材料科学は長きにわたり、物質的進歩、そしてあらゆる進歩の根幹を成してきたため、その最大の貢献は既に過去のものとなったと考えたくなるかもしれません。石器時代、青銅器時代、鉄器時代。いずれも、斧の刃をより鋭くするための砕いた火打ち石から、飛行機の翼をより軽量にするための合金アルミニウムに至るまで、私たちが日常の物の製造と加工を行う方法の劇的な進歩によって特徴づけられました。しかし、シリコン時代の今、進歩とは単に1と0を操作することだけではないでしょうか？
答えは、断固としてノーです。今日、材料はかつてないほど重要になっています。だからこそ、ポピュラーサイエンス誌は今号の大半を材料に割いたのです。世界中の研究所で、科学者たちは明日の製品の基礎を築くべく、日々研究に取り組んでいます。例えば、氷（軽量の飛行機の翼に付着する）から黄色ブドウ球菌（細菌まみれの病院内）まで、あらゆるものをはじく超滑らかなコーティング、温度やpHに応じて特性が変化する自己調整材料、他のスマート材料がエネルギーをより効率的に利用する一方で、無駄なエネルギーを捕捉する圧電フィルムなどです。エンジニアたちが試験室でこれらの材料の性能を検証し、その新機能を活用した設計に組み込んでいくにつれ、惑星間探査に対応した宇宙服から原子炉まで、あらゆるものが改善されていくでしょう。
実際、シリコン時代の中核を成すムーアの法則は、データサイエンスの原理ではなく、材料科学の原理を説明しています。つまり、18ヶ月ごとに、有限のチップに2倍の部品を詰め込む方法が見つかるということです。つまり、より優れた材料はより優れたコンピューターを生み出し、それがさらに優れた材料の設計に役立っているのです。材料科学は数百万年にわたる進歩を遂げてきましたが、私たちはまだその道を歩み始めたばかりなのです。
—編集者
クモ糸インプラント
人間の組織は簡単に裂けてしまうが、クモの糸は鋼鉄よりも強い。そこでユタ州立大学の研究者たちは、クモの糸を紡ぎ、損傷した肩や膝の修復に役立てている。彼らは遺伝子組み換えヤギを飼育し、大量のクモ糸タンパク質を生産させ、それを糸状に紡ぎ、それを繊維に編み込んだ。この繊維はクモ糸の伸縮性を維持しながら、人間の靭帯の100倍、腱の最大20倍の強度を持つ。MITでクモ糸タンパク質とコラーゲンを融合させる研究を行っているマーカス・ビューラー氏によると、クモ糸は骨移植の脆さを軽減する効果もあるという。両研究チームは、2030年までにクモ糸インプラントがヒトへの使用が承認される可能性があると予測している。
—サラ・フェクト
エレクトロニックスキン
皮膚は体を守るだけでなく、感覚を伝える役割も担っている。エンジニアたちは、電子機器を柔らかく肉質にすることで、移植片や義肢を覆う人工皮膚にも感覚を与える方法を発見した。イリノイ大学の研究者たちは、指先を覆うほど薄く柔軟な回路を作製し、圧力を電気信号に変換している。スタンフォード大学で開発された、電気を蓄えることができるゲルは、成形可能なバッテリーになる可能性がある。また、カーネギーメロン大学のカーメル・マジディ氏は、ゴムを圧力センサーや摩擦センサーに変えようとしている。彼はゴムに液体金属の小さなチャネルを埋め込み、液体の動きに応じて導電性を変化させる。電子皮膚は人間以外の生物にも役立つかもしれない。「このエンジニアリング手法は、ロボットや機械をはるかにリアルにする可能性を秘めています」とマジディ氏は言う。
—ローレン・アーロンソン
より安全な原子炉
国内104基の原子力発電所は、ウランを貯蔵する圧力容器をはじめ、多くの部品に鋼材を多用しています。しかし、放射線の継続的な照射は鋼材を劣化させ、破損しやすくなる可能性があります。カリフォルニア工科大学とロスアラモス国立研究所の研究者たちは、将来の原子炉の耐災害性を向上させる可能性のあるナノラミネート複合材料を開発しました。この複合材料の金属層間の界面は、放射線照射を受けた材料の脆化を引き起こす放射線誘発欠陥を吸収します。カリフォルニア工科大学のエンジニア、ジュリア・グリア氏によると、近い将来、このラミネートを鋼材に組み込み、既存の原子力発電所の老朽化した部品を置き換えることが可能になるという。宇宙船の材料もナノラミネートでコーティングし、深宇宙からの宇宙放射線から保護できる可能性がある。
—LA
電動ランニングシューズ
技術者たちは100年以上もの間、圧電素子を使って機械的ストレスを電気に変換してきたが、舗装道路を叩くことでiPodに電力を供給するという目標は未だ達成されていない。現在の圧電材料は製造が難しく、典型的にはニッケルや鉛などの有毒金属を含んでいる。ローレンス・バークレー国立研究所の研究者たちは、自己組織化してフィルムを形成する遺伝子組み換えウイルスを使うことで、この両方の問題を解決した。圧力がかかると、ウイルスの殻にあるらせん状のタンパク質がねじれて回転し、電荷が発生する。切手大のウイルスのサンプルをタップすると400ミリボルトの電気が発生する。これは液晶画面を短時間点灯させるのに十分な量だ。バイオエンジニアのスンウク・リー氏によると、5年から10年以内には、このフィルムを使って建物の振動や心拍、その他の動きからも電力を利用できるようになるという。
