現在、世界で最も高価な物質として認識されているのは反物質です。その製造コストは1グラムあたり60億ドル以上ですが、現時点では反物質を儲ける方法が存在せず、実際の取引市場での成約もありません。
現時点で成約されている最も高価な物質は、インプラントされたフラーレンという物質です。2015年に、価格2万ドルで200マイクログラムの取引が行われ、グラムあたり1億6700万ドルに相当します。これは他のどの物質の取引価格よりもはるかに高いです。
しかし、驚くべきことに、現在世界中でインプラントされたフラーレンを製造しているのはたった1つの研究所だけです。
では、なぜこのように貴重な物質なのに、なぜ多くの人々が製造に取り組んでいないのでしょうか？また、このインプラントされたフラーレンとは具体的に何なのでしょうか？どのような用途があり、なぜそれほど高価なのでしょうか？
それを知るためにはまずインプラントされたフラーレンとは何なのかを知る必要がある。
実際、フラーレンは炭素の同素異形体であり、「インプラント」とは、この同素異形体の内部にいくつかの原子や分子が存在することを意味します。炭素は現在知られている中で最も「汎用性のある」元素であり、炭素原子はさまざまな形で配置され、さまざまな同素異形体を形成することができます。
私たちがよく知っている例としては、ダイヤモンドがあります。これはおそらく最も人気のある炭素の同素異形体であり、炭素原子は格子状に存在し、四面体角で結合し、非常に堅固な構造を形成します。
もう 1 つの例は、最も一般的に使用される炭素の同素体で鉛筆の芯によく使用されるグラファイトで、その炭素原子はフレークまたは層状の六角形のモザイクの形で積み重ねられ、結合して存在します。
もう 1 つのよく知られたものは、グラフェン - 炭素原子が 1 枚のグラファイトのシートの形で存在しており、今日の主役のフラーレンはグラフェンから作られています。
しかし、グラフェンとは異なり、フラーレンは 1 枚の炭素原子のシートを「球」に変換し、各分子は 60 個の炭素原子で構成され、これらの 60 個の原子は 20 個の六角形を形成し、その六角形の中に 12 個の五角形が点在しています。
フラーレンの構造を見て何を思い浮かべるかわかりませんが、一言で言えば、測地線ドームの提唱者であるバックミンスター・フラーにちなんで命名されたものです。
フラーレンの内部は空っぽなので埋め込みという概念があり、簡単に言うと他の原子や分子などの小さな粒子を埋め込んで埋め込みフラーレンとなります。
内部の原子または分子とフラーレンとの関係は容器と内容物の関係に似ており、化学結合が存在しないため、埋め込まれたフラーレン分子は化学結合の一般法則にほぼ違反します。
すべての埋め込まれたフラーレンの中で最も特別なものは N@C60 (xx@C60 は埋め込まれたフラーレンを意味し、@ は xx がフラーレンの中にあることを意味し、N@C60 はフラーレンの中に窒素原子が 1 つあることを意味します) であり、これは当社の最も高価な取引材料です。
埋め込まれたフラーレンは実際にはかなり前に登場しましたが、当初はヘリウムやネオンなどの非常に不活性な物質が埋め込まれていましたが、窒素原子など「活性な」埋め込まれたものが登場したばかりです。
窒素電子はスピン寿命が長いため、正確な原子時計を作る鍵となることが事実で証明されており、N@C60は将来の原子時計の重要な材料となる可能性があります。
チップに組み込める原子時計
時計の振り子や時計の機構とは異なり、原子は製造上の誤差や磨耗の影響を受けず、環境から適切に隔離されている限り、その共振周波数は完全に物理法則によって設定されるため、原子時計はそれらに基づいて、入手可能な最も正確なタイミングデバイスです。
しかし、ここでの適切な隔離とは基本的に真空です。つまり、原子時計は巨大になる傾向があり、家ほどの大きさがあり、市販のものでさえスーツケースほどの大きさです。
正確な時刻チェックを必要とする多くのアプリケーション シナリオでは、携帯電話などのこのような大型デバイスを適合させることが困難なことがよくありますが、N@C60 の登場により、この問題点がまさに解決されます。
窒素原子はフラーレン内に完全に浮遊しているため、原子時計の真空環境のようなものとなり、原子時計の挙動と同様に窒素原子の特性を維持し、自由に共鳴することができますが、実際の体積は同じです。非常に小さいので、チップに統合することもできます。
小型原子時計で最も広く使用されているシナリオは、無人機器の測位です。この業界は誤差に非常に敏感であるため、原子時計の精度が非常に必要とされています。
無人運転を例に挙げると、現時点では通常の GPS ナビゲーションの精度は数メートル以内であるため、車両を正確に追跡して制御するのは難しいかもしれません。また、小型原子時計は設計に影響を与えることなくデバイスに直接統合できます。既存車の型式に関わらず、1mm程度の精度分解能が得られます。
最後に、多くの人が興味を持っているかもしれませんが、このような将来性のある材料であり、非常に高価であるのに、なぜ 1 つの研究所だけでそれを生産しているのでしょうか?
実際、N@C60 を合成する方法がいくつかあることは周知の事実であり、明確に記載されている文献は数多くありますが、いずれも極限の条件を必要とし、製造が困難です。
これは、窒素原子を炭素ケージに押し込むことは熱力学的に非常に好ましくないためであり、この研究チームがインタビューに応じたときにこのように説明しているのを目にしました。窒素をフラーレンに押し込むことは、化学的には水を丘の上に押し上げることと同じです。
製造が難しいだけでなく、製造過程では成功よりも失敗の確率がはるかに高いため精製が必要となり、精製の難易度も非常に高い。
現在 N@C60 を生産している唯一のチームはオックスフォードの Designer Carbon Materials であり、オックスフォード大学の研究室で製造を完了しています。
製造プロセスは非常に透明で、真空チャンバー内でフラーレンを蒸発させてC60フィルムを作成し、フィルム表面に窒素イオンを吹き付けた。
このプロセス中に、これらの窒素イオンの一部がトラップされて C60 膜に入り、目的の N@C60 分子を形成しますが、効率は非常に低く、得られる N@C60 分子ごとに約 10,000 個の C60 分子が消費されます (窒素原子表面に静止します)。
C60 と N@C60 の化学的性質はほぼ同じであるため、窒素を含まない 10,000 個の C60 分子からこの 1 つの N@C60 分子を抽出することは非常に困難です。
一般に、N@C60 は製造が非常に難しく、実際のコストが非常に高いため、高価な理由はありません。用途が優れているからではありません。
実際、N@C60の当初の取引は商業用ではなく研究用であったことから、実際には原価が高いため非常に高額で販売されており、利益率はあまり高くないことがわかっています。
販売価格が高すぎるため、研究目的で購入してもらうことが難しく、他の人が研究しなければ商業利用のチャンスがありません。
N@C60 は利益率が限られているだけでなく、原子時計としてはまだ広く普及しておらず、研究開発段階にあり、解決すべき課題がいくつかあります。
つまり、市場がどう反応するかがよく分からないので、誰もやらないのが普通です。
また、これは値段も高く、当然初期投資も高くつきますので、未知の分野に過剰な投資をしようとする人は少ないです。しかし、これに市場がある限り、すぐに研究のためにたくさんのお金が流れ込み、その頃には価格も下がっているでしょう。
