金色のフープからアメリカチームの盾まで、この素材は欠かせない

『西遊記』には、天を支えて何千もの敵を一掃する孫悟空の金の棍棒が登場します。マーベルユニバースには、ウルヴァリンの冷たい銀色の爪があります。キャプテン・アメリカの壊れない、なめらかで明るいシールド。そしてアイアンマンの威厳があり、ハンサムでクールなアーマーなど、これらの「便利な武器」はスーパーヒーローの最も象徴的な名刺です。しかし、国内外を問わず、古今東西の魔法の武器を総ざらいしてみると、実はすべて「合金」という共通の名前を持っています。

合金包丁

（写真提供：veerフォトギャラリー）

スーパーヒーローの魔法の武器から一般人の包丁まで、なぜそれらはすべて純金属ではなく合金で作られているのでしょうか?純金属と比較した合金のかけがえのない利点は何ですか?これは合金の起源から始めなければなりません。

パート1

歴史の発展を見守ってきた合金

合金とは、ある金属を別の金属または非金属と混合して溶かし、その後冷却して固化させることによって得られる、金属特性を持つ固体製品を指します。この観点から見ると、合金とは純粋な金属に他の金属または非金属元素を加えた混合物です。

素材はしばしば時代の象徴となります。古代石器時代を除けば、青銅器時代、鉄器時代、そして過去 100 年間におけるアルミニウムなどの金属の使用は、合金と切り離せないものです。青銅は金属精錬の歴史の中で最も古い合金です。純銅（丹銅）にスズや鉛を加えた合金です。

約5000年前の夏王朝の時代には、中国で青銅器を製錬していたという記録が残っています。その最盛期は商代、西周代、春秋時代、戦国時代初期で、約1,600年続きました。この時代の青銅器は、主に祭器や楽器、武器、雑貨などに分けられます。曽后儀の鐘と越王狢堅剣はともにこの時代を代表する青銅工芸品であり、代々受け継がれてきた国宝です。 2,000年以上も休眠状態にあるにもかかわらず、その鐘は今も魂を揺さぶり、その剣は今もナイフのように鋭い。

曽后儀の鐘（左）と越王狗堅剣（右）

画像出典: veer gallery

移行期とは、一般的には戦国時代末期から秦漢時代末期までの期間を指します。祭祀や音楽の崩壊とともに、青銅器によって構築された祭祀体系は徐々に崩壊していった。国の最も重要な事柄は犠牲と戦争でした。武器や供物に鉄器が使われるようになり、人々は鉄器時代に突入しました。

鉄器は金属鉄と炭素元素からなる合金です。炭素含有量の割合に応じて、銑鉄、錬鉄、鋼鉄に分けられます。実際、自然界では、鉄の埋蔵量は銅の埋蔵量よりもはるかに多いのです。青銅が鉄よりも早く誕生した理由は、鉄の製錬に必要な温度が1500℃と比較的高く、青銅器時代の人々がこの温度と技術的要件を満たすことができなかったためです。

漢代の鉄器

（写真提供：鄭州古興漢代製鉄所遺跡博物館）

パート2

合金は純金属よりもなぜ強いのでしょうか?

まず、厳密に言えば、地球上に 100% 純粋な金属は存在しません。私たちが接触するすべての金属は合金のカテゴリーに属します。なぜなら、科学的な観点から言えば、金属が 100% 純粋であることは不可能であり、100% 純粋であるかどうかをテストすることは不可能だからです。したがって、金銀市場におけるいわゆる「純金」や「純銀」は、純度が 100% に近いものにすぎません。金や銀以外の原子を一つずつ選別しなければ、100%純粋な金や銀は得られませんが、これは明らかに達成不可能です。

しかし、現在の精錬技術では純度 99.999% の金属をすでに生産することができ、その応用性能は 100% 純粋な金属と変わりません。したがって、簡単に言えば、不純物の総含有量が 0.1% 未満の金属を純粋な金属と呼ぶことができます。

画像出典: veer gallery

第二に、合金には純金属にはない独自の利点がいくつかあります。たとえば、合金の硬度は一般にその母材の硬度よりも大きくなり、いわゆる固溶強化になります。たとえば、アルミニウム合金の硬度は純粋なアルミニウムの硬度よりもはるかに高くなります。ただし、液体で原子炉の熱伝導体として使用されるナトリウム・カリウム合金など、例外もあります。

合金の電気伝導率と熱伝導率は、いずれの構成金属よりも低くなります。この合金の特性を利用して、高電気抵抗、高熱抵抗の材料や、特殊な特性を持つ材料を製造することができます。一部の合金は、その構成金属のいずれよりも耐腐食性が優れています。たとえば、鉄に 15% のクロムと 9% のニッケルを加えると、耐腐食性のあるステンレス鋼が製造されます。

パート3

様々な魔力を持つ合金武器

『西遊記』の金の棍棒の描写は次の通り。「この棍棒は九曲の鉄で作られ、老君自身が炉で鍛造した。禹王はこれを求めて神宝と呼び、四つの海と八つの川がその証明となった。」ここで紹介する九曲鉄は、実はステンレス鋼で、イラン、インドなどが原産の鉄と炭素の合金で、南北朝時代に中国に伝わりました。

画像出典: テレビシリーズ「西遊記」

明代には、高品質の武器はステンレス鋼で作られるようになりました。表面を磨いて腐食剤で処理すると模様が現れることから「ビンタイ」と呼ばれています。 「老君が自らの手で炉で鍛造する」とは、ステンレス鋼の加工に欠かせない鍛造技術を指し、鋼を徐々に硬化させる工程です。そして、次の「四つの海と八つの川が試練となる」という文章と合わせると、金の棍棒は淡水と海水の両方に入れても腐食も錆びないことが証明され、その材質がステンレス鋼であるという推測が再び裏付けられます。

原作小説によれば、ウルヴァリンの爪とキャプテン・アメリカの盾はどちらも「アダマンチウム」で作られているが、この合金は現在地球上に存在しない。アイアンマンの数あるアーマーの中でも、チタン合金アーマーは最も重要な位置を占めています。

ウルヴァリンの爪（左）とキャプテン・アメリカの盾（右）

画像出典: 映画「ウルヴァリン」および「キャプテン・アメリカ」

チタン合金はチタンにアルミニウム、バナジウムなどの金属を加えて作られた合金です。十分な強度を持つ合金鋼と比較すると、チタン合金は非常に軽量です。十分な密度と軽さを持つアルミニウム合金と比較して、チタン合金は十分に高い強度と耐熱性を備えています。そのため、航空宇宙などの軽量かつ高強度が求められる分野ではチタン合金が第一選択肢となります。また、チタン合金は人体との親和性も優れているため、義歯や入れ歯などの人工骨もほとんどがチタン合金で作られています。

現在、人類が発見した金属元素は合計で108種類しかなく、異なる含有量の異なる金属の配置と組み合わせによって、異なる特性を持つ数千種類の合金を形成できます。そのため、合金はより広い設計と加工空間とより多くの可能性を持ち、人類文明の発展に継続的に対応することができます。

参考文献:

[1] 呉成根西遊記[M]。

制作：中国科学普及協会

制作：中国科学院XY大連化学物理研究所 監修：中国科学博覧会

この記事は著者の見解のみを表しており、中国科学博覧会の立場を代表するものではありません。

この記事は中国科学博覧会（kepubolan）に最初に掲載されました。

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