カーボンナノチューブ（CNT）は、さまざまな材料の性能を向上させる大きな可能性を秘めたナノメートルスケールの構造体ですが、化学的・電気的特性のばらつき、純度、コスト、そして毒性への懸念といった課題が依然として存在します。CNTは、sp2混成炭素格子が円筒状に形成された一次元の炭素同素体です。単層CNTは単純なチューブ構造ですが、多層CNTは同心円状に重なっているか、あるいは巻物のように巻かれた構造をしています（図1）。
これらのナノスケール材料は、高いヤング率と引張強度を誇り、金属的または半導体的な電気的特性を示すことができます。原子配列（カイラリティ）を制御することで導電性が変化するため、研究者は合成パラメータを調整して予測可能な電気的特性を持つCNTを生成する方法を模索してきました。過去20年間で、化学気相成長法（CVD）を用いたさまざまな合成レシピが開発されたことで、この状況は改善されています。
世界最大の科学情報キュレーションデータベースであるCAS Content Collection™の分析から明らかなように、特許活動の増加は、CNTの商業的応用に対する関心の高さを如実に示しています（図2）。
バッテリー技術における特許の増加
CNTはその強度と導電性から、バッテリー材料として有用です。充放電サイクル中の機械的サポートを提供してバッテリー寿命を延ばすだけでなく、電気伝導経路としても機能します。CNT関連の出版物を分析したところ、特許文献では学術論文と比較して、バッテリーに関する言及が約3倍多いことが明らかになりました（図3）。
これらの出版動向は、CNTの商業的実現可能性と、電気自動車（EV）やスマートデバイスなど、拡大するバッテリー用途への応用の可能性を反映しています。バッテリー関連の特許の多くは中国、韓国、米国から出願されており、これらの地域における巨大な家電産業や電気自動車メーカーがその原動力となっていると考えられます。
CNT関連の出版物にはさまざまなバッテリー化学が含まれています。リチウムイオン電池が主流ですが、近年では亜鉛イオン電池に関する出版物が著しい成長率を示しています。亜鉛イオン電池においてCNTは、高表面積で機械的に強靭かつ柔軟な電子伝導性足場を形成し、他の活物質をサポートする役割を担っています。これにより、レート特性と繰り返し充放電後の容量維持率が向上します。
MXeneナノ材料の登場により、電池電極への応用にも関心が集まっています。この用途では、CNTを用いてMXeneシート間の間隔を制御し、再積層を防ぐことでイオン輸送を改善できます。CNTとMXeneの組み合わせはスーパーキャパシタによるエネルギー貯蔵にも利用できますが、これらの文献は主に学術誌に掲載されており、大規模な商業化の段階には至っていないと考えられます。
複合材料用途における着実な成長
1990年代初頭の発見以来、CNTの主な用途は複合材料であり、機械的強度や高い熱伝導性・電気伝導性を付与する役割を担ってきました。スポーツ用品から工業用コーティングまで、幅広い製品に使用されています。現在、CNTに関する文献では、ハイドロゲル、エポキシ樹脂、ポリマー（再生可能で生分解性のポリ乳酸（PLA）を含む）への応用が報告されています。一部のケースでは、脆い材料を補強し、機械的負荷の高い用途に耐えられるようにするためにCNTが使用されています。（図6）
その他の注目すべき引用例として、電磁波シールド用のポリマーマトリックスとCNTの組み合わせが挙げられます。複合材料に関連する学術誌や特許の出版物が多いことは、CNT複合材料のイノベーションが商業的および実験的な用途において実現可能であることを示しています。
センサーおよび生物医学用途への研究関心
CNT研究において、大規模な商業化には至っていないものの大きな可能性を秘めている2つの分野が、センサーと生物医学用途（ドラッグデリバリーなど）です。センサーは、CNT関連の学術誌で言及されている用途の中で2番目に大きな割合を占めています。CNTは、化学センサーや、人体の動きを検知するための歪みや圧力を測定する機械的センサーの両方に利用可能です。その強度、アスペクト比、導電性、および化学的修飾が可能な特性により、これらの刺激を変換・伝達するのに適しており、デバイスへの応用が期待されています。
分析の結果、CNT関連の学術誌論文の14%がセンサーに関連しているのに対し、特許文献ではわずか7%にとどまることが明らかになりました。開発の現段階では、一部のセンサーのラボスケールでの製造に、商業的に採算が取れる以上の労力や高価な材料が必要とされる可能性があるためと考えられます。あるいは、研究室で考案されたセンサーが概念実証の域を出ていないか、将来的な開発において商業的関心が比較的低いターゲット刺激を利用している可能性もあります。
同様に、CNTの生物医学的用途は学術誌論文の9%を占めていますが、特許文献では3%に過ぎません。CNTは、ドラッグデリバリー用ステントの補強材、神経カテーテルの導電性材料、骨インプラントの抗菌・構造材料として使用されてきました。これらの用途は有望ですが、CNTは純度、サイズ、形状によって毒性を示す可能性があります。そのため、商業化の前に特定の生物医学的用途を完全に解明するには、さらなる臨床試験が必要です。
環境浄化用途への可能性
CNTは高い比表面積と化学的なカスタマイズ性を備えており、吸着をはじめとする環境汚染物質の除去に理想的です。また、共触媒を用いて修飾・調整することで、特定の汚染物質に対する反応性を高めることも可能です。例えば、CNTで補強されたランタン・ガドリニウム・鉄酸化物ペロブスカイトは、CNTを含まないペロブスカイトと比較して、フェノールレッドの光触媒分解性能が向上しました。
CNTは廃水処理の吸着剤としても利用できます。水生生物に有害で除去が困難な抗生物質であるシプロフロキサシンの除去に成功しています。その後、環境汚染物質の除去におけるCNTとバイオ炭の性能を比較する文献が大幅に増加しています。
CNTと環境浄化に関連する学術論文は、特許文献よりもはるかに多く存在します。その理由として、コスト面から浄化活動への導入が経済的に困難であることや、効率を改善するための基礎研究がさらに必要であることが考えられます。
克服すべきCNTの課題
CNTの用途は、エネルギー貯蔵、耐久消費財、エレクトロニクス、環境浄化、生物医学デバイスなど多岐にわたります。そのユニークな特性は幅広い製品にとって価値あるものですが、これらの用途には精密さが求められるため、利用が複雑化しています。分析の結果、サイズやカイラリティを制御するための合成パラメータの調整は、依然として活発な研究分野であることが示されました。カイラリティはCNTの電気的特性を決定するため、この研究はこれらの課題の一部を克服する方法につながる可能性があります。
Additional research, particularly in vivo and clinical trials, will help scientists better understand toxicity risks in biomedical applications. The more that CNTs are generated, the more researchers will understand and control their purity. Scaling up production can also address current cost issues, which could spur the further development of CNTs for environmental remediation solutions and more cost-sensitive applications.
依然として大きな研究上のハードルは残されていますが、継続的なイノベーションにより、CNTはその広範な商業的可能性を実現できるでしょう。
