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カーボンナノチューブの機能化・複合化技術

  • Technology of Function/Composition of Carbon Nanotube
(2006年『カーボンナノチューブの機能・複合化の最新技術』普及版)

商品コード: B0978

  • 監修: 中山喜萬
  • 発行日: 2011年10月
  • 価格(税込): 4,320 円
  • 体裁: A5判,271ページ
  • ISBNコード: 978-4-7813-0436-6

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刊行にあたって

 カーボンナノチューブはナノテクノロジーの分野で最も注目されている素材の一つであり,21世紀の産業を支えるコメといえる。ダイヤモンド,グラファイト,フラーレンに継ぐ炭素の第4の形態として知られ,グラフェンシートを丸めたナノメートルサイズの直径の筒状構造をもつ。そのサイズおよび構造の特異性と電気的,機械的,化学的に多様で優れた性質が特徴である。
 電気的には,構造によって半導体的性質をもつものや金属的性質をもつものがある。機械的には軽量で強度が高くしなやかである。化学的には表面の化学修飾が可能でありまたガス吸着性を示す。したがって,エレクトロニクス,情報通信,建築,機械,乗り物,バイオ,エネルギーなど広範な分野の進展を支える素材として期待されている。これがコメたる所以である。
 1991年の多層カーボンナノチューブの発見の後,しばらくは理論的な基礎研究が先行した。溶媒に不要で純化・精製が行えないこと,またあまりにも小さくてハンドリングが困難であったことが主な要因であった。合成法の進歩とハンドリング技術の進展によって,1990年代半ばから応用研究が始まり,2000年頃から研究論文数および特許出願件数が急速に増加した。
 研究分野の広がりが大きく,しかも研究スピードが早い。これが,ナノチューブ応用研究の特徴である。したがって,これからこの分野に入ろうとする研究者技術者はもちろん,すでに第一線でご活躍の研究者技術者にとっても,このような動きの激しい分野全体を見渡すのは難しい。
 カーボンナノチューブの解説書は,基礎から応用までこれまでも多く出版されているが,それはもはや羅針盤とは成り得ない。本書はそれに応えるために企画された。最近注目されているカーボンナノチューブの応用は,カーボンナノチューブの内空間や表面をうまく利用したもの,表面の機能化や素材の配置法を制御したもの,また複合化したものが多いことから,このような切り口でまとめられている。

2006年3月  監修者 中山喜萬


<普及版の刊行にあたって>

 本書は2006年に『カーボンナノチューブの機能・複合化の最新技術』として刊行されました。普及版の刊行にあたり,内容は当時のままであり加筆・訂正などの手は加えておりませんので,ご了承ください。