—SF
熱追尾型ソーラーパネル
ひまわりが光に向かって曲がるように、太陽光パネルは太陽の動きに合わせて回転することで発電量を増やすことができます。しかし、回転にもエネルギーが必要です。「太陽光に反応し、同時に機械的な反応もできる材料は多くありません」と、ウィスコンシン大学マディソン校のエンジニア、ホンルイ・ジャン氏は言います。ジャン氏は、太陽光パネルのベースを受動的に動かすことができる材料を開発しました。彼は、太陽光を吸収するカーボンナノチューブと、
液晶エラストマー（LCE）は、加熱されると収縮します。太陽エネルギーによってベースの片側が温められると、LCEが収縮し、ソーラーパネルが太陽の方向に傾きます。その側が影になると、LCEは冷却され、元の高さに戻ります。フィールドテストでは、このシステムによりソーラーパネルの効率が平均10%向上することが示されています。
—SF
無菌病院
米国の病院では、細菌感染により年間約10万人の患者が死亡しており、職員は感染拡大を阻止するために継続的に表面を殺菌する必要がある。ハーバード大学の研究室で開発された素材は、カテーテルなどの医療機器での微生物の増殖をそもそも防ぐことができる可能性がある。非常に滑りやすいため、細菌さえも付着できない。SLIPS（滑りやすい液体注入多孔質表面）技術に基づくこの素材は、昆虫がウツボカズラに滑り込むのと同じメカニズムを利用している。テフロンや金属などの固体ベースにナノ細孔を形成し、そこから非常に滑らかな潤滑剤が吸い込まれるため、細菌などその他のものはすべて液体コーティングから滑り落ちる。ハーバード大学の材料科学者であるタクシン・ウォン氏は、SLIPSは埃、氷、落書きにも同じ効果があり、より多くの産業で役立つ可能性があると述べている。
—ローラ・ゲッゲル
バットウィング機
今日の航空機は、自然界の最高の飛行士たちの機敏さと精度に遠く及ばない。「コウモリ
「ほとんどの動物やほとんどの人工材料とは異なり、非常に柔軟な翼を持ち、多くの興味深い空気力学的特性を備えているからです」とブラウン大学の機械工学者ケニー・ブロイヤー氏は言います。シラキュース大学のパトリック・T・マザー氏と彼のチームは、同様の特性を持つ材料を開発しました。ポリマー鎖が一方向に並ぶことで、硬く安定し、反対方向には12倍の弾性を発揮します。今後5～10年で、このような材料により、小型無人機の翼が伸縮して羽ばたけるようになり、偵察任務中に低速で飛行しながら正確に旋回することが可能になります。
—LA
インテリジェントクロージング
人々は異なる衣服を着ることで、日差し、雨、寒さに備えることができます。しかし、シャツやズボンが環境にインテリジェントに適応するようになったのは、これまでは初めてのことです。ピッツバーグ大学のエンジニア、アンナ・バラズ氏は、20年以内に「服があなたの代わりに考えるようになる」と述べています。ピット大学とハーバード大学が開発した素材は、温度を一定の範囲内に調節することができます。この素材の層内には、化学的・機械的なフィードバックループが組み込まれており、あらかじめプログラムされた温度で発熱反応のオン/オフを切り替えます。この同じ戦略は、pH、光、グルコースなどの他の刺激に反応して自己調節する素材の開発にも応用できます。つまり、水道管、窓、医療機器も同様にスマートになる可能性があるということです。
—SF
自己修復コンピュータ
集積回路はデジタル時代を可能にしたかもしれないが、依然として大きな制約、つまり物理的損傷という問題を抱えている。イリノイ大学で開発された新しいコーティングは、死んだ回路を1ミリ秒もかからずに復活させることができる。エンジニアのナンシー・ソトス氏によると、「エグザクトナイフで切り裂いたとしても」だそうだ。彼女のチームは、金線を液体金属の微小カプセルでコーティングした。ワイヤーが断線すると、カプセルが破裂し、液体金属が亀裂を埋めて導電性を回復させる。ソトス氏によると、5年から10年以内に、同様の自己修復コーティングが回路基板の部品を接続するワイヤーを覆い、ほぼすべてのコンピューターやガジェットに自己修復能力を与えるようになるという。
—LA
貫通不能な装甲
「材料科学の多くの分野において、私たちは工学技術の限界に達しました」と、マギル大学のエンジニア、フランソワ・バルテラ氏は語る。「自然は私たちに多くの新しい技を教えてくれると確信しています。」多くの海洋生物の防護装甲は、それを構成する材料よりも最大3,000倍も強靭です。バルテラ氏は魚の鱗の構造を模倣することで、同様に複合材料の強度を高めました。ヴィラノバ大学のエンジニアたちは、より柔らかい複合材料に、ホラ貝の殻のような角度でセラミック結晶を積み重ねました。ひび割れが材料を粉砕するのではなく、ジグザグに伸びて消えていくため、ベースとなるセラミックの10倍の強度が得られます。このような進歩により、3～5年で装甲を強化できる可能性があります。
—LA
