自己修復ミネラル？ それは単なるSFの話ではありません

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ワシントン – 1991 年の映画「ターミネーター 2: ジャッジメント デイ」では、液体金属で作られた T-1000 という名前の悪意のあるタイムトラベル型変形ロボットが独特の性質を示しています。 爆発や弾丸に当たった場合、彼女の金属は自動的に修復します。

自己修復鉱物なんてまだSFの話ですよね？ どうやらそうではないらしい。

科学者らは水曜日、応力下で金属内でこれらの亀裂がどのように形成され、伝播するかを研究するために設計されたナノスケール実験中に、純粋なプラチナと銅の破片が金属応力亀裂をどのように自発的に修復するかを説明した。 彼らは、比較的近い将来、この能力を鉱物に組み込んで自己修復の機械や構造物を作り出すことができるだろうという楽観的な見方を表明した。

金属応力は、機械、車両、構造物の部品を含む金属が繰り返しの応力や動きにさらされた後に微細な亀裂を維持するときに発生します。この損傷は時間の経過とともに悪化する傾向があります。 金属疲労は、ジェット エンジンなどの航空分野や、橋やその他の構造物などのインフラストラクチャを含む分野で壊滅的な故障を引き起こす可能性があります。

ニューメキシコ州にある米国政府のサンディア国立研究所で行われた実験では、研究者らは小さな金属片の先端を1秒間に約200回ねじ込む技術を使用した。 亀裂が形成され、最初は広がりました。 しかし実験開始から約40分後、金属は再び融合した。

研究者らはこの治癒を「冷間圧接」と呼んだ。

「冷間溶接は、原子結合を固定するために金属の 2 つの比較的滑らかできれいな表面を接合するときに起こることが知られている冶金学的プロセスです」と、ネイチャー誌に掲載された研究の主導者であるサンディア国立研究所の材料科学者ブラッド・ボイス氏は述べています。

ボイス氏はさらに、「『ターミネーター』の自己修復ロボットとは異なり、このプロセスは人間のレベルでは目に見えない。それはナノスケールで起こり、依然としてそのプロセスを制御する必要がある」と付け加えた。

金属片の厚さは 40 ナノメートル、幅は数マイクロメートルでした。 実験では治癒が観察されたのは白金と銅のみだったが、ボイス氏は、このシミュレーションは他の金属でも自己修復が起こる可能性があり、鋼などの合金がこの性質を示すことは「かなりあり得る」ことを示したとボイス氏は述べた。

「この挙動を利用するように設計された材料を想像することは可能です」とボイス氏は言う。

ボイス氏はさらに、「この新しい知識を踏まえると、疲労破壊を軽減するために導入できる代替の材料設計戦略や工学的アプローチがあるかもしれない。さらに、この新しい理解は、既存の構造における疲労破壊に光を当てる可能性があり、そのような破壊を説明し予測する能力を向上させる可能性がある。」と付け加えた。

科学者たちは過去にいくつかの自己修復材料を作成しましたが、そのほとんどはプラスチックでした。 研究の共著者であるテキサスA&M大学の材料科学・工学教授マイケル・ディムコビッチ氏は、10年前に金属の自己修復を予測した。

ディムコビッチは、特定の条件下では、通常は疲労関連の亀裂を悪化させるストレス下に金属を置くと、逆の効果が生じる可能性があることを正しく発見しました。

「我々の研究結果を具体的に応用するには、さらに10年かかると今では考えています」とディムコビッチ氏は語った。

ディムコビッチ氏は「私が最初に予測したとき、一部の新聞は私がT-1000を開発していると報じた。まだSFだ」と語った。 「しかし、（テレビシリーズの）『バトルスター・ギャラクティカ』の最後では、乗組員はサイロン（架空のロボット種族）の技術を応用して船の疲労損傷を修復し、金属を自らの傷を治癒できる有機組織のように機能させます。私たちが取り組んでいることは、より『バトルスター・ギャラクティカ』の例と一致していると思います。」

自己修復は、電子顕微鏡と呼ばれる装置を使用して、非常に特殊な環境で観察されます。

「この研究で残された大きな疑問の1つは、このプロセスが微細な真空環境だけでなく、空気中でも起こるかどうかということだ。しかし、たとえそれが真空中でしか起こらなかったとしても、宇宙船内の疲労や、大気にさらされていない表面下の亀裂に伴う疲労に対して重要な意味を持っている」とボイス氏は述べた。

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