2011年10月  シーエムシー出版 編集部

著者一覧

中山喜萬   大阪府立大学 大学院工学研究科 電子・数物系 電子物理工学分野 教授
        (現)大阪大学 大学院工学研究科 教授
阿多誠文   (現)(独)産業技術総合研究所 ナノシステム研究部門 ナノテクノロジー戦略室長
佐藤義倫   東北大学 大学院環境科学研究科 助手
        (現)東北大学 大学院環境科学研究科 准教授
岡﨑俊也   (独)産業技術総合研究所 ナノカーボン研究センター 主任研究員
        (現)(独)産業技術総合研究所 ナノチューブ応用研究センター 研究チーム長
竹延大志   (現)早稲田大学 先進理工学部 応用物理学科 准教授
岩佐義宏   東北大学 金属材料研究所 教授
        (現)東京大学 大学院工学系研究科 量子相エレクトロニクス研究センター 教授
西野 仁   大阪ガス(株) 材料事業化プロジェクト部 機能材料TBU 課長
畠山力三   (現)東北大学 大学院工学研究科 電子工学専攻 教授
泉田 健   東北大学 大学院工学研究科 電子工学専攻 
中嶋直敏   九州大学 大学院工学研究院 教授
本多信一   大阪大学 大学院工学研究科 電気電子情報工学専攻 助手
        (現)兵庫県立大学 大学院工学研究科 電気系工学専攻 准教授
片山光浩   (現)大阪大学 大学院工学研究科 電気電子情報工学専攻 教授
木村 睦   (現)信州大学 繊維学部 准教授
白井汪芳   信州大学 繊維学部 機能高分子学科 特任教授
坪川紀夫   (現)新潟大学 大学院自然科学研究科 教授
張  梅   テキサス大学 ナノテク研究所  
        (現)フロリダ州立大学 工学部  
南 信次   (独)産業技術総合研究所 ナノテクノロジー研究部門 副部門長
カザウィ・サイ  (現)(独)産業技術総合研究所 ナノチューブ応用研究センター  
佐野正人   (現)山形大学 大学院理工学研究科 教授
福山 裕   ケッチェン・ブラック・インターナショナル(株) 技術グル-プ  
        (現)(株)イチキン 高機能樹脂事業部 開発部 部長
野口 徹   日信工業(株) 技術部 研究21 主幹
        (現)信州大学 ENCsの創成と応用プロジェクト拠点 地域卓越特任教授
曲尾 章   (現)日信工業(株) 開発本部 開発4部 研究21 マネージャー
榎本和城   (現)名城大学 理工学部 材料機能工学科 助教
大竹尚登   (現)東京工業大学 大学院理工学研究科 機械物理工学専攻 教授
本田裕一   関西大学大学院 工学研究科 総合工学専攻 
        (現)(株)村田製作所 化学デバイス商品統括部 商品開発部 
石川正司   (現)関西大学 化学生命工学部 教授
東原秀和   (現)信州大学 名誉教授・特任教授
小宮山慎悟  信州大学大学院 工学系研究科 材料工学専攻 
宇佐美初彦  (現)名城大学 理工学部 材料機能工学科 教授

執筆者の所属表記は,注記以外は2006年当時のものを使用しております。

目次

第1章 カーボンナノチューブの現状と課題
1. カーボンナノチューブ研究の最新動向
1.1 はじめに
1.2 カーボンナノチューブ研究の進展
1.2.1 ナノチューブの合成
1.2.2 ナノチューブの物性とデバイス応用
1.3 カーボンナノチューブの機械特性とその応用
1.3.1 カーボンナノチューブの機械特性
1.3.2 走査型プローブ顕微鏡ナノチューブ探針
1.3.3 ナノチューブピンセット
1.3.4 片持ちバネによる微小質量の計測
1.3.5 カーボンナノチューブのナノエンジニアリングに向けて
1.4 電界電子放出応用
1.4.1 ナノチューブの電界電子放出特性
1.4.2 パネル用ナノチューブエミッタ
1.4.3 塗布法によるエミッタ
1.4.4 直接合成法によるエミッタ
1.4.5 カーボンナノコイルへの期待
1.5 おわりに

2. カーボンナノチューブの標準化動向
2.1 はじめに
2.2 ナノテクノロジーの標準化
2.3 日本におけるナノテクノロジーの標準化
2.4 欧米におけるナノテクノロジーの標準化動向
2.5 ナノテクノロジーの何を標準化するのか?
2.6 標準化のなかでのナノリスクの位置付け
2.7 CEN/BT WG-166が進めたCNTの標準化
2.8 日本におけるCNTの標準化と今後の展望
2.9 おわりに

3. カーボンナノチューブの毒性評価
3.1 はじめに
3.2 CNTsの毒性評価の現状
3.2.1 肺毒性
3.2.2 皮膚炎症性
3.2.3 細胞毒性
3.3 生体内での微粒子のサイズおよび形状効果
3.4 MWCNTsの細胞毒性に関する長さの影響
3.4.1 材料と実験方法
3.4.2 使用したMWCNTsのキャラクタリーゼーション
3.4.3 In vitro試験
3.4.4 In vivo試験
3.5 カーボンナノチューブの毒性評価における問題点と課題

第2章 カーボンナノチューブの内空間の利用
1. ピーポッド
1.1 ハイブリッド・ナノ炭素材料,ピーポッド
1.2 高収率合成法
1.3 ピーポッドの内部構造
1.4 ピーポッドの電子状態
1.5 ピーポッドをチャンネルとして用いた電界効果型トランジスタ
1.6 ナノリアクタとしてのピーポッド
1.7 ピーポッドのこれから

