走査型トンネル顕微鏡 によって得られたカーボンナノチューブの画像カーボンナノチューブ （ 英 : carbon nanotube 、略称CNT ） 炭素 によって作られる六員環ネットワーク（グラフェン シート）が単層あるいは多層の同軸管状になった物質。炭素 の同素体 で、フラーレン の一種に分類されることもある。
単層のものをシングルウォールナノチューブ (SWNT) [ 注 1] マルチウォールナノチューブ (MWNT) [ 注 2] ダブルウォールナノチューブ (DWNT) [ 注 3]
カーボンナノチューブはその細さ、軽さ、柔軟性から、次世代の炭素素材、ナノマテリアルといわれ、様々な用途開発が行われている。カーボンナノチューブ (CNT) の直径は、0.4～50ナノメートル である。非常に高い導電性 、熱伝導性 ・耐熱性 を持つことを特性としている。
樹脂 やゴム 、インク や塗料 など、通常は熱や電気を伝導しない素材への応用が見込まれる。
長尺になると少量でも導電性や熱伝導性を発揮し、強度も高くなる[ 1]
カーボンナノチューブの幾何学構造図。アームチェアチューブ、ジグザグチューブ、カイラルチューブの3種類に分けられる。 カーボンナノチューブは、基本的には一様な平面のグラファイト （グラフェン シート）を丸めて円筒状にしたような構造をしており、閉口状態の場合、両端はフラーレンの半球のような構造で閉じられており5員環を必ず6個ずつ持つ。5員環の数が少ないため有機溶媒等には溶けにくい。7員環が含まれる場合には内径が大きくなり得るため太さの違うCNTが形成され、8員環では枝分かれ状の構造も作り出せると考えられている。チューブは筒のような構造のためキャップを焼き切るなどにより中に様々な物質を取りこむ事ができる[ 2] [ 注 4] [ 3]
最も基本的な単層カーボンナノチューブの表面はグラフェン シートの表面図のようになっており、そのグラフェンシートの幾何学 的構造の違いによって3種類のカーボンナノチューブが成立するとされる。グラフェンの六角形の向きはチューブの軸に対して任意の方向にとれるため、このような任意の螺旋 構造の対称性 を軸性カイラル といい、グラフェン上のある6員環の基準点からの2次元格子ベクトル の事をカイラルベクトル と呼ぶ。カイラルベクトルは以下のように表される。
C
h
=
n
a
1
+
m
a
2
=
(
n
,
m
)
{\displaystyle C_{h}=na_{1}+ma_{2}=(n,m)}
直径別に分離されたCNT
構造によってバンド構造が変化し電気伝導率 やバンドギャップ などが変わるため、シリコン 以後の半導体 の素材としても期待されている。
銅の1,000倍以上の高電流密度耐性、銅の10倍の高熱伝導特性、高機械強度、細長い、などの特性がCNTの電子材料としての特長であり[ 6] 集積回路 などへの応用が期待されている[ 7]
半導体としてのCNTをトランジスタのチャンネルとして用いることで、高速スイッチング素子として用いられることが期待される。CNTはP型半導体 的な極性を示す。
金属型CNTと半導体型CNTを分離する方法は過酸化水素水を使用する方法[ 8] アガロース ゲルを用いて分離する方法[ 9] カラムクロマトグラフィー とアガロースゲルを用いた方法では、半導体型95%、金属型90%に分離できる。分離された薄液は様々な色を呈する[ 10] [ 11]
IBM では導電性CNTを焼き切る方法を用いて、半導体CNTを分離しプロセッサへの応用を考えていた[ 12]
導電性の高さと表面積の大きさ（閉口状態で1,000m2 /g、開口状態で2,000m2 /gに達する[ 13] 燃料電池 としての応用も進められている。内部に筒状の中空空間を有しているため、様々な分子を内包させることができる。また、CNTの持つ薄さによりペーパーバッテリーという形も考えられている。
単層カーボンナノチューブは著しい比表面積を持ち、表面に極微量のガスが吸着するだけで物性が大きく変化する。これにより高感度のガスセンサー等への応用が期待される[ 14]
