カーボンナノチューブは構造を記憶して伸び続ける ―変動環境の成長履歴を同位体の標識から読み解く―

2026-09-01 東京大学

東京大学の研究グループは、カーボンナノチューブ(CNT)が、成長途中で触媒粒子のサイズや温度などの環境が変化しても、生成初期に決まったカイラリティ(巻き方)を数百µmにわたり維持する「構造記憶」を持つことを明らかにしました。炭素同位体を成長中に標識し、ラマン散乱から1本ごとの成長履歴を読み出す手法により、触媒の粗大化に伴って同一温度で成長速度が約2倍になる一方、CNTの直径やカイラリティは維持されることを実証。分子動力学シミュレーションでも同様の結果を確認しました。これにより、CNTの構造を決める初期段階と、その後の伸長・量産段階を独立して設計できる可能性が示され、均一性と生産量を両立する合成プロセスや、次世代半導体・光デバイスへの応用が期待されます。

カーボンナノチューブは構造を記憶して伸び続ける ―変動環境の成長履歴を同位体の標識から読み解く―
触媒粒子は成長の途中で変化するが、ナノチューブは同じ構造を保って伸び続ける

<関連情報>

同位体標識された成長履歴は、触媒の進化にもかかわらず、個々のカーボンナノチューブに持続的なキラリティが存在することを示している Isotope-labeled growth histories reveal persistent chirality in individual carbon nanotubes despite catalyst evolution

Keigo Otsuka,Ryuji Fujiwara & Shigeo Maruyama
Nature Communications  Published:01 September 2026
DOI:https://doi.org/10.1038/s41467-026-77101-2

Abstract

In catalytic growth of carbon nanotubes (CNTs), the stability of catalyst structures is critical for achieving structural uniformity and scalability. Continuous synthesis configurations often expose catalysts to spatially varying temperatures and gas compositions along the reactor. The structural integrity along CNTs growing under such dynamic environments remains largely unexplored, due to the inaccessibility of transient catalyst evolution. Here, we use isotope labeling to indirectly read out, from the growth history recorded within each CNT, how its catalyst evolves in a substrate-supported system. The growth rates exhibit hysteresis, varying up to twofold at the same temperature, indicating irreversible catalyst coarsening; nevertheless, the same nanotubes retain atomically identical lattice structures over hundreds of micrometers. This structural robustness, corroborated by molecular dynamics simulations under evolving catalyst conditions, calls for caution against the interpretation of catalyst–CNT structural relationships from static ex situ snapshots. The contrast between structural memory and adaptive growth kinetics further provides a mechanistic design principle of multiple-stage strategies, toward overcoming the conventional quality-quantity trade-off.

0703金属材料
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