「強くてしなやか」な不思議な金属で、変形航空機やロボットの超強力人工筋肉が作れる！

著者: 李伝福史祥綺

現代の科学技術の急速な発展に伴い、材料の性能に対する要求はますます高まっています。特に航空宇宙、ロボット工学、人工臓器の分野では、材料の強度と柔軟性に厳しい要件が課せられます。最近、西安交通大学先端研究所と金属材料強度国家重点実験室の科学研究チームが、画期的な研究結果をネイチャー誌に発表した。超高強度であるだけでなく、高分子材料と同様の超高柔軟性も併せ持つ新しいタイプの金属合金の開発に成功し、将来の技術開発に新たな可能性を切り開きました。

この新しい合金は、2 つのマルテンサイト「シード」 (DS-STG) を持つ独自のひずみガラス状態合金であり、Ti-50.8Ni 合金をベースとし、革新的な 3 段階の熱機械処理プロセスによって製造されます。この合金の登場により、金属材料は強度と柔軟性の両方を兼ね備えることはできないという長年の伝統的な概念が打ち破られました。従来の材料科学では、強度が高いということは柔軟性が低いことを意味する場合が多く、これは強度が高いためには強い原子結合が必要であり、その結果材料の変形能力が制限されるためです。しかし、DS-STGアロイの登場により、超低弾性率でありながら超高強度を実現し、-80℃～+80℃の広い温度範囲でゴムのような柔軟性を発揮できるようになりました。

この「強くて柔軟」な特性により、DS-STG 合金は変形可能な航空機、スーパーロボット、人工臓器などの将来の技術分野で大きな応用可能性を秘めています。例えば航空宇宙分野では、この合金は飛行条件の変化に応じて形状が変化する航空機の翼の製造に使用でき、航空機の性能と燃料効率を向上させることができます。ロボット工学の分野では、DS-STG 合金を使用して超強力な人工筋肉を製造し、ロボットの動きをより柔軟かつ正確にすることができます。さらに、この合金は人工関節の柔軟性や耐久性を高めるために使われるなど、医療分野でも重要な役割を果たすことが期待されています。

DS-STG 合金の開発成功は、科学研究チームによる歪みガラスに関する徹底的な研究の恩恵を受けました。歪ガラスは、微細構造では無秩序な配列を持ちますが、マクロ的な意味では一定の弾性と可塑性を示す特殊な非晶質合金です。研究チームは、熱処理プロセスを正確に制御することで、合金内に特定の配向を持つ2種類のマルテンサイト種子を形成しました。これらの種子は、応力の作用下で障害なく他の相に変化することができ、それにより超低弾性率と超大回復可能ひずみを実現します。

さらに、DS-STG合金は優れた耐疲労性も示します。 500 万サイクルを超える荷重テストの後でも、合金には疲労破壊の兆候は見られませんでした。この特性は、長時間、高頻度で動作する必要がある航空宇宙部品やロボットのジョイントにとって非常に重要です。

この新しい合金のさらなる研究と応用により、変形可能な航空機、スーパーロボット、人工臓器など、かつてはSFの世界だけに存在した概念が徐々に現実のものとなると信じる理由があります。これは科学技術の進歩の反映であるだけでなく、人類の知恵の結晶でもあります。