ミクロの世界は、われわれを「ゆらぎ」の世界へといざなってくれる。液体の中にある微粒子を顕微鏡で見てみると、それらは生物のようにゆらゆらと不規則にうごめいて見えるはずだ。その理由は、熱運動する原子や分子が、溶媒中の微粒子と常にぶつかり合っているからだという。

この無尽蔵の「ゆらぎ」は、もしかすると人類に究極のクリーンエネルギーを提供してくれる鍵となるかもしれない。米アーカンソー大学の物理学者チームが、グラフェンの持つ特徴的な「ゆらぎ」から、エネルギーを取り出すことができるという強力な証拠を発見したのだ。

2次元グラフェンの存在を可能にする「ゆらぎ」

鉛筆の芯の材料であるグラファイト（黒鉛）から生まれたことで知られるグラフェンは、軽くて薄く、そして強靱なことから「夢の素材」とも称される。これは蜂の巣のような六角形の構造が規則正しく平面上に繰り返された、2次元の原子シートである。ところがグラフェン自体、そもそも物理的に存在不可能な構造であるはずなのだという。

「グラフェンのように原子1個分の厚みをもつ平坦な素材とは、本質的にとても不安定で、超低温でも溶融してしまうはずなのです」と、米アーカンソー大学の物理学者ポール・ティバード教授は『WIRED』日本版の取材に説明する。これは「マーミン=ワグナーの定理」として知られている。「ですから、2004年のグラフェン発見は非常に驚くべきことでした」

ティバードをはじめとする研究チームは、2010年より“規格外の物質”であるグラフェンが存在しうる物理学の抜け穴を探し続けてきた。その結果、グラフェンは完全に平坦ではありえないことがわかってきたという。「2次元の素材は、存在するために波形で構成されていなければならないはずです」と、ティバードは言う。それも静止した状態ではなく、常に動き回るダイナミックなそれだ。つまりグラフェンは、熱運動により常に「ゆらいで」いるのである。

「この動きをブラウン運動といいます。実際にわたしたちの目でグラフェンの表面を見ることができたとすれば、海の表面のようだと形容できることでしょう。それらの波は不規則に上下したり、周期的に動いたりし、ときには表面を横切る“はぐれ波”のようなものもあります」

彼らは、走査トンネル顕微鏡を用いた実験と、シミュレーションを用いた理論的研究を経て、原子1個分のスケールでグラフェンの上下運動を監視できる技術を開発。まるで海面で上下するブイのように動くグラフェンの高さと時間データセットから速度を計算し、速度分布率を作成した。

するとこのデータから、グラフェンは思いもよらないスピードで上下していることがわかった。それらの動きはブラウン運動の「ゆらぎ」に加えて、さらに大きい高さをもつものだった。物理学ではこの現象をレヴィ飛翔と呼んでいるが、この非常に珍しい現象が、グラフェンでは毎秒何百回も起こっていたのだという。

「この謎を解明するのがわれわれのブレークスルーの鍵でした」と、ティバードは説明する。「最先端の分子動力学シミュレーションによって、グラフェンは単に振動しているだけではなく、波形に湾曲したグラフェンが凸面から凹面に反転することがわかったのです」

ひとつの波形には数千の原子が含まれており、反転時にはそれらがすべて一団となって動く。この非常に迅速に起こる反転が、グラフェンの上下運動が高速で起こる現象のメカニズムなのだ。これらが詳しく説明されている一連の研究内容は学術誌「Physical Review Letter」にて発表されている（ティバード教授は同論文のPDFファイルを公開している）

エネルギーのブレイクスルー

「原子1個分の厚さで“動く波形”をもつグラフェンは、その波形を反転させます。これはブラウン運動の“組織化された”動きであり、新しい発見です。この現象はごく微小な素材でしか起こらず、より厚い物質では固すぎて不可能なのです」

研究チームの計算によると、ひとつの反転は潜在的に10ピコワット（ピコワット＝1兆分の1ワット）の電力を生み出せる可能性がある。グラフェンは自然にアレイを形成することから、10ミクロン（ミクロン＝100万分の1メートル）四方の面積さえあれば、腕時計を動かすのに十分なパワーが得られる計算になるという。

上下の電極に挟まれた薄いシート状のグラフェンがゆらぐことで、電力が生まれるのだという。詳しくは本文下の動画で見ることができる。IMAGE COURTESY OF PAUL THIBADO

「この運動エネルギーをいかに変換し、電荷として蓄積するのかは技術的な課題で、それにはナノテクノロジーが必要です。このシステムを大量に生産すると、1平方メートルで10万ワットもの電力が得られることになる。これは風力や太陽光発電に匹敵するものです」

ティバード教授は、負に帯電したグラフェンのシートを2つの金属電極のあいだに浮遊させることでエネルギーを電気に変換できるようなデヴァイスを構想している。グラフェンが凸状になると上部電極に正電荷が誘起され、凹状に反転すると下部電極が充電されて、交流電流が生成されるといった仕組みだ。

皮肉なことに、グラフェンの優れすぎた導電性［日本語版記事］は、このデヴァイスの媒体としては不向きのようである。だが、彼はほかの2次元素材なら、この技術は応用可能だと考えている。

いずれにせよ、グラフェンのような2次元素材のブラウン運動は、究極のクリーンエネルギーを生産できる鍵を握っていると言っても過言ではないだろう。それも、原子や分子が飛び回る熱がある限り続く、無尽蔵のエネルギー源だ。

「地球が暖かければ、このシステムはエネルギーを得ることができます」と、ティバードは「ゆらぎ」のエネルギー変換技術への可能性に自信をのぞかせる。「地球には豊富な熱エネルギーがありますからね」