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金属が自己修復する様子が世界で初めて観測された

金属疲労とは、材料が、繰り返し長期間にわたって外力による負荷を受けていくうちにその個体に亀裂が生じたり、強度が落ちて破壊に至る現象のことだ。機械が摩耗し、最終的に壊れる原因の1つであり、構造用途における金属疲労は、使用中の故障の最大90%を占めている。疲労防止のために、大きな安全係数の実装と非効率的な過剰設計が行われているのが実状だ。

今回、研究者らは世界で初めて、金属の断片が壊れ、その後自然に再結合する様子を目の当たりにした。これは、従来の科学の原則に挑戦するものである。最近発見された現象が利用できるとすれば、それは自己修復するエンジン、橋、航空機が摩耗や損傷を自分自身で修復し、より安全で耐久性のあるものになるというエンジニアリングの革命をもたらすかもしれない。

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サンディア国立研究所のRyan Schoell研究員は、Khalid Hattar氏、Dan Bufford氏、Chris Barr氏が開発した特殊な透過型電子顕微鏡技術を用いて、ナノスケールの疲労き裂を研究している。 (Credit: Craig Fritz)

サンディア国立研究所の材料科学者Brad Boyce氏は、「これを直接見るのは驚くべきことでした。我々が確認したことは、金属には自己を癒す固有の、自然な能力があるということです。少なくとも、ナノスケールの疲労損傷についてはそう言えます」と、述べている。

疲労損傷は、機械が摩耗し、最終的に破損する主な原因のひとつだ。繰り返される応力や運動により、微細な亀裂が生じ、時間の経過とともに成長し、最終的には装置の完全な故障につながる。

今回の研究で研究者たちが見た亀裂の消失は、このような微小(ナノメートル単位で測定)だが、結果的には破壊につながる亀裂のひとつであった。

「電子機器のはんだ接合部から自動車のエンジン、私たちが車で渡る橋に至るまで、これらの構造物は、亀裂の発生と最終的な破壊につながる繰り返し荷重のために、しばしば予測不可能な破壊を起こします。故障が発生した場合、私たちは交換費用や時間の損失、場合によっては怪我や人命の損失と戦わなければならない。こうした故障が米国に与える経済的影響は、毎年数千億ドルにのぼります」とBoyce氏は説明する。

Boyce氏によれば、科学者たちはすでにいくつかの自己修復材料(主にプラスチック)を作り出しているが、自己修復金属は最近まで不可能とされてきた。「金属のひび割れは、小さくなるどころか、大きくなることが予想されていました。私たちが亀裂の成長を記述するために使っている基本方程式のいくつかでさえ、そのような治癒プロセスの可能性を排除しています」と彼は言った。

しかし、金属の自己治癒の可能性は、2013年、当時マサチューセッツ工科大学(MIT)で材料科学・工学の助教授を務め、現在はテキサスA&Mの正教授であるMichael Demkowicz氏が率いる研究ですでに理論化されている。

Demkowicz氏はコンピューター・シミュレーションに基づき、ある特定の条件下では、金属は摩耗や損傷によってできた亀裂を溶接で閉じることができるはずだと主張した。

サンディア国立研究所の専門家たちは、1秒間に200回、金属の端を繰り返し引っ張ることができる特殊な電子顕微鏡技術を使って、ナノスケールのプラチナ片に亀裂がどのように形成され、広がっていくかを評価した際に、この仮説の明確な証拠を偶然発見した。

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サンディア国立研究所で発見された、金属におけるナノスケールの自己修復の芸術的レンダリング。赤い矢印は、この現象を予期せず引き起こした引っ張り力の方向を示している (Credit: Dan Thompson)

驚いたことに、約40分後、ある場所の損傷が突然反転し、亀裂の一端がまるでその足跡をたどるかのように融合し、前の損傷の痕跡を残さなくなった。その後、亀裂は別の方向に再生し始めた。

このような自己修復プロセスが製造業で実用的なツールになるかどうかを評価するには、さらなる研究が必要である。

「これらの発見がどこまで一般化できるかは、今後、広範な研究の対象になるだろう。私たちは、真空中のナノ結晶金属でこの現象が起こっていることを示しています。しかし、この現象が大気中の従来の金属でも誘発されるかどうかはわかりません」とBoyce氏は語った。

「この発見が、材料研究者たちに、適切な状況下であれば、材料はわれわれが予想もしなかったようなことができるということを考えるきっかけになればと願っています」とDemkowicz氏は締めくくった。


論文

参考文献

研究の要旨

金属における疲労は、反復的な機械的負荷の下で、き裂の漸進的な進展を通じて徐々に破壊する。構造用途では、疲労は供用期間中の故障の最大90%を占める。疲労の防止は、大きな安全係数の導入と非効率な過剰設計に依存しています。従来の耐疲労冶金設計では、き裂の進行を止めるか遅らせるために微細構造が開発されます。き裂の成長は不可逆的であると仮定される。これとは対照的に、他の材料クラスでは、潜在的治癒メカニズムや損傷反転に基づく説得力のある代替案が存在する。ここでは、純金属の疲労き裂が本質的な自己治癒を起こす可能性があることを報告する。ナノスケールの疲労き裂の初期進展を直接観察したところ、予想通り、き裂は局所的な微細構造の障壁で進展、偏向、停止した。しかし、予期せぬことに、き裂は、局所的な応力状態と粒界移動の組み合わせによって誘発されるき裂フランク冷間溶接と表現できるプロセスによって治癒することも観察された。微細構造の特徴との局所的な相互作用を通じて金属中の疲労き裂が自律的に治癒するという前提は、構造材料の疲労寿命の設計および評価方法に関する最も基本的な理論に挑戦するものである。様々な使用環境における疲労への影響について議論する。

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