金属ガラス：鋼より強く、プラスチックよりも形状変化しやすい素材

概要

この記事では、科学者や技術者を興奮させている、比較的新しい発明である金属ガラスのユニークな特性について探求します。金属ガラスは、鋼の強度とプラスチックの形状変化性を組み合わせた素材であり、幅広い用途に適しています。金属ガラスの原子構造について掘り下げ、結晶性材料との違いについても議論します。また、大量の金属ガラスを製造する際の課題についても取り上げ、なぜまだ広く使用されていないのかについても説明します。

鋼とプラスチックの強みと弱み

鋼とプラスチックは、インフラや技術において使用される2つの重要な素材です。鋼は強く硬いですが、複雑な形状には加工しづらく、プラスチックはどんな形状にも取ることができますが、弱く柔らかいです。鋼の強度とプラスチックの形状変化性を組み合わせた素材があったらどうでしょうか？

金属ガラスの台頭

それが金属ガラスです。金属ガラスは、これらの特性を持ち、それ以上の特性も持っています。金属ガラスは金属のように見え、金属のように熱や電気を伝えますが、ほとんどの金属よりもはるかに強力です。たくさんの力に耐えることができ、曲がったりへこんだりすることなく、超鋭利なメスや超強力な電子機器のケース、ヒンジ、ネジなどに最適です。金属ガラスは非常に弾性があり、テニスラケット、ゴルフクラブ、スキーなどのスポーツ用品に最適です。腐食にも強く、鏡面の複雑な形状に型を取ることができます。

金属ガラスのユニークな原子構造

金属ガラスのユニークな特性は、その原子構造に由来します。ほとんどの金属が固体として結晶性を持つのに対し、金属ガラスは液体のような非晶質の内部構造を持ちます。この構造には、ほとんどの金属にある弱いスポットである結晶粒界が欠けています。科学者たちは、1960年に金とシリコンから金属ガラスを作り出し、合金を非常に速く冷却することで作り出しました。冷却速度は秒間100万度にもなり、小さな液滴を冷たい銅板に打ち付けるか、超薄いリボンを回転させることで行われました。

大量の金属ガラスとその課題

最初の金属ガラスは、数十〜数百マイクロメートルしか厚くならず、ほとんどの実用的な用途には薄すぎました。しかし、科学者たちは、自由に混ざり合うが一緒に結晶化しにくい複数の金属を混ぜると、通常は原子サイズが非常に異なるために結晶化しにくいため、混合物がよりゆっくり結晶化することを発見しました。これらの材料は、大量の金属ガラスまたはBMGと呼ばれます。

数百種類の異なるBMGがありますが、パラジウムやジルコニウムなどの高価な金属で作られており、結晶化を引き起こす不純物があると、非常に純粋でなければなりません。したがって、BMGの超高層ビルや宇宙船は天文学的に高価になります。また、荷重を支えるためにはまだ十分に強くありません。応力が高くなると、予期せずに破壊されることがあり、橋には理想的ではありません。

結論

大量の金属ガラスを製造する際の課題があるにもかかわらず、科学者や技術者たちは、この素材の可能性に興奮しています。エンジニアがより安価な金属からBMGを作り出す方法や、より強いBMGを作り出す方法を見つけ出せれば、可能性は無限大です。金属ガラスは、スポーツ用品から電子機器、建設まで、幅広い産業を革命化する可能性があります。