カリフォルニアの材料科学者たちは、材料製造の新しい方法を生み出す可能性のあるレシピを使用して、既知のどの材料よりも優れた強度と靭性を備えた特殊な金属ガラスを作成した。
パラジウムを主成分とするマイクロアロイであるこのガラスは、ガラス本来の脆さを克服しつつ強度を維持する化学構造を持っています。密度はそれほど高くなく、鋼鉄よりも軽量で、アルミニウムやチタン合金と同等の重量です。
「これはおそらく、これまでに達成された中で最良の強度と靭性の組み合わせです」と、ローレンス・バークレー国立研究所の材料科学者で、この新しいガラスに関する論文の著者の一人であるロバート・O・リッチー氏は述べています。「史上最強の素材ではありませんが、強度と靭性を兼ね備えた最高の素材の一つであることは間違いありません。」
言い換えれば、より硬い材料は存在するものの、強度は劣り、より強い材料は存在するものの、それほど強くないということです。これを理解するには、強度と靭性の違いを定義する必要があります。強度とは、材料が変形する前にどれだけの力に耐えられるかを指します。靭性は、何かを破壊したり壊したりするために必要なエネルギー、つまり物体がエネルギーを吸収する能力を表します。多くの場合、これらの特性は互いに排他的です。「究極の目標は、これら両方の特性を同時に実現することです」とリッチー氏は言います。
陶器のマグカップを想像してみてください。かなり丈夫で、熱や冷たさにも楽々と耐えながら形を保ちます。しかし、それほど頑丈というわけではありません。床に落としても割れないようにするほどの柔軟性や曲げやすさはありません。一方、輪ゴムは丈夫で、新聞紙や卵パック、その他無数の物に巻き付けるために伸び縮みします。しかし、輪ゴムは弱く、それほどの力を加えると変形して切れ、痛い反動で跳ね返ってきます。
強化ガラスは目新しいものではありません。携帯電話、ノートパソコン、テレビのコーティングに使用されているコーニング社のゴリラガラスは、圧縮イオンで化学的に強化されており、ひび割れや欠けを防ぎます。1915年から望遠鏡の鏡や耐熱皿に使用されているパイレックスガラスは、耐熱性を高めるために熱処理が施されています。しかし、どちらも飛行機や橋梁などの製造に必要な強度を備えていません。
理想的な構造材料は、強度と靭性を兼ね備えた材料です。鋼鉄はその好例です。新しいガラスは、どんな鋼鉄よりもはるかに優れた強度と靭性を兼ね備えています。
「構造材料を作る際には、可能な限り強度を高めたいと考えますが、限界となるのは破壊に対する耐性、つまり可能な限り強靭性です」とリッチー氏は述べた。「例えば、ゴールデンゲートブリッジは比較的低強度の鋼で作られています。これは、何の前触れもなく壊滅的に壊れるよりも、まず曲がる方が望ましいからです。」
ガラス質材料は通常非常に脆く、せん断帯（せん断ひずみ帯）の形成後に破損します。せん断帯とは、最終的にひび割れとなる狭いひずみ領域です。せん断帯が形成されると、ひび割れの発生を止めることはほぼ不可能です。しかし、パラジウムの特性がこの状況を変えるとリッチー氏は説明します。ガラス全体に広がる単一のせん断帯ではなく、多数のせん断帯が形成され、それらが互いに巻き付くため、ひび割れに至るまでの時間が長くなります。せん断帯によって、材料は破損する前に曲がることができます。これはガラスに期待される特性ではありません。
「こうしたせん断帯は非常に簡単に形成されますが、それが亀裂に発展することは困難です。結果として、多くのせん断帯が形成され、塑性が生じます。つまり、非常に簡単に曲げられるようになるのです」とリッチー氏は述べた。
カリフォルニア工科大学のマリオ・D・デメトリウ率いる研究者たちは、数年にわたり金属ガラスの研究に取り組んでおり、様々な配合を用いてガラスの強度を高めたり、破損を防いだりしてきました。以前の研究では、例えばせん断帯の進行を阻止する結晶相を導入していました。しかし、今回の新しいガラスには結晶が全く含まれておらず、パラジウム、リン、シリコン、ゲルマニウム、銀のマイクロアロイのみで構成されています。
「それぞれの要素は、本来はそれぞれの形で効率的に結晶化しようとしますが、5つになると材料は混乱してしまいます。どの方向に結晶化すればいいのか分からなくなり、結晶化のプロセスが遅くなってしまうのです」とリッチー氏は述べた。「これは100%ガラスなので、ひび割れを防ぐものは何もありません。これは重要な進歩だと考えています。」
カリフォルニア工科大学の研究者たちは、次に他の金属の配合でこれを試したいと考えている。
このガラスは、使用する金属の量と冷却工程の複雑さから、高価で製造が困難です。そのため、パラジウムガラス製の飛行機や橋がすぐに見られるようになるわけではありませんが、この素材とその製造プロセスは、これらの構造物の未来に希望を与えてくれます。
「橋、船、宇宙船、エンジンの材料など、強度と靭性を兼ね備えたものが求められます。この技術は、率直に言ってあらゆる材料の中で最も可能性が低いガラスでそれを実現する手段を提供します」とリッチー氏は述べた。
この新しいガラスについては、今週のNature Materials誌で説明されています。
