グラフェンはグラファイトと比較して、引張強度、柔軟性、電気伝導性、熱伝導性などの特性が飛躍的に向上しています。炭素原子1層からなるこの二次元（2D）ナノ材料の発見は、他の材料を原子レベルの薄さで利用する可能性への関心を高めました。
この基盤の上に、研究者たちはそれぞれ独自の特性と応用可能性を持つ、原子レベルの薄さの材料開発に取り組んでいます。
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グラフェンとは何か
炭素原子が六角形の格子状に並んだ原子1層のシートであるグラフェンは、2004年に初めて報告されました。このような革新的な二次元材料は、表面積対体積比が高く、従来の炭素系材料よりもはるかに薄く、強く、軽く、柔軟性に富んでいます。さらに、極めて小さな次元と量子閉じ込め効果により、透明性や半導体特性など、バルク材料にはない新たな特性を発揮します。また、原子レベルの薄さの材料は複合材料において他の物質と強く相互作用し、有益な相乗効果をもたらします。
材料研究者は、CAS SciFinderを使用して材料科学の文献を検索し、イノベーションを支える構造と特性の相関関係や合成方法を特定できます。
原子レベルの薄さの材料の3つのカテゴリー
グラフェンの成功に触発され、科学者たちは他の原子レベルの薄さの材料の研究を開始しました。現在の研究は、その組成に基づいて分類された以下の3つの材料タイプに焦点を当てています。
- X-enes（エックスエン）：グラフェン、ホスホレン、窒化ホウ素、シリセン、グラファイト状窒化炭素などの非金属物質
- Metal-X-enes（メタルエックスエン）：遷移金属炭化物、カルコゲナイド、窒化物、酸化物、水酸化物、ハロゲン化物などの金属含有化合物
- Metallenes（メタレン）：ゴールデン、スタネン、ゲルマネンなどの金属および合金。さらにバイメタレン、トリメタレンなどに分類可能
図1は、グラフェンの発見以降の二次元材料研究の歴史をたどったものです。
図2は、原子レベルの薄さの材料のサブカテゴリーと個々の材料、その重要な特性、および様々な応用との関係を示しています。
原子レベルの厚さを持つ金層のユニークな特性
現在開発が進められているメタレンの中でも、金原子1層からなる「ゴールデン（goldene）」は、科学的に極めて画期的な可能性を秘めています。独自の触媒特性や光学特性を示すことが期待されており、触媒やオプトエレクトロニクス分野での応用が有望視されています。
なぜゴールデンは、太陽電池、センサー、バッテリー、その他の電子機器において重要な候補となり得るのでしょうか。
- 薄さ：ゴールデンは市販の金箔よりも400倍薄く、その厚さは0.2〜0.4 nmになると予想されています。基板上に支持された原子レベルの厚さの金層に関するこれまでの報告では、0.95〜2.85 eVのバンドギャップを持つ半導体であることが示されています。
- 結合強度：ゴールデンの結合エネルギーは1原子あたりの結合数が少ないため0.94 eVと計算されており、バルク金の0.52 eVよりも高くなっています。
- 弾性：ゴールデンの弾性率（ヤング率）は226 GPaと予測されており、これはバルク金の76〜80 GPaや金ナノシートの60 GPaよりも高く、A36鋼と同等の値です。
金の高コストを考慮すると、ゴールデンの機械的特性はそれほど重要ではないかもしれません。というのも、そうした用途には一般的に大量の材料が必要となるからです。しかし、ゴールデンにおける電気的、触媒的、光学的、および生物医学的特性の向上は、多くの新興技術や重要な技術で求められているため、非常に重要です。
ゴールデンの潜在的な用途
原子レベルの厚さを持つ金層がもたらす機会は、さらに期待が高まるものです。金は装飾や貿易での利用に加え、電子機器、不均一系触媒、電極触媒、センサー、フォトニクス、生物医学などの分野で、科学技術における重要な金属としてすでに活用されています。この技術はまだ新しいため、原子レベルの厚さの金層に関する文献は現時点では限られています。そのため、本稿では2次元金の報告された用途を分析するために、ナノシート、ナノプレート、薄膜といった、わずかに厚い金ナノ構造体を含む文献をレビューすることにしました。
私たちは、メタレンおよび2次元金について報告している文献から、CAS Content Collection™内の索引キーワードを分析しました（図3）。メタレンに関する文献で一般的な概念は、電極触媒や電気化学的エネルギー貯蔵に関連するものです。これは主に、パラジウム、ロジウム、白金およびそれらの合金といった、金以外の貴金属から作られるメタレンによるものです。
対照的に、2次元金ナノ構造体に関する文献では、センサー、ドラッグデリバリー、光熱療法、不均一系触媒といった用途が強調されています。これは主に、金や銀などごく一部の金属のみが示す特異な表面プラズモン共鳴によるものです。金の不活性で生体適合性の高い性質は、その電気的および特異な光学特性と相まって、生物医学的用途において信頼される材料となっています。
ゴールデンの開発を阻む課題
この革新的な材料の可能性を引き出すため、研究者たちはゴールデンを幅広い用途で実用化すべく、多くの課題克服に取り組んでいます。
3つのカテゴリーに分類される原子レベルの厚さの材料の中で、メタレンの合成は最も困難です。これは、ほとんどの金属において結合が等方性であるため、ナノ粒子や1次元（1D）ナノ構造体のような密な構造を形成しやすい性質があるからです。対照的に、多くの非金属化合物や遷移金属化合物はファンデルワールス力で結合した層状構造を成しており、トップダウンアプローチによって個々の層に分離することが容易です。
これまで膨大な数の金ナノ粒子、1次元および2次元ナノ構造体が合成され、さまざまな用途で高い性能を示してきました。しかし、原子レベルの厚さを持つ2次元金の調製は困難なままでした。これまでに報告されている2次元金ナノ構造体のほとんどは、他の材料上に支持された原子レベルの厚さの層であるか、多原子層で構成されています。原子レベルの厚さの金層は、熱力学的にナノ粒子の島からなる不連続な膜へと凝集しやすい強い傾向があります。
2022年のゴールデン合成に関する報告は、それが単層ではなく複数の金層で構成されていたのではないかという指摘を他の科学者から受けています。しかし、界面活性剤や配位子によって原子レベルの厚さの金層を安定化させたゴールデンの合成に関する最近の報告は、広く注目を集めています。
ゴールデンの潜在的な欠点の1つは、引張強度がわずか12 GPaであり、バルク金の100〜200 GPaよりもはるかに低いことです。また、界面活性剤や配位子を用いずにゴールデンを安定化させる課題も考慮しなければなりません。これらの分子が表面に存在すると、金が本来持つ表面依存的な特性を著しく阻害する可能性があるためです。
ゴールデンの未来は明るいのでしょうか。
ゴールデンの開発における拡張性やその応用の幅については、現時点では未知数です。しかし、原子レベルの薄さを持つ材料が持つユニークで魅力的な特性が、今後も研究および商業的な関心を集め続けることは間違いありません。
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