金属には「記憶」があるのでしょうか？

まずはマジックショーを見ましょう。

マジシャンはまっすぐなスプーンを0℃の水に入れて曲げました。それから、マジシャンはスプーンを手に持ち、不思議なことに手に3回息を吹き込み、指を広げました。すると奇跡が起こりました。スプーンは本当にまっすぐになったのです！

なぜこのようなことが起こるのでしょうか?秘密は間違いなく、その 3 回の呼吸にあるわけではありません。では、それはどこにあるのでしょうか?

このスプーンは「記憶」機能を持つ金属で作られていることが判明しました。元々の平らな形状を「記憶」しており、手で温められて温度が上がると「記憶」が目覚め、手を開くと真っ直ぐになるのです。

はは、金属には実際に「記憶」があるんだ！

このように自身の形状を「記憶」できる金属を形状記憶金属と呼びます。 2つ以上の元素で構成されているため、形状記憶合金とも呼ばれます。

「嫦娥が月へ飛んだ」という話を聞いたことがあるでしょう！月面着陸に成功することは、我が国の航空宇宙産業従事者の長年の夢でした。嫦娥宇宙船の打ち上げが何度も成功しており、月面着陸はもはや単なる夢ではありません。

しかし、月面への到達に成功するのは、ほんの第一歩に過ぎません。また、月の「特産品」である月の土を「梱包」して地球に持ち帰る必要があり、これは科学者の研究にとって非常に重要です。

しかし、月面での人手作業がなければ、採取した月の「名物」を袋に入れて梱包し、こぼれないように密封するにはどうすればいいのでしょうか。

科学者たちは形状記憶合金を発明した。形状記憶合金のワイヤーをねじれた形のシーラーにし、そのシーラーを円形に曲げて嫦娥5号の打ち上げ前に月の土を入れた布袋の口に縫い付け、その後、布袋を月の土を採取するための金属管の外側に置いた。

掘削と採取が始まると、自動装置が袋の上部にある引き綱を通して布袋をゆっくりと金属管の中に引き込み、採取された月の土も管の中の布袋の中にゆっくりと入ります。収集ミッションが完了すると、金属チューブの外側にある布製バッグがすべて裏返されてチューブ内に入れられます。この時、袋口に縫い付けられた形状記憶合金シーラーは、月の温度条件により、丸い形状からねじれた形状に自動的に復元し、袋口をしっかりと密閉します。梱包完了です！

最終的に、「荷物」は帰還カプセルに乗って無事に地球に帰還しました。

2020年12月17日、月探査機「嫦娥5号」が月の土壌サンプルを積んで地球に帰還し、我が国初の無人月面サンプル採取ミッションを無事に完了しました。形状記憶合金がこのミッションの達成に役立ちました。

シンプルでスムーズなように見えますが、実際には、考えてから実行するまで、紆余曲折と課題に満ちています。正確な温度制御は解決すべき大きな問題の一つです。

月では、日中の気温は非常に高く、夜間は非常に低くなります。昼と夜の温度差は300度を超え、地球とは大違いです！この場合、通常の形状記憶合金は単に「その能力を発揮」することができません。どうすればいいですか？

北京航空航天大学の形状記憶合金研究チームは、この困難を克服しようと決意している。彼らは、通常の形状記憶合金に何らかの「材料」、つまり他の合金元素を追加し、合金線の加工方法を改善することで、形状記憶合金を「アップグレード」できることを発見しました。

しかし、具体的にはどのような合金元素をどれくらい添加すればよいのでしょうか?これは気まぐれで決められるものではありません。正確な答えを見つけるために、彼らは実験を繰り返し、配合を改良し、ついに月面環境の要件を満たす形状記憶合金を得て、シーラーに加工しました。その後、航空宇宙技術担当者はさまざまな複雑な環境で繰り返しテストを実施し、最終的に宇宙ミッションを遂行する2人のシーラーを選択し、月の土壌採取を無事に完了しました。