2. 有機分子を内包したカーボンナノチューブ
2.1 はじめに
2.2 有機分子内包ナノチューブの合成
2.3 構造
2.4 電子状態
2.4.1 ナノチューブの吸収スペクトル
2.4.2 有機内包ナノチューブの吸収スペクトル
2.5 キャリア数制御
2.6 まとめ

3. 鉄を内包したカーボンナノチューブ
3.1 はじめに
3.2 フッ化鉄が内包されたCNT
3.3 鉄が内包されたCNT
3.3.1 鉄が内包されたCNTの合成と構造
3.3.2 鉄が内包されたCNTの特性
3.4 おわりに

4. アルカリ金属を内包したカーボンナノチューブ

第3章 カーボンナノチューブの表面機能化
1. 化学的手法によるカーボンナノチューブの可溶化・機能化
1.1 はじめに
1.2 界面活性剤による可溶化・機能化
1.3 多核芳香族化合物の物理吸着による可溶化・機能化
1.4 DNAおよびRNAによる可溶化・機能化
1.5 糖ポリマーラッピングによる可溶化
1.6 孤立溶解カーボンナノチューブの分光スペクトル
1.7 ナノチューブのカイラリティ分離と認識
1.8 カーボンナノチューブラセン状超構造体
1.9 共有結合によるナノチューブの可溶化・機能化
1.10 おわりに

2. カーボンナノチューブの無機薄膜被覆による機能化
2.1 はじめに
2.2 被覆技術
2.2.1 パルスレーザ蒸着装置
2.2.2 種々材料被膜
2.2.3 多層被膜
2.3 被覆CNTの応用
2.3.1 金属膜被覆カーボンナノチューブのナノプローブ応用
2.3.2 合金,化合物被覆カーボンナノチューブ
2.3.3 ハイブリッドナノワイヤ応用
2.4 おわりに

3. カーボンナノチューブのナノコーティング
3.1 はじめに
3.2 カーボンナノチューブ表面の有機物によるコーティング
3.3 カーボンナノチューブ表面の無機物によるコーティング
3.4 おわりに

4. グラフト化によるカーボンナノチューブとナノファイバーの機能化
4.1 はじめに
4.2 カーボンナノチューブ表面へのグラフト化の方法論
4.3 Grafting onto法によるグラフト化
4.3.1 グラフト反応のベースとなる芳香族環
4.3.2 配位子交換反応
4.3.3 ラジカル捕捉
4.4 Grafting from法によるグラフト化
4.4.1 ラジカル重合開始基からのグラフト重合
4.4.2 アニオン重合開始基からのグラフト重合
4.4.3 カチオン重合開始基からのグラフト重合
4.4.4 その他
4.5 ポリマーのグラフト化による分散性制御
4.6 ポリマーグラフト化ナノカーボンの電気特性
4.6.1 ポリマーグラフトCNT,およびVGCFの溶媒蒸気応答性
4.6.2 PTC特性
4.7 おわりに

第4章 カーボンナノチューブの薄膜,シート,構造物
1. 配向カーボンナノチューブからのシートの作成と特性
1.1 Introduction
1.2 Carbon Nanotube Forest
1.3 Making Carbon Nanotube Sheet
1.4 Properties and Applications of MWNT Sheets
1.5 Conclution

2. カーボンナノチューブの高品質薄膜形成と光・電子機能賦与
2.1 はじめに
2.2 Langmuir-Blodgett(LB)法によるSWNT薄膜の作製と流動配向効果
2.3 ゼラチンを用いたSWNTの分散
2.3.1 実験手順
2.3.2 溶液及び薄膜中におけるチューブの分散状態
2.3.3 延伸配向したSWNT薄膜の特性
2.4 セルロース誘導体を用いたSWNTの分散
2.4.1 SWNT分散系の吸収・発光特性
2.4.2 SWNT分散膜の形成
2.4.3 異なる合成法によるSWNTへの適用
2.5 共役高分子薄膜中に分散したSWNTによる光電機能素子
2.5.1 近赤外電界発光素子
2.5.2 近赤外光電変換素子
2.6 おわりに