電場をかけると5員環から電子が放出されるためFED [ 15] 平面蛍光管 、冷陰極管 のカソード （陰極）デバイスへの応用も研究されている。また、X線の発生源としての研究も進められている。
スーパーグロースCVD法を用いて二層カーボンナノチューブをディスプレイ用の電極基板上に直接成長させることによって均一な電子放出特性を示す。これによりFEDの一種であるカーボンナノチューブディスプレイへの応用が期待される[ 16]
ナノチューブ繊維をスーパーグロースCVD法 を用いてブラシ状に構造化する事で反射率0.045%という世界で最も優れた灰色体（黒い物質）を作り出す事ができる。この物質はカーボンナノチューブ黒体 と呼ばれている[ 17]
ナノオーダーの1次元的物質故、原子間力顕微鏡 の探針 やナノピンセットなどにも応用が期待される。CNT探針を用いた光ディスクのナノピット形状の測定など将来の100GB以上のナノ光ディスクへの応用も考えられている[ 18]
アルミニウム の半分という軽さ、鋼鉄の20倍の強度（特に繊維方向の引っ張り強度 ではダイヤモンドすら凌駕する）と非常にしなやかな弾性力を持つため、将来軌道エレベータ （宇宙エレベータ）を建造するときにロープ の素材に使うことができるのではないかと期待されている。
多層カーボンナノチューブは、導電性、弾性、強度に優れ、ヤング率 は0.9TPa、比強度 は最大150GPa。一方、単層カーボンナノチューブは半導体となり、極めて高弾性で破断しづらく、優れた熱伝導性などMWNTとは異なる特性を持つ。ヤング率は1TPa以上、比強度は構造によって異なり13～126GPa。
現時点ではバッキーペーパー と呼ばれるシートが研究段階で開発されている。スーパーグロースCVD法によって製作されたSWNTによる薄膜の密度は0.037g/cm3 [ 13] [ 19] ダイヤモンド・アンビルセル を用いてSWNTを24GPa以上に常温加圧する事により、電気伝導性 を有する超硬度材料 （超硬度ナノチューブ (SP-SWCNT)）を合成できる。ナノインデンター硬度測定法による硬度は62～150GPaでダイヤモンド150GPaに匹敵し、体積弾性率 は462～546GPaでダイヤモンド420GPaを超える。ラマン効果 を用いたスペクトル計測では、不可逆変化を起こしている事が分かった。なおダイヤモンドは絶縁体 である[ 20] [ 21] フラーレン を用いて同様の方法で製作された物質にハイパーダイヤモンド がある。ダイヤモンドの2倍程度の硬度とされる。複合材として用いる事で、ハイパービルディング や大型の橋梁 用ケーブル、自動車 、航空機 、戦闘機 、宇宙船 などの従来物質では不可能な構造物への応用が考えられる。また、スポーツ製品や自転車 などの一般製品にも利用され始めている。
シリコンゴムのような性質で、極環境下でも粘弾性を持つCNTが発見されている。この物体は、-196 ℃から1000 ℃の温度範囲で粘弾性を示し、-140～600 ℃で、0.1～100ヘルツの振動数範囲では、周波数に依存しない安定した粘弾性を示す。さらに100ヘルツで1%のねじり歪みを100万回加えた後も、劣化や破断がない[ 22] [ 23]
各種フラーレン を内包したピーポッドやTCNQ、カロテノイド 、種々のポルフィリン などの有機分子を内包したものが作製されている[ 24] 最近になって単層カーボンナノチューブ内部では水の融点 が高くなり、常温常圧下でも氷を作ることが発見された[ 25]
微細繊維の形をとる場合があるため、防刃チョッキや防弾チョッキ 用のケブラー に変わる高強度繊維としての利用も考えられているが、同時にアスベスト 状の毒性を示す可能性があると指摘されている（後述）。
終端処理したMWNTは極低温において超電導 を示す。転移温度
T
c
{\displaystyle T_{c}}
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