金属に「自己修復能力」があることが判明。研究者が偶然発見

Munenori Taniguchi

@mu_taniguchi 2023/07/26 18:02

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ニューメキシコ州アルバカーキのサンディア国立研究所とテキサスA&M大学の材料科学者らが、銅およびプラチナについて研究している最中に「偶然にも」自己修復能力を持っていることを発見したと科学誌「Nature」に報告した。

研究者らは、非常に小さなプラチナと銅のサンプルにおけるナノスケールの疲労クラックの成長に焦点を当てた実験中に、この現象を発見した。実験では透過型電子顕微鏡を使用して、200回/秒のペースで材料の表面に電子線を微細に照射し、予想通りに小さな亀裂が形成され、次第に成長するのが観察できた。ところが、その後40分足らずのあいだに、金属が自律的に亀裂を埋め、元のように戻ってしまったことから、研究者らは驚いたという。

実験が行われた米エネルギー省のサンディア国立研究所のスタッフサイエンティスト、ブラッド・ボイス氏は、「実験の目的は、金属の疲労荷重に関連する機械的プロセス、特に結晶粒界移動の現象を観察することだった」と述べ、「つまり、もともとはこのような自己修復を見ようとしていたわけではなかった」としている。しかし、「それを見たあとは、私たちは修復プロセスをくわしく観察するために意図的に実験を繰り返した」と続けた。

そして予想では、「金属の亀裂は、もっぱら大きくなることがこれまで予想されていた。亀裂の成長を説明するために私たちが使用する基本方程式の一部でさえ、そのような治癒プロセスの可能性を排除している」

金属疲労によるクラックの発生は、われわれが目視できるレベルの世界でも普通に起こりうる現象だ。ボイス氏はサンディア国立研究所が発行したプレスリリースで「電子機器のはんだ付け部分から自動車のエンジン、車道橋に至るまで、これらの構造物は構造に対して周期的に加わる負荷により、予期せぬ亀裂の発生から最終的には破壊といった故障に至ることがよくある」と述べた。

今回観察された金属材料の自己修復、つまり治癒能力は、多くの研究者には驚きだった。ただし10年前に、当時MITの教授だったマイケル・デムコウィッツ氏が論文「ディスクリネーションによるナノクラックの修復」で発見した、特定の条件下で金属応力誘発亀裂が仮説的に修復可能であるとの内容を、今回の実験が証明するものと言えそうだ。デムコウィッツ氏は当時、実験によってこの仮説をどのように検証すればよいのかわからなかったと述べている。

ボイス氏は今回の研究で、金属に発生させた微小な亀裂が再び結合するのは、デムコウィッツ氏らが10年前に予測していたとおり、圧縮力が金属内部の「冷間圧接」効果を活性化するときに生じるプロセスだと述べ「これらの観察と、動作を予測する裏付けとなる計算モデルは、これが現実に再現可能だと確信するのに役立った」としている。

ただ、研究者たちは研究で「自己修復現象は数多くの金属を応用した構造物など影響を与える可能性があり、特に繰り返し荷重が加わる状況下の疲労破壊では、延期された致命的な破壊を予測するのが難しい場合がある」とも指摘している。

この研究には、まだ調査やテストが必要なことが多く残っている。また現象およぼす影響は広範囲に拡がる可能性があり、場合によっては地上の建築・構造物から宇宙船や宇宙ステーションに至るまで、技術者らが設計・構築するあらゆるものの作り方を変えさせる可能性がある。

なお、今回の実験は真空中で行われたが、研究チームはこの自己修復が通常の大気条件でも発生するかどうかを、まず知りたいと考えている。