金属は、建物から航空機、スマートフォンに至るまで、あらゆるものに使われる、現代の建造環境で最も広く利用されている素材の一つです。大半の金属は地中から採掘されますが、科学者たちは近年、実験室で新世代の金属を生み出しました。いわゆるバルク金属ガラスは、独特の性質を備えています。従来の金属より強く硬い一方で、プラスチックのように成形できます。驚くべきことです。その特別な特性の背景には何があるのでしょうか？
肉眼では、実験室で作られたこれらの素材は一般的な金属のように見えますが、より滑らかで非常に光沢があります。特異な性質の秘密は、原子レベルの構造にあります。私の同僚たち（ ザールラント大学（UdS） および オクラホマ州立大学（OSU））と私は、その謎の一端を解き明かすため、高エネルギーX線を用いた 新たな研究 に取り組みました。バルク金属ガラスの原子スケールの構造と、目に見えるスケールでの粘性流動との関係を特定しました。つまり、濃い蜂蜜やさらさらした水のように流れることを可能にするものです。
非常に強く、しかも流れる
バルク金属ガラスは、ジルコニウム、銅、ニッケル、アルミニウム、金、白金など、複数の成分から作られています。非常に高い強度を示します。これらの金属の一片を引き裂いたり、曲げたり、押したりしても、非常に強いため、永久変形させるのはきわめて困難です。他のどの金属よりもはるかに多くの変形エネルギーを蓄えられるため、理想的なばね材料です。
しかし、バルク金属ガラスを特別なものにしているのは、通常の金属では到達できない特別な過冷却液体状態において、その高い強度と、濃厚な液体のように流れる能力が両立することです。一定の温度範囲まで加熱すると、粘性のある液体のように流れます。そのため、従来のガラスやプラスチックに一般的に用いられる熱成形加工で、これらの特殊な金属を成形できます。原理的には、瓶用ガラスと同じように金属を吹き成形することさえできます。
自然界にあるすべての金属では、原子が規則的に繰り返し並び、三次元格子の中でほぼ均一に積み重なっています。これに対し、実験室で作られるバルク金属ガラスでは、原子は多かれ少なかれ無秩序に配列しています。これは、加熱した液体材料を非常に速く冷却して作るため、原子がその時点の位置で「凍結」され、液体の非晶質構造が保たれるからです。
通常の金属には、規則的な結晶構造の中に広く存在する特定の欠陥があります。力が加わると、それらの欠陥によって規則正しく並んだ原子の面が互いに滑り合うため、これらの合金は比較的容易に永久変形します。バルク金属ガラスでは、原子が規則的な格子状に並ばず、互いに入り交じっているため、これは起こりません。その構造のおかげで、形状が永久に変わるまで、はるかに大きな変形や力に耐えられます。
しかし、バルク金属ガラスの本当に珍しい点は、過冷却液体状態で濃厚な液体のように流れる能力です。これは独特の状態で、比較的安定して保たれる一方、従来の金属が到達するのはほぼ不可能です。バルク金属ガラスをこの特異な状態にするには、ある温度範囲まで加熱します。通常、それは融点までの道のりの3分の2を少し超えたあたりにある、いわゆる過冷却液体領域です。温度が上がると原子の凍結が解け、動き回れるようになります。原子は液体のように振る舞いますが、非常に粘性が高く、ゆっくりと流れます。この特別な粘性流動領域を利用すれば、科学者は「ブロー成形」などによって、バルク金属ガラスを複雑な形状に成形できます。他の金属加工法では実現できないことです。
こうした特別な性質が、バルク金属ガラスを家電製品への応用に魅力的なものにしています。2010年、テクノロジー大手のAppleは、製品にバルク金属ガラスを使用するため、Liquidmetal Technologiesと 独占契約 を締結しました。Apple自身も、この新素材に関する特許を出願し続けています。高級時計メーカーのスウォッチ・グループは、すでに最上位ブランドの オメガでこの特異な金属を採用しています。これらのメーカーは、その強度と、小型部品向けに精密で複雑な形状へ成形できる点を評価しています。
X線の眼鏡をかけて
バルク金属ガラスがなぜ粘性を持つのか、また、組成によって粘性に差が生じるのはなぜかという大きな謎がありました。調べるため、私たちはきわめて強力なX線光源を使い、材料をナノメートル、つまり10億分の1メートルのスケールで観察しました。原子がどのように配列するのかを観察しようとしたのです。
光を生み出すために、私たちは世界で最も輝度の高い放射光源である粒子加速器、 DESYのPETRA IIIを利用しました。X線ビームは、病院、大学、工業研究所で使われるものより数十億倍明るいだけでなく、非常にきつく集束され、波長も極めて短いものです。このような光なら、原子位置のごく小さな変化も検出できます。検出過程は十分に高速で、温度を1度ずつ上げながら、構造変化を1秒ごとに監視できます。
私と同僚たちは、バルク金属ガラスを形成する液体では、約1ナノメートルの範囲にかなりの秩序が見られることを発見しました。温度が上がるにつれ、ある距離での構造は、別の距離での構造よりはるかに速く、しかも一貫しない形で膨張します。さらに興味深いことに、特定の距離にある原子は他の原子よりも「重要」です。粘性流動の能力を左右する主要な役割を担っているからです。
重要な距離は、原子直径の約3～4倍に相当すると特定しました。あるバルク金属ガラスの原子配列では、重要な距離にある原子の周囲の局所体積が、別のバルク金属ガラスよりも温度上昇に伴って速く膨張する場合、その過冷却液体はもう一方よりはるかに「薄く」、流れやすくなります。
このことは、粘性流動能力の起源が原子スケールの構造にあることを示し、どのような原子配列が一方の組成をもう一方より粘性の高いものにするのかを説明します。重要な原子直径3～4倍の距離で、原子が特有の複雑な秩序を形成するのが遅いほど、材料の粘性は高くなります。この構造に関する知識があれば、バルク金属ガラスの原子配列を把握し、コンピューターで原子の動きをシミュレーションすることで、実験室で作製する前に粘度を予測できるようになります。
今回の発見は、この新世代の金属の原子スケール構造を設計することで、将来、望ましい特性を調整できる可能性を示しています。
この記事は、 The Conversationとの協力により掲載されています。 元の記事をお読みください。掲載は、世界経済フォーラムが見解を支持することを意味するものではありません。
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著者：Shuai Weiは、アリゾナ州立大学化学・生化学学科のフェオドール・リネン博士研究員です。
画像：実験室で作られた金属が液体のように流れるのは、どのような性質によるのでしょうか（このデジタルアートのように）。 Balakanu、 CC BY-ND
