炭素は、熱核爆発システムの部品として研究されており、この材料に関する特許の少なくとも一部は、（国家安全保障上の理由から）1960年代に取り消された。
前駆体材料の大部分は、鋳造、成形、または機械加工によって所定の形状に加工された。大型のるつぼやその他の成形型も製造された。
炭化は2段階で行われた。この過程における収縮は相当な量（48.8%）であるが、完全に均一で予測可能である。ナットとボルトはポリマーの状態で適合するように作製でき、別々に、しかし同一の方法で加工することで、最終的に完璧な嵌合を実現できる。
初期の超高純度ガリウムヒ素（GaAs）試料の一部は、ガラス状炭素がGaAsと反応しないため、これらのるつぼでゾーン精製された。
ドーピングされた、あるいは不純物を含むガラス状炭素は、半導体現象を示す。
ウラン238を用いて、炭化ウランを介在させたガラス状炭素を実験規模で製造した。
2011年10月11日 、スタンフォード大学のウェンディ・L・マオ氏と彼女の大学院生であるユー・リン氏が率いるカーネギー地球物理学研究所の研究チームは、高圧下で形成された、ダイヤモンドと同等の硬度を持つ新しい形態のガラス状炭素（ダイヤモンドライクカーボンの一種）について報告した。しかし、ダイヤモンドとは異なり、その構造は非晶質炭素であるため、硬度は等方的である可能性がある。 2011年時点では、研究は継続中であった。[ 7 ]
ガラス質炭素は、網状ガラス質炭素（RVC）と呼ばれるフォームとしても製造できます。このフォームは、1960年代半ばから後半にかけて、断熱性のある微細多孔質ガラス質炭素電極材料として初めて開発されました。RVCフォームは、強度が高く、不活性で、電気伝導性および熱伝導性があり、耐腐食性に優れた多孔質炭素で、気体や流体の流れに対する抵抗が低いのが特徴です。これらの特性により、RVCは科学研究において、電気化学における三次元電極として最も広く使用されています。[ 8 ]さらに、RVCフォームは、非常に高い空隙率、高い表面積、および非酸化環境における非常に高い耐熱性を特徴としており、熱滅菌が可能で、生物学的応用における操作が容易になります。
ガラス状炭素の構造は、長年にわたり議論の的となってきた。
初期の構造モデルでは、sp 2結合原子と sp 3結合原子の両方が存在すると想定されていましたが、現在ではガラス状炭素は完全に sp 2であることがわかっています。最近の研究では、ガラス状炭素はフラーレンに関連する構造を持っていることが示唆されています。[ 9 ]
貝殻状断口を示す。
ガラス状炭素と非晶質炭素を混同しないように注意してください。これはIUPACからの引用です。
水溶液中のガラス状炭素電極（GCE）は、ヒドロニウムイオン還元に対して不活性な電極であると考えられている。[ 10 ]
プラチナ上での同様の反応：
2.1 Vの差は、共有結合であるPt-H結合を安定化させる白金の特性に起因する。[ 10 ]
特性としては、「耐高温性」、硬度（ モース硬度7）、低密度、低電気抵抗、低摩擦、低熱抵抗などが挙げられる。
ガラス状炭素は、その特殊な表面配向により、センサー製造用の電極材料として使用されています。カーボンペースト、ガラス状カーボンペースト、ガラス状カーボンなどの電極を修飾したものは、化学修飾電極と呼ばれます。[ 11 ]ガラス状炭素および炭素/炭素繊維複合材料は、生体適合性、安定性、および簡単な製造技術のため、歯科インプラントおよび心臓弁に使用されています。
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