ナノコンポジット

ナノコンポジットとは、多相固体材料であり、その相の1つが100ナノメートル（nm）未満の1次元、2次元、または3次元構造を持つか、あるいは材料を構成する異なる相間の繰り返し距離がナノスケールである構造を持つものである。

最も広い意味では、この定義には多孔質媒体、コロイド、ゲル、および共重合体が含まれますが、より一般的には、構造と化学の相違により特性が異なるバルクマトリックスとナノ次元相の固体の組み合わせを意味します。ナノコンポジットの機械的、電気的、熱的、光学的、電気化学的、触媒的特性は、構成材料のそれとは大きく異なります。これらの効果のサイズ制限が提案されています: ^{[ 1 ]}

1. 触媒活性は5  nm未満
2.  硬磁性材料を軟磁性にするには、20 nm未満で十分です。
3. 屈折率の変化は50  nm未満
4. 超常磁性の 実現、機械的強化、またはマトリックス転位移動の制限には、 100 nm未満の厚さが望ましい。

ナノコンポジットは、例えばアワビの殻や骨の構造など、自然界に存在します。ナノ粒子を豊富に含む材料の使用は、これらの材料の物理的および化学的性質の理解よりもずっと以前から行われていました。Jose-Yacamanら^{[ 2 ]}は、マヤブルーの塗料の色の深さと酸や生物腐食に対する耐性の起源を調査し、それをナノ粒子のメカニズムに起因するものとしました。1950 年代半ばから、ナノスケールの有機粘土は、ポリマー溶液の流れを制御するため (例えば、塗料の増粘剤として)、またはゲルの構成を制御するため (例えば、化粧品の増粘剤として、製剤を均質な状態に保つため) に使用されてきました。1970 年代には、ポリマー/粘土複合材料は教科書のトピックになっていましたが^{[ 3 ] [ 4 ]}、「ナノコンポジット」という用語は一般的には使用されていませんでした。

機械的観点から見ると、ナノコンポジットは、強化相の表面積対体積比が非常に高いこと、および/またはアスペクト比が非常に高いことから、従来の複合材料とは異なります。強化材料は、粒子（例：鉱物）、シート（例：剥離粘土スタック）、または繊維（例：カーボンナノチューブまたは電界紡糸繊維）で構成されます。^{[ 5 ]}マトリックスと強化相の界面の面積は、通常、従来の複合材料よりも1桁大きくなります。マトリックス材料の特性は、強化材の近傍で大きく影響を受けます。Ajayanら^{[ 6 ]}は、ポリマーナノコンポジットでは、局所化学、熱硬化度、ポリマー鎖の移動度、ポリマー鎖のコンフォメーション、ポリマー鎖の秩序度、または結晶化度に関連する特性が、強化材との界面からマトリックスのバルクまで大きく連続的に変化する可能性があると指摘しています。

この大きな補強表面積は、比較的少量のナノスケール補強材でも複合材料のマクロスケール特性に目に見える影響を与える可能性があることを意味します。たとえば、カーボンナノチューブを添加すると、電気伝導率と熱伝導率が向上します。他の種類のナノ粒子は、光学特性、誘電特性、耐熱性、または剛性、強度、耐摩耗性、耐損傷性などの機械的特性の向上をもたらす可能性があります。一般に、ナノ補強材は加工中にマトリックス中に分散されます。導入されるナノ粒子の重量パーセント（質量分率と呼ばれる）は、特に最も一般的に使用される非球形でアスペクト比の高い充填材（たとえば、粘土などのナノメートル厚の板状粒子、またはカーボンナノチューブなどのナノメートル径の円筒状粒子）の場合、充填材の浸透閾値が低いため、非常に低い値（0.5%～5%程度）にとどめることができます。非対称ナノ粒子の配向と配置、界面での熱特性の不一致、ナノコンポジットの単位体積あたりの界面密度、およびナノ粒子の多分散性は、ナノコンポジットの実効熱伝導率に大きく影響します。^{[ 7 ]}

