米国の科学者は金属が自己修復できることを証明した

ニューメキシコ州のテキサスA&M大学とサンディア国立研究所の科学者らは、金属が割れて再び融合する様子を観察し、自己修復機械、車両、橋への道を開く可能性がある発見を行った。

科学雑誌『ネイチャー』に掲載されたこの研究は、材料に繰り返し応力がかかった際に形成される微細な亀裂を金属が自己修復できることを示している。

これは冷間圧接として知られるプロセスで実現され、熱や電気は必要ありません。

機械的故障の90パーセントは金属部品の疲労の結果であり、繰り返し応力によって亀裂が形成されるときに発生するため、この画期的な進歩はエンジニアリングに大きな影響を与える可能性があると報告書は主張している。

自己修復プロセスを利用し、それに応じて金属の微細構造を微調整することで、疲労亀裂を防止できる可能性があると科学者らは予測しています。

「金属の微細構造が治癒にどのような影響を与えるのかを理解したいと考えています」とテキサスA&M大学の教授であり、この研究の共同筆頭著者であるマイケル・J・デムコウィッツ氏は述べた。

「その知識を活用すれば、技術的応用で自己修復を利用して微細構造を調整すること、たとえば疲労損傷に対してより耐性のある材料を作成することを構想できます」と同氏はDezeenに語った。

冷間圧接による自己修復が可能

科学者たちは、しばらくの間、自己修復材料の可能性を研究してきました。

コロラド大学ボルダー大学の科学者らが開発した自己修復「eスキン」などのプロジェクトによるプラスチックの開発は、ほとんどの画期的な成果となっているが、MITの最近の研究ではコンクリートでも可能であることが判明した。

これまで、金属を最初に加熱しない限り、この特性は観察されませんでした。

この研究は、主にエレクトロニクスや宇宙船技術で利用される冷間圧接として知られるプロセスで、真空条件下、室温で実現できることを示している。

これは、2 つの裸の金属片が非常に接近して原子が互いに引き付けられ、表面が融合するときに発生します。 金属が完全にきれいな場合にのみ可能です。

サンディア国立研究所の研究者らは、厚さ40ナノメートルのプラチナ片にどのように亀裂が生じるかを調べる実験中にこの発見をした。

彼らは、亀裂が再び融合して痕跡を残さず、最終的には別の場所で再び開くのを観察しました。

サンディアの科学者ブラッド・ボイス氏は「これを直接見て本当に衝撃的だった」とワイリー・アナリティカル・サイエンス誌に語った。

「私たちが確認したのは、少なくともナノスケールでの疲労損傷の場合、金属にはそれ自体が本来持っている自然な自己治癒能力があるということです」と、この研究の共同筆頭著者でもあるボイス氏は述べた。

研究が実用化されるまで10年

この研究結果は、デムコウィッツ氏がマサチューセッツ工科大学（MIT）の教授として働いていた2013年に、当時大学院生だった徐国強氏と行ったコンピューターシミュレーションの結果に基づいて最初に提案した論文であることを証明した。

当時、二人には自分たちの理論を証明する方法がありませんでした。 サンディア氏の研究は、銅だけでなくプラチナでも自己修復が可能であることを示しており、研究者らは他の金属でも自己修復が起こり得ると考えている。

報告書は、この発見は「技術者が構造材料の疲労寿命をどのように設計し、評価するかに関する最も基本的な理論に挑戦する」と述べている。

しかし、デムコウィッツ氏は、その洞察が実用化されるまでには少なくとも10年はかかるだろうと主張している。

次のステップは、真空中だけでなく空気にさらされたときに金属が自己修復できるかどうか、またそのプロセスが鋼などの合金でも可能かどうかを調査することになる。

「最も重要な短期的な影響は、金属疲労の基礎理論にある」と同氏はDezeenに語った。 「亀裂の治癒を考慮してこれらを修正する必要があるでしょう。」

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