今日の航空宇宙分野における形状記憶合金の広範な応用は、上級科学者の静かな献身と切り離すことはできません。趙連成院士は、それが我が国の航空宇宙産業の発展に重要な役割を果たすであろうことに非常に早い段階で気づき、実現した人物の一人でした。

その年、大学を卒業したばかりの趙連成は、国の要請により上海を離れ、「氷の都」ハルビンにやって来て、「材料の世界」の探求を始めました。

研究を進めるうちに、彼は特定の金属が記憶に似た特別な「才能」を持っていることを発見した。はは、面白いですね！

どの金属にそのような「才能」があるのでしょうか?このような強力な「才能」をどのように活用すればよいのでしょうか?

彼はこれらの疑問に対する答えを見つけることができず、また、これまでの経験もなかったため、国内外の情報を熱心に調べ、それを多数の複雑な実験と組み合わせました。最後に、彼は、エンジニアリング用途に使用できる記憶合金は、基本的にニッケルチタンベースの記憶合金の範囲内に限定できると結論付けました。この推論により、我が国の記憶合金研究は新たなレベルに到達しました。

次は形状記憶合金の応用です。これらには航空油圧パイプ継手が含まれます。

このパイプジョイントは航空機の安全性と信頼性に影響を与える重要な部品です。昔は、パイプジョイントは基本的に普通の金属で作られており、ナットとボルトがねじ込まれていました。振動や衝撃を受けると簡単に緩み、石油やガスのパイプラインの漏れを引き起こし、航空機の故障につながります。このようなパイプジョイントに形状記憶合金を適用すれば、その性能は大幅に向上し、航空機の故障率も大幅に低減できます。

メモリ合金が航空宇宙での使用中に絶対確実であることを保証するために、趙連成は開発したメモリ合金デバイスを繰り返しテストするだけでなく、時にはさまざまな学際的かつ分野横断的な問題を解決する必要があります。

当時、適切な低温潤滑剤を見つけることは大きな問題でした。この潤滑剤は、低温で形状記憶合金パイプジョイントの「直径拡張」を実現し、つまり、パイプジョイントを亀裂なく拡張して、対応するパイプラインに取り付けることができるようにするのに役立ちます。

しかし、見つかりませんでした。

好奇心は科学者の成功にとって本当に不可欠な要素です!途方に暮れていたちょうどその時、趙連成のチームは海外から手紙を受け取った。

手紙を開けてみると、封筒の感触が少し特別で、いつもより滑らかであることが分かりました。何か特別な素材はありますか？潤滑剤探しに苦戦していた彼らは、急いで封筒を使って低温潤滑試験をしてみたところ、なんと一筋の光が見えてきました。封筒の紙で作った潤滑剤で、パイプジョイントの直径をうまく広げることができたのです！

このように、趙連成院士のリーダーシップの下、科学研究チームは次々と形状記憶合金装置の開発に成功し、我が国の神舟4号宇宙船や科学建V号衛星を含む10機以上の宇宙船に応用されました。

現在、形状記憶合金は航空宇宙分野だけでなく、一般的な歯科矯正用ワイヤーや眼鏡のフレームにも使用されています。

クラスメイトの皆さん、その場では解決できない難しい問題に遭遇したことはありますか?落胆しないでください。もっと観察し、もっと考えれば、トンネルの先の光が必ず見えるでしょう。

出典：重慶市産学研協力推進協会

著者：潘福生、中国工程院院士、重慶大学教授、重慶科学技術協会会長

レビュー専門家：重慶科学コミュニケーション専門家グループ主任専門家、重慶電子工学専門学校教授、茅毅氏

画像出典：フォトネットワーク、CCTVニュース、故宮博物院、江西省博物館、上海博物館、山西博物館

声明: オリジナルコンテンツと特別な注記を除き、一部の写真はインターネットから引用したものです。これらは商業目的ではなく、科学普及資料としてのみ使用されます。著作権は原作者に帰属します。著作権侵害があった場合は削除いたしますのでご連絡ください。