3. カーボンナノチューブの薄膜および構造物形成
3.1 はじめに
3.2 ファンデルワールス相互作用
3.3 CNTの分散化と安定性
3.4 鋳型を用いた薄膜形成
3.5 鋳型を用いた構造物形成
3.6 電着による薄膜形成
3.7 おわりに

第5章 カーボンナノチューブ複合材料
1. カーボンナノチューブのポリマーへの分散法とその制御
1.1 はじめに
1.2 カーボンナノチューブコンポジットの開発
1.3 カーボンナノチューブの導電機構と分散状態
1.4 カーボンナノチューブのポリマー中への分散挙動
1.5 カーボンナノチューブの凝集構造形成と導電特性
1.6 今後の展望

2. カーボンナノチューブのエラストマー複合材およびアルミニウム複合材の開発
2.1 はじめに
2.2 CNT/Al系複合材料の現状
2.3 N-EP法によるCNT/Al複合材の調整
2.3.1 エラストマー中へのCNTの均一分散
2.3.2 マトリックスの置換
2.3.3 N-EP法で作製したCNT/Al複合材の構造と物性
2.4 CNT/エラストマー複合材の開発
2.4.1 CNT/高分子系複合材料開発の現状
2.4.2 CNT/エラストマー複合材(CEC)の開発
2.4.3 CECの車両用ブレーキへの適用
2.5 CNT/Al複合材およびHPEの市場
2.6 電子放出材料としての応用
2.7 CNT補強複合材料実用化への問題点
2.8 おわりに

3. 樹脂基カーボンナノチューブ複合材料の開発
3.1 はじめに
3.2 複合材料の作製と射出成形
3.2.1 複合材料の作製  
3.2.2 試験片の成形  
3.2.3 試験片中のCNF長さ測定  
3.2.4 試験片中のCNFの配向状態  
3.3 樹脂基カーボンナノチューブ複合材料の機械的特性
3.3.1 機械的特性におよぼすCNFの表面処理の影響
3.3.2 実験値と複合則との比較
3.4 樹脂基カーボンナノチューブ複合材料の熱的特性
3.4.1 レーザーフラッシュ法による樹脂基CNF複合材料の熱伝導率評価
3.4.2 理論予測値と実験値の比較
3.5 おわりに

第6章 ナノチューブの表面を利用したデバイス         
1. カーボンナノチューブを用いた電気二重層キャパシタの開発
1.1 はじめに
1.2 キャパシタの基本的事項
1.2.1 キャパシタンス(静電容量)と各特性
1.2.2 キャパシタの蓄電量・エネルギー密度の見積もり
1.2.3 電気二重層キャパシタ性能の位置づけ
1.3 CNTの電極材料の意義
1.4 CNT自身を電荷蓄積場として利用した電気化学キャパシタ
1.4.1 CNTのみで結着させた均一系電極から構成される電気二重層キャパシタ
1.4.2 集電基板にCNTが直結した電極から構成される電気二重層キャパシタ
1.4.3 CNTキャパシタの種々の方法による高容量化の試み
1.5 CNTを支持体として使用した電気化学キャパシタ
1.5.1 導電性高分子による表面修飾
1.5.2 金属酸化物
1.6 まとめ

2. カーボンナノチューブを用いたリチウム電池の開発
2.1 はじめに
2.2 MWNTsのリチウム貯蔵特性
2.3 SWNTsのリチウム貯蔵特性
2.4 SWNTsの化学的および物理的処理による可逆容量の向上
2.5 SWNTsにおけるSEIの形成と不可逆容量
2.6 おわりに

3. 耐摩耗部材としてのCNT/SiC複合材料の可能性
3.1 はじめに
3.2 CNT/SiC複合材料
3.3 CNT膜の摩擦特性
3.4 マイクロ/ナノインデンテーションによる膜の力学的特性
3.5 エロージョン特性
3.6 おわりに
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