グラファイトから炭素同位体を除去することで、熱伝導を増強できることを確認：研究開発の最前線

東京大学生産技術研究所は、電子機器の放熱材料として注目されているグラファイトの同位体を除去することで、熱伝導を増強できることを確認した。

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　東京大学生産技術研究所は2023年4月20日、グラファイトから炭素同位体（¹³C）を除去することで、熱伝導を増強できることを確認したと発表した。グラファイト材料は、金属よりも高い熱伝導率を持ち、軽量で安価なことから、電子機器の放熱材料として注目されている。

　熱は、「フォノン」と呼ばれる熱を運ぶ粒子の拡散によって輸送される。グラファイトの熱伝導は、グラファイト中のフォノンが流体のように振る舞う「フォノンポアズイユ流れ」を形成することでを増強可能だ。しかし、天然グラファイトには、フォノンポアズイユ流れの形成を阻害する¹³Cが1.1％含まれている。同研究では、これを0.02％まで低減して高純度化した。

同位体純化グラファイトの電子顕微鏡像とフォノンの流体力学的熱輸送の概念図［クリックで拡大］ 出所：東京大学生産技術研究所

　同位体を低減したグラファイトを用いた実験では、100K（－173℃）付近で強いフォノンポアズイユ流れが形成された。90Kでは、天然グラファイトの2倍以上に熱伝導が増強されることが分かった。

同位体純化グラファイトと天然グラファイトの熱伝導率の温度依存性 出所：東京大学生産技術研究所

　同研究により、同位体の除去による高純度化とポアズイユ流れを形成しやすい幅にすることが、熱伝導の増強に重要だと分かった。この熱輸送の効果は、理論的には室温でも有効であることから、スマートフォンやPC、LED、パワー半導体など、発熱の大きな電子機器の排熱に活用されることが期待される。

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