セラミックマトリックス複合材料（CMC）は、セラミックマトリックスに埋め込まれたセラミック繊維から構成されます。マトリックスと繊維は、炭素や炭素繊維を含むあらゆるセラミック材料で構成できます。体積の大部分を占めるセラミックは、窒化物、ホウ化物、ケイ化物などの酸化物のグループに属することが多く、もう一方の成分は金属であることが多いです。理想的には、両方の成分が互いに微細に分散され、特定の光学的、電気的、磁気的特性^{[ 8 ]}、摩擦特性、耐食性、その他の保護特性[ ^{9 ]を引き出します。}

セラミック-金属ナノ複合材料を設計する際には、混合物の二元相図を考慮し、両成分間の化学反応を避けるための対策を講じる必要がある。最後の点は、セラミックと容易に反応して金属特性を失う可能性のある金属成分にとって特に重要である。セラミック成分の製造には一般的に高いプロセス温度が必要となるため、これは容易に遵守できる制約ではない。したがって、最も安全な対策は、混和しない金属相とセラミック相を慎重に選択することである。このような組み合わせの良い例として、TiO ₂とCuのセラミック-金属複合材料が挙げられる。これらの混合物は、Cu-O-Ti のギブスの三角形の広い領域で混和しないことがわかっている。^{[ 10 ]}

セラミックマトリックスナノコンポジットの概念は、基板上に堆積された数 nm から数十 μm の厚さの固体層である薄膜にも適用され、技術表面の機能化において重要な役割を果たしています。中空陰極法によるガスフロー スパッタリングは、ナノコンポジット層の作製に非常に効果的な技術であることが判明しました。このプロセスは真空ベースの堆積技術として動作し、数 μm/s までの高い堆積速度と気相でのナノ粒子の成長に関連しています。中空陰極法^{[ 11 ]}によりTiO ₂とCuからセラミック組成範囲のナノコンポジット層が作製され、高い機械的硬度、小さな摩擦係数、および高い耐食性を示しました。

金属マトリックスナノコンポジットは、強化金属マトリックス複合材料とも定義できます。このタイプの複合材料は、連続強化材料と非連続強化材料に分類できます。より重要なナノコンポジットの1つは、カーボンナノチューブ金属マトリックス複合材料です。これは、カーボンナノチューブ材料の高い引張強度と電気伝導性を活用するために開発されている新しい材料です。^{[ 12 ]}これらの分野で最適な特性を持つCNT-MMCを実現するには、(a)経済的に製造可能で、(b)金属マトリックス中にナノチューブが均一に分散し、(c)金属マトリックスとカーボンナノチューブの間に強力な界面接着をもたらす合成技術の開発が重要です。カーボンナノチューブ金属マトリックス複合材料に加えて、窒化ホウ素強化金属マトリックス複合材料と窒化炭素金属マトリックス複合材料は、金属マトリックスナノコンポジットの新しい研究分野です。^{[ 13 ]}

単層および多層強化ポリマー（ポリプロピレンフマル酸塩—PPF）ナノコンポジットとタングステンジスルフィドナノチューブ強化PPFナノコンポジットの機械的特性（ヤング率、圧縮降伏強度、曲げ弾性率、曲げ降伏強度）を比較した最近の研究では、タングステンジスルフィドナノチューブ強化PPFナノコンポジットは著しく高い機械的特性を有し、タングステンジスルフィドナノチューブはカーボンナノチューブよりも優れた強化剤であることが示唆されています。^{[ 14 ]} 機械的特性の向上は、ポリマーマトリックス中の無機ナノチューブの均一な分散（ミクロンサイズの凝集体として存在するカーボンナノチューブと比較して）と、タングステンジスルフィドナノチューブの存在下でのポリマーの架橋密度の増加（架橋密度の増加は機械的特性の向上につながる）に起因すると考えられます。これらの結果は、一般的に無機ナノ材料はカーボンナノチューブよりも優れた補強材となる可能性を示唆している。

