アメリカの研究者たちは、極端な環境で生存できるナノサイズの半導体材料を展示しました。この材料はグラフェンナノリボン（graphene nanoribbons、略称 GNRs）と呼ばれ、アリゾナ大学の研究者によると、核融合エネルギーを電力網に導入するための重要な障害を克服するのに役立つ可能性があります。研究者たちはこれらのナノリボンを半導体デバイスに統合し、ガンマ放射線にさらしました。彼らの結果は、これらのナノリボンが核融合炉や深宇宙での放射線センサーとして機能できることを示しています。なぜなら、強い放射線の挑戦に対して既存の技術が困難に直面しているからです。そして、材料の劣化を密接に監視することで、重要なシステムの信頼性を維持するのに役立ちます。
この研究を担当した主な研究者ザファー・ムトル（Zafer Mutlu）は、「これらのデバイスは曝露後も生存し反応しますが、その電気的性能は劇的に変化します。これが私たちがセンサーから見たい行動です」と述べています。GNRに基づくセンサーは、核融合エネルギーをクリーンでほぼ無限のエネルギーとして解放するのに役立ち、エンジニアが炉内の第一壁の監視を改善するのに寄与します。この最内層の障壁は、超高温の燃料と炉の構造を隔てており、強い放射線の下で徐々に劣化するため、定期的な検査と交換が必要です。
グラフェンナノリボンに基づくセンサーは核融合エネルギーの利用に貢献
エンジニアたちはこの損傷を追跡していますが、現在のシリコンベースのセンサーは第一壁の内部で生存できません。そのため、これらは障壁の外部に設置する必要があり、運転中は間接測定に依存し、運転停止後には実体検査が必要です。ガンマ放射線がナノリボンの原子フレームを保持しつつ、強く測定可能な電気反応を生成するため、研究者たちはGNRに基づくセンサーが最終的に工学化され、現在の電子デバイスよりも炉心に近い場所で動作できるようになると提案しています。これにより、検査とメンテナンスに必要な高額なダウンタイムを削減し、核融合発電所の稼働時間を増加させることができます。
この研究は『ACS Applied Materials & Interfaces』誌に発表され、原子精密なGNRのガンマ放射線に対する構造および電子応答を探求しています。研究者たちは、9原子幅の手扶GNR（9-AGNRs）を下から上への表面手法で合成し、これらのナノリボンを場効果トランジスタ（FETs）に統合し、曝露前後にラマン分光法と電気伝導測定を使用して特性評価を行いました。ラマン分光法は、主要なGNR格子構造が保持され、微妙なスペクトル変化が伴うことを示しており、これは放射線による酸化または局所的な格子擾乱を示唆しています。
ムトルは、これらの微小なナノリボンが古典物理ではなく量子物理の法則に従って行動することを明らかにしました。放射線がない場合、電流がGNRを流れる方法は非常に明確です。研究者たちの測定は、周囲の空気中のガンマ放射線が反応性分子を生成し、これらの分子がナノリボンのエッジを微妙に変化させることを示していますが、全体の構造は変わりません。このスケールでは、量子効果が小さな変化の電気信号伝達への影響を増幅します。研究者たちは、これらの変化がアンダーソン局在（Anderson localization）と呼ばれる量子効果を引き起こし、帯電した電子をその場に固定し、電流を大幅に減少させ、放射線曝露の信号を生成する可能性があると提案しています。これにより、炉のメンテナンス計画により正確なデータを提供できるかもしれません。