2004年、マンチェスター大学の科学者たちが初めてグラフェンを単離し研究した。グラフェンは六角形のハニカム格子状に配列された単層カーボン原子からなる超材料である。それ以来、グラフェンは多くの用途に非常に有用な特性を持つ驚異的な素材となった。科学者たちの間では、星間媒質(ISM)の炭素の約1.9%がグラフェンの形で存在し、その形状と構造は形成過程によって決定されると一般的に考えられている。
実は、月の表面にこの超材料がたくさん存在する可能性がある。最近の研究で、中国科学院(CAS)の研究者たちが、月面に特殊な薄層構造を持つ自然形成されたグラフェンが存在することを明らかにした。これらの発見は、月の形成過程に関する理解に劇的な影響を与える可能性があり、電子機器、電力貯蔵、建設、超材料など、幅広い応用分野でのグラフェン製造の新しい方法につながる可能性がある。また、将来の月面での恒久的なインフラ構築ミッションにも有用である可能性がある。
研究チームは、吉林大学の生体工学重点実験室および高効率クリーンエネルギー材料国際協力重点実験室のWei Zhang教授とMeng Zou教授、吉林大学上級エンジニアのXiujuan Li氏、そしてCAS金属研究所(CAS-ISM)のWencai Ren氏が率いた。彼らには吉林大学の複数の重点実験室、CAS-ISM、深宇宙探査研究所、月探査・宇宙工学センターの同僚たちが加わった。彼らの研究成果を記した論文は「National Science Review」に掲載された。
数十年にわたり、科学者たちは地球-月系が約44億年前に火星サイズの天体(テイア)と地球との巨大衝突によって形成されたという「ジャイアントインパクト仮説」を推測してきた。この理論はアポロ宇宙飛行士が持ち帰った月の岩石の分析によって支持され、炭素欠乏の概念につながった。しかし、最近の発見は、月における全球的な炭素イオンフラックスの観測に基づいて、固有の炭素の存在を示唆しており、このコンセンサスに異議を唱えている。
これらの観測結果は、グラファイトの存在を示したアポロ17のサンプルの1つの分析と一致している。研究チームは、2020年に嫥娥5号ミッションによって回収された月の土壌サンプル(約2.9mm×1.6mmのオリーブ形状)の分光分析を行った。これは中国の3回目の月面着陸ロボットミッションであり、初の月からのサンプル回収ミッションであった。得られたスペクトルから、彼らはサンプルの炭素が豊富な部分に、グラフェンの形成と密接に関連する鉄化合物を発見した。
さらに高度な顕微鏡技術とマッピング技術を用いた分析により、サンプル中の炭素が2〜7層の厚さのグラフェンフレークであることを確認した。その形成過程について、チームは月がまだ地質学的に活動的だった初期の火山活動期にグラフェンが形成された可能性があると提案している。さらに、太陽風が月のレゴリスとその鉄含有鉱物を巻き上げ、炭素の原子構造を変化させる触媒となった可能性があると仮説を立てている。
また、火山活動と同様の高温高圧環境を生み出すことで知られる隕石衝突の可能性も考慮している。論文では次のように述べている：
グラフェンは個別のフレークとして埋め込まれているか、鉱物粒子を包む炭素殻の一部として形成されている。我々の結果は、月に存在する固有の炭素の典型的な構造の1つを明らかにし、その形成メカニズムが提案された。この発見は、月の化学成分、地理的出来事、そして歴史に関する理解を一新する可能性がある。
これらの発見は、地球上での研究にも大きな影響を与える可能性がある。地球では、グラフェンは電子工学、機械工学、材料科学など幅広い分野での応用が研究されている。研究では、この研究が材料の低コスト生産の新しい方法につながり、月探査にさらなる機会を提供する可能性があることを示している：
鉱物を触媒とする天然グラフェンの形成は、高品質グラフェンの低コストでスケーラブルな合成技術の開発に光を当てるものである。 従って、新たな月探査計画が推進される可能性があり、近い将来のブレークスルーが期待できる。
逆に、天然グラフェンの鉱物触媒形成は、高品質グラフェンの低コストでスケーラブルな合成技術の開発に光を当てている。したがって、新しい月探査プログラムが推進され、いくつかの今後のブレークスルーが期待できるかもしれない。
これらの発見は、月面に恒久的なインフラを開発する将来のミッションにも有用である可能性がある。これにはNASAのアルテミス計画が含まれ、この計画は「持続可能な月探査・開発プログラム」の創出を目指している。また、ESAのMoon Village構想や、中国とロシアの国際月面研究ステーション(ILRS)計画もある。探査や科学研究に加えて、これらのプログラムではグラフェンの特性と用途に関する実験を行う可能性があり、月面居住施設の製造も含まれるかもしれない！
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