形状記憶と超弾性の境界: 合金の「記憶」はどこから来るのでしょうか?

無形文化遺産と新技術が出会うと、どんな火花が散るのでしょうか。最近、中国メディアグループと文化観光部が共同で「無形文化遺産の中の中国」というテレビ番組を立ち上げ、国内初の「無形文化遺産＋テクノロジー」のダイナミックでインタラクティブな蘇州刺繍作品を披露し、新鮮さを醸し出した。形状記憶素材と温度感知相互作用技術のサポートにより、刺繍に指先で軽く触れるだけで、蝶が羽ばたき、花びらが開きます。形状記憶素材が精巧な刺繍にさらなる魅力を加えます。では、なぜ形状記憶材料はこのような不思議な現象を生み出すのでしょうか?

形状記憶合金とは、一定の初期形状を持ち、低温成形後に熱、光、電気の刺激を受けて元の形状に復元できる新しいタイプの金属機能材料を指します。ニッケルチタン形状記憶合金は、新しい機能性材料として注目されています。ニッケルとチタンからなる二元合金です。形状記憶効果はそのユニークな特性であり、超弾性、優れた耐腐食性、生体適合性も備えています。

合金にはなぜ形状記憶効果があるのでしょうか?これは結晶構造から始めなければなりません。形状記憶効果は、2 つの異なる結晶構造相の存在によって生じます。形状記憶効果を持つ合金のほとんどは、熱弾性マルテンサイト変態を起こします。マルテンサイト変態後、合金には塑性変形のための大きな空間が残ります。合金が最終温度以上に加熱されると、低温マルテンサイトは高温オーステナイトに変化し、自動的に初期状態に戻ります。これは実際には熱によって引き起こされる相変化プロセスです。オーステナイト状態は荷重が除去された状態で立方構造を持ち、マルテンサイト状態は荷重がかかった状態で六方構造を持つことに注意することが重要です。変形の過程では原子は拡散せず、結晶構造のみが変化します。

ニッケルチタン合金の変形を外部作業に最大限活用するために、ニッケルチタン合金製のエンジンが発明されました。通常のエンジンとは異なり、ニッケルチタン合金製のエンジンは従来のエネルギーの制約から解放されます。ニッケルチタン合金のU字型ベルトが温水と冷水の中で伸縮する現象を利用して車輪を回転させ、熱エネルギーを機械エネルギーに変換することを実現します。ニッケルチタン合金の出現は、私たちが新しいエネルギーを追求するための新たな方向性を示しています。

ドイツのザールラント大学の研究チームは、研究に加え、ニッケルチタン合金を使用して人工筋肉アクチュエータも製造した。これはニッケルチタン合金の形状記憶効果の別のレベルの応用です。研究チームは、極細のニッケルチタン合金線の束で構成された微細な「筋肉繊維」を作成した。ニッケルチタン合金製のワイヤーに電流が流れると、材料が熱くなり、結晶構造が相変化してワイヤーが短くなります。電流が遮断されると、回路は冷えて元の長さに戻ります。複数の合金線を使用して機械的な指関節を接続し、筋繊維をシミュレートし、指の前屈筋と後伸筋に似た筋肉群を形成して、より正確な動きを実現します。

超弾性とは、試験サンプルが外部荷重の作用下で従来の材料の弾性限界よりもはるかに大きな歪みを生成できることを意味します。外部荷重が除去されると、試験片の変形は自動的に回復します。ニッケルチタン合金の弾性限界は一般材料よりもはるかに大きく、フックの法則に従わなくなります。一定の変形範囲内では、応力は非線形関係を示します。超弾性は、医療で広く使用されている超弾性自己拡張ステントや、矯正方向に移動しても徐々に強度が失われない矯正用アーチワイヤーなど、小型で精巧で、高度に自動化された信頼性の高い部品の製造に使用できます。

耐食性もニッケルチタン形状記憶合金の強みです。ニッケルチタン記憶合金の表面が酸化されると、二酸化チタンの酸化物膜が形成され、合金表面層の安定性を高めることができます。ニッケルとチタンの化学的不活性により、ニッケルチタン合金は厚さ 2 ～ 20 ナノメートルの緻密な酸化物層を容易に形成します。移植中に、この酸化層が成長して、生体液のミネラルやその他の成分を吸収し、表面が再構築されて、耐腐食性がさらに強化されます。

これらの特性を生かし、ニッケルチタン合金製の食道、閉塞器、大静脈フィルターなどの低侵襲医療機器が人々の生活に広く利用されています。新しいニッケルチタン記憶合金温度制御尿管ステントが製造され、医療手術に使用されています。加熱すると膨張し、冷却すると柔らかくなるスパイラルブラケットです。ステント留置手術後、ニッケルチタン形状記憶合金ステントは65℃のお湯の中でうまく拡張し、狭い部分に固定され、尿管が再び閉塞されなくなり、患者に朗報をもたらしました。

ニッケルチタン合金は、総合的な性能に優れた形状記憶材料として、長い間、形状記憶合金研究の最重要課題となってきました。従来のミクロン結晶からナノ結晶、アモルファス状態まで、ニッケルチタン形状記憶合金は時代の変化に合わせて進化し、開発の最前線に立っています。同時に、ニッケルチタン合金キャピラリーやバルクナノ結晶ニッケルチタン合金など、新しい構造を持つニッケルチタン合金が数多く誕生しました。今後は、デジタル三次元再構成技術などの新しい技術手段を活用して、ニッケルチタン合金の繊細で精巧な加工を行うことが開発の方向性となります。

（第一著者は西北師範大学の教授および博士課程の指導者であり、第二著者は西北師範大学の大学院生である）