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60グラフェン界面構造の合成と超潤滑特性
1. はじめに
ナノメートルサイズの世界では摩擦 の効果が著しく増大する．その理由は，
ファンデルワールス相互作用や共有結 合による引力の効果が重力と比べて相 対的に強くなるためである．したがっ て微視的サイズでの低摩擦条件の探索 は，あらゆるサイズの機械の効率的な 稼働に寄与するため，産業上の要請で ある．
そこでわれわれはナノメートルの厚 さのシート（グラフェン）で，ナノメー トルのボール（フラーレン C60）をは さむとボール（C60）が転がってシー トが滑りやすくなるのではないかと考 えた（図 1）．いわゆる「C60分子ベア リング」のアイデアをもとに，ナノレ ベルで摩擦を低く抑えるシステムを合 成して，その超潤滑機構を研究してい るのでその現状を紹介する．
2. C60単分子層サンドウィッチ 構造（1）
グラファイト基板上に蒸着させた C60単層膜の上にグラファイト薄膜を 重ねると，サンドウィッチ構造を作製 す る こ と が で き る． 摩 擦 力 顕 微 鏡
（FFM）の探針でグラファイト薄膜を スライドさせると，摩擦力は C60分子 の配置を反映する格子周期パターンを 示 し， 動 摩 擦 力（ 平 均 水 平 力 ） は FFM の分解能（0.1nN）以下でゼロ となる（図 2）．
3.C60封入グラファイト構造（2）
グラファイトを硝酸と硫酸の混酸中 で撹拌した後水洗いし，1 000℃以上 でフラーレン C60粉末と共に 2 週間ほ ど保つ．C60分子が封入されたグラファ イト構造が作製される．透過電子顕微 鏡測定から，C60分子はグラファイト の平面内で最密充填構造を取り，c 軸 方向に約 1.3nm の間隔で積層するこ とがわかった．
2 節のサンドウィッチ構造のときと は異なり，100nN 以下の荷重領域では，
すべての走査方向に対して摩擦力像に は明確な格子周期パターンが現れず，
最大静止摩擦力（最大水平力）と動摩 擦力（平均水平力）が共に FFM の分 解能以下でゼロとなる（図 3）．また 摩擦係数は，代表的な固体潤滑剤であ るグラファイトの摩擦係数 0.001（FFM 測定結果）よりも小さくなった．した がって本構造は，前述の C60単分子層 サンドウィッチ構造と比較して，固体
潤滑剤としての用途に適している．た とえば，長時間の正確な稼働を要求さ れる精密機器部品を本構造のフィルム でコーティングすれば，摩耗の防止に 役立つ．4.C60 グラフェン界面構造の超
潤滑特性（3）
3 節の封入構造では，FFM の分解 能以下で最大静止摩擦力と動摩擦力の 両方がゼロになった．しかし，実はピ コニュートンレベルの超低摩擦力は有 限の値を取り，走査方向の異方性を示 すことがわれわれの分子力学シミュ レーションからわかっている．
C60単層膜／グラフェン界面系で，
グラフェンシートの走査角度θを変え て摩擦力を計算すると，図 4のよう に平均水平力〈FL〉はグラフェン六員 環格子配列の回転周期の 60°で変化す る．整合性の良いθ＝－ 30°，30°，
90°の角度で極大値を取り，極めて狭 いピークの角度領域θ≃ 30°± 0.5°を 除いて 1pN 以下の値を取る．また，
C60／グ ラ フ ェ ン 界 面 系 の ピ ー ク 値 6.4pN は，グラフェン／グラフェン界 面系のピーク値 15pN の約 40%であ る．この違いは C60／グラフェン界面 での C60分子の微小回転と，C60分子 とグラフェンとの間の弾性接触が，グ ラフェンのスライド方向の有効バネ定 数を減少させることに由来している．
5. おわりに
本稿では C60／グラフェン界面構造 の合成と超潤滑特性について解説し た．C60分 子 を グ ラ フ ェ ン で サ ン ド ウィッチした構造では動摩擦力が，グ ラフェン層間に封入した構造では静摩 擦力と動摩擦力の両方が測定分解能以 下でゼロになった．一方シミュレー ションから，グラフェンをスライドさ せる方向によって，グラフェンと C60
分子の接触領域の格子の重なりに整 合・不整合の度合いの差が現れるた め，pN オーダで摩擦力の異方性が生 じることがわかった．システムの実用 化にはまだ多くの関門があるが，炭素 というありふれた材料を使って，われ われがかつて経験したことのない新し い超低摩擦の世界が出現する可能性が 秘められている．
（原稿受付 2013 年 8 月 27 日）
〔佐々木成朗 成蹊大学， 三浦浩治 愛知教育大学〕
●文 献
（ 1 ）Miura, K., Kamiya, S. and Sasaki, N., C60
Molecular Bearings, Phys. Rev. Lett., 90
（2003）, 055509.
（ 2 ）Miura, K., Tsuda, D. and Sasaki, N., Su- perlubricity of C60 Intercalated Graphite Films, e-J. Surf. Sci. Nanotech., 3（2005）, 21-23.
（ 3 ）Sasaki, N., Itamura, N., Asawa, H., Tsuda, D. and Miura, K., Superlubricity of Gra- phene/C60/Graphene Interface ― Simula- tion and Experiment, Tribol. Online, 7
（2009）, 96-106.
ナノのシート（グラフェン）
ナノのシート（グラフェン）
ナノの ボール
（C60）
図 1 C60分子ベアリング構造の概念図
摩擦力像 摩擦力ループ
−1
1nm 走査位置（nm）
0
0 4 8
1
水平力（nN）
図 2 C60単分子層サンドウィッチ構造 の超潤滑測定（荷重 9nN）
摩擦力像
走査位置（nm）
1nm
水平力（nN）
0 0 1
−1
4 8
摩擦力ループ
図 3 C60封入グラファイト構造の超潤 滑測定（荷重 10nN）
走査角度θ（deg）
平均水平力
（pN）〈 L〉
〈L〉
（pN）
15
グラファイトC60ベアリング 10
5
0−30 0 30 60
30 θ（deg）
0 5 10 15
29.5 30.5
90 図 4 C60/グ ラ フ ェ ン，グ ラ フ ェ ン/グ ラ
フェン界面構造の超潤滑の異方性．
走査角度θの関数としてプロットし た平均水平力〈FL〉
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日本機械学会誌 2013.12 Vol.116No.1141 865
