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ガラス状炭素の謎の誕生：バーナード・レッドファーンはどのようにしてこの奇妙な物質を発見したのか？
ガラス状炭素は、ガラス質炭素またはガラス質炭素とも呼ばれ、ガラスとセラミックの特性とグラファイトの特性を組み合わせた非黒鉛化炭素材料です。主な特性としては、高い熱安定性、高い熱伝導性、硬度（モース硬度 7）、低密度、低電気抵抗、低摩擦、化学的侵食に対する極めて高い耐性、ガスや液体に対する不浸透性などがあります。この材料は、電気化学における電極材料、高温るつぼ、および特定の義肢の部品として広く使用されています。ガラス状炭素はさまざまな形状、サイズ、断面で製造することができ、「ガラス状炭素」および「ガラス状炭素」という用語は商標として登録されていますが、IUPAC は技術用語として使用することを推奨していません。 2021年にガラス状炭素の歴史的レビューが出版され、この物質の起源は広く注目を集めています。
歴史的背景ガラス状炭素は、1950年代半ばにイギリスのマンチェスターにあるカーボランダム社の研究所で材料科学者でありダイヤモンド技術の専門家であるバーナード・レッドファーン氏によって発見され、初めて登場しました。彼は、セラミックのサンプル（ロケットノズル）を炉の床に固定するために使用されたテープが、不活性雰囲気で焼結された後に異常な構造に変化し、元の形状を保持していることに気づきました。
その後、レッドファーンはダイヤモンドの構造を模倣するポリマーマトリックスを研究し、特殊な処理を施すと触媒なしで固まるフェノール樹脂を発見しました。この樹脂から作られたるつぼは、UKAEA Harwell などの多くの組織に配布されています。しかし、レッドファーンはカーボン社を去り、同社はガラス状炭素の発明に対するすべての関心を正式に終了した。
プレッシーの開発
イギリスのタウセットにあるプレッシー研究所で働いていたとき、レッドファーンはUKAEAからガラス質炭素るつぼを受け取り、炭素化されていない前駆体にマークを刻んでいたため、それが以前に自分が作ったものであると認識した。同社はリッチバラに研究所を設立し、後にノーサンプトンシャーのキャスウェルに常設施設を設立し、これがプレッシー・リサーチ・キャスウェルとアレン・クラーク・リサーチ・センターとなった。プレッシーにおけるガラス状炭素の開発は当然のことであり、ガラス状炭素の発明と製造に対するレッドファーンの貢献は認められているものの、カウラードとルイスによるその後の出版物で彼について言及されていることは明らかではない。
レッドファーンは 1960 年 1 月 11 日に英国特許を申請し、その後 1963 年 11 月 5 日に米国特許 3,109,712A を取得しました。
材料特性と用途
ガラスカーボンは収縮率が非常に均一で予測可能なため、ポリマー状態で精密なフィッティングが可能になります。初期の超高純度 GaAs サンプルの一部は、ガラス状炭素が GaAs に対して反応しないため、これらのるつぼでゾーン精製されました。さらに、ガラス状炭素のドーピングによっても半導体現象が示されます。
網状ガラス状炭素（RVC）と呼ばれるその多孔質形態は、断熱性と微細孔性を備えたガラス状炭素電極材料として 1960 年代半ばに初めて開発されました。これらの特性により、RVC は電気化学、特に 3 次元電極として非常に有用になります。
構造と電気化学的性質
ガラス状炭素の構造は長い間議論の的となってきました。初期の構造モデルでは、ガラス状炭素には sp2 結合と sp3 結合の両方の原子が存在すると想定されていましたが、現在ではガラス状炭素は完全に sp2 結合であることがわかっています。
電気化学では、ガラス状炭素は水溶液中の水酸化物イオンを還元するための不活性電極であると考えられています。これらの特徴により、センサー製造には欠かせないものとなっています。ガラス状炭素は、その特定の表面配向により、さまざまな種類の改質電極の製造に使用され、歯科インプラントなどの生体適合性アプリケーションで優れた安定性を示します。
科学技術の進歩と材料研究の深化に伴い、ガラス状炭素の応用範囲と技術は今も拡大し、進化し続けています。セラミックとガラスのような材料のユニークな組み合わせは、現代の科学と工学の分野に間違いなく無数の可能性を生み出します。
この科学者の貢献とこの材料の潜在的な応用について改めて考えてみると、将来の技術革新によってこの材料の理解と使用方法がどのように変わるのか、という疑問が湧いてきます。