もう1つのタイプのナノコンポジットは、一般的にシリカベースのハイブリッドゾルゲルである高エネルギーナノコンポジットであり、金属酸化物とナノスケールのアルミニウム粉末と組み合わせると、スーパーサーマイト材料を形成できます。^{[ 15 ] [ 16 ] [ 17 ] [ 18 ]}

最も単純なケースでは、ナノ粒子をポリマーマトリックスに適切に添加することで、ナノスケールフィラーの性質と特性を利用するだけで、その性能を劇的に向上させることができます^{[ 19 ]} (これらの材料は、ナノ充填ポリマー複合材料という用語でより適切に説明されます^{[ 19 ]} )。この戦略は、フィラーの均一な分散が達成され、ナノスケールフィラーの特性がマトリックスの特性と大きく異なるか優れている場合に、高性能複合材料を得るのに特に効果的です。すべてのナノ複合材料における分散の均一性は、熱力学的に駆動される相分離によって相殺されます。ナノスケールフィラーの凝集は、構造欠陥として機能し、破壊につながる凝集体を生成します。層状積層 (LbL) アセンブリでは、ナノ粒子とポリマーのナノメートルスケールの層が 1 つずつ追加されます。LbL 複合材料は、押出成形またはバッチ混合によって作られた従来のナノ複合材料よりも 10 ～ 1000 倍優れた性能パラメータを示します。

^{グラフェン[ 20 ]}、カーボンナノチューブ^{[ 21 ]} 、二硫化モリブデン、二硫化タングステンなどのナノ粒子は、骨組織工学用途向けの機械的に強い生分解性ポリマーナノ複合材料を製造するための強化剤として使用されています。これらのナノ粒子をポリマーマトリックスに低濃度（約0.2重量 %）で添加すると、ポリマーナノ複合材料の圧縮および曲げの機械的特性が大幅に向上します。^{[ 22 ] [ 23 ] [ 24 ]} これらのナノ複合材料は、骨インプラントとして、新しい機械的に強く軽量な複合材料として使用できる可能性があります。結果は、機械的強化が、ナノ構造の形態、欠陥、ポリマーマトリックス中のナノ材料の分散、およびポリマーの架橋密度に依存することを示唆しています。一般的に、二次元ナノ構造は一次元ナノ構造よりもポリマーをより良く強化することができ、無機ナノ材料は炭素系ナノ材料よりも優れた強化剤である。機械的特性に加えて、カーボンナノチューブまたはグラフェンをベースとしたポリマーナノコンポジットは、エネルギー変換および貯蔵、センシング、生体医療組織工学などの分野における幅広い高付加価値用途向けの機能性材料を生み出すために、さまざまな特性を向上させるために使用されてきた。^{[ 25 ]}例えば、多層カーボンナノチューブをベースとしたポリマーナノコンポジットは、電気伝導率の向上に使用されてきた。^{[ 26 ]}

ナノコンポジットの合成の代替ルートは、逐次浸透合成であり、気相前駆体がマトリックスに拡散してポリマー基板内に無機ナノ材料を成長させる。さらに、ナノコンポジットは、ポリマー材料上および内部でのナノ粒子のin situ生成によって調製することができ、このアプローチは、適切な前駆体を標的ナノ粒子に化学的に変換し、ナノハイブリッドシステムの構築と同期させる。^{[ 27 ]} in situで生成されたナノ粒子は、高分子鎖の活性部位で核生成および成長する傾向があり、ポリマーホストに対して強い接着性を示す。

複合材料中のフィラーのナノスケール分散または制御されたナノ構造は、未充填マトリックスには存在しない新しい物理的特性と新しい挙動をもたらす可能性があります。これは、元のマトリックスの性質を効果的に変化させます^{[ 19 ]} （このような複合材料は、真のナノ複合材料またはハイブリッドという用語でより適切に説明できます^{[ 19 ]}）。このような新しい特性の例としては、耐火性または難燃性^{[ 28 ]}、および促進された生分解性などがあります。

組織工学、薬物送達、細胞療法などの生物医学用途には、さまざまなポリマーナノコンポジットが使用されています。^{[ 29 ] [ 30 ]}ポリマーとナノ粒子の独自の相互作用により、天然組織の構造と特性を模倣するようにさまざまな特性の組み合わせを設計できます。デンプン、セルロース、アルギン酸、キトサン、コラーゲン、ゼラチン、フィブリン、ポリビニルアルコール（PVA）、ポリエチレングリコール（PEG）、ポリカプロラクトン（PCL）、ポリ乳酸-co-グリコール酸（PLGA）、ポリグリセロールセバケート（PGS）など、さまざまな天然および合成ポリマーが生物医学用途のポリマーナノコンポジットの設計に使用されています。セラミック、ポリマー、金属酸化物、炭素ベースのナノ材料を含むさまざまなナノ粒子がポリマーネットワークに組み込まれ、望ましい特性の組み合わせが得られます。^{[ 31 ]}

外部刺激に反応できるナノコンポジットは、相界面間の相互作用が大きいため、刺激応答がコンポジット全体に大きな影響を与える可能性があるという事実から、ますます注目を集めている。外部刺激は、磁場、電場、機械場など、さまざまな形態をとることができる。特に、磁性ナノコンポジットは、磁性材料が電気的刺激と磁気的刺激の両方に反応できる性質のため、これらの用途に有用である。磁場の浸透深さも大きいため、ナノコンポジットが影響を受ける領域が増加し、したがって応答が増加する。磁場に反応するために、マトリックスにナノ粒子またはナノロッドを容易に充填することができる。磁性ナノコンポジット材料のさまざまな形態は、マトリックス分散ナノ粒子、コアシェルナノ粒子、コロイド結晶、マクロスケール球、またはヤヌス型ナノ構造など、多岐にわたる。^{[ 32 ] [ 33 ]}

磁性ナノ複合材料は、触媒、医療、技術など、非常に多くの用途に利用できます。たとえば、パラジウムは触媒反応でよく使用される遷移金属です。磁性ナノ粒子担持パラジウム錯体は、触媒反応においてパラジウムの効率を高めるために使用できます。^{[ 34 ]}

磁性ナノ複合材料は医療分野でも利用でき、ポリマーマトリックスに埋め込まれた磁性ナノロッドは、より精密な薬物送達と放出に役立ちます。最後に、磁性ナノ複合材料は高周波/高温用途にも使用できます。たとえば、電子機器用途で使用するために多層構造を製造できます。電着Fe/Fe酸化物多層サンプルは、磁性ナノ複合材料のこの用途の例です。^{[ 35 ]}

高い動作周波数で高い透磁率が求められるパワーマイクロインダクタなどの用途では、従来のマイクロ加工された磁性コア材料は、高い動作周波数で透磁率の低下と損失の増加の両方が見られます。^{[37 ]この場合、磁性ナノ複合材料は、比較的高い透磁率と低い損失を}提供することで、パワーエレクトロニクスデバイスの効率を向上させる大きな可能性を秘めています。たとえば、Niマトリックスに埋め込まれた酸化鉄ナノ粒子は、高周波での損失を軽減することができます。^{[ 38 ]}高抵抗の酸化鉄ナノ粒子は渦電流損失の低減に役立ち、Ni金属は高い透磁率の達成に役立ちます。飽和磁化などのDC磁気特性は、各構成要素の間にあるため、これらのナノ複合材料を作成することで材料の物理的特性を変更できることがわかります。

• ハイブリッド材料
• アクアメルト

• Kumar, SK; Krishnamoorti, R. (2010). "ナノコンポジット：構造、相挙動、特性" . Annual Review of Chemical and Biomolecular Engineering . 1 : 37– 58. doi : 10.1146/annurev-chembioeng-073009-100856 . PMID 22432572 .