高エントロピー合金: 「化学的無秩序」から生まれた新素材

最近、武漢大学を最初の署名機関とする「高エントロピー合金ナノ粒子の合成のための液体金属」と題する論文が、国際的に有名な学術誌「ネイチャー」に掲載されました。傅磊研究チームは「混合エンタルピー」を入り口として、ギブスの自由エネルギー変化を低減し、流動性のある液体金属を使用して、温和な条件下でさまざまな高エントロピー合金システムの原子製造を実現し、高エントロピー合金の成分選択空間を大幅に拡大し、より多くの重要な分野への応用を促進することが期待されています。

合金といえば聞いたことがある人もいるかもしれませんが、高エントロピー合金となると、聞いたことがある人はさらに少ないでしょう。では、高エントロピー合金とは何でしょうか?

化学において、エントロピーはドイツの物理学者クラウジウスによって最初に提唱された熱力学の概念です。情報理論と統計物理学の発展により、科学者は、エントロピーの本質は実際にはシステムの「内部の混沌の度合い」であり、エントロピーが高いということはシステムの混沌と無秩序が高いことを指すことを理解するようになりました。

高エントロピー合金の起源を知るには、まず合金について話す必要があります。アルミニウム合金や鋼鉄など、合金は日常生活で広く使用されています。鋼鉄は鉄を原料としています。炭素などの非金属元素を微量添加することで、鉄を主成分とした合金が得られます。私たちの祖先は紀元前すでにこのことを知っていました。青銅器を見ればわかります。銅に少量の錫を加えると青銅ができます。アルミニウムに少量のマグネシウムとシリコンを加えると、アルミニウム合金が作られます。しかし、過去の経験に基づくと、合金に追加される金属の種類が増えるほど、材料が脆くなる可能性が高くなります。したがって、合金部品には通常 1 つまたは 2 つしかありません。人類が世界や宇宙を探索し続けるにつれて、従来の合金材料は徐々に制限され、より厳しい条件下で優れた性能を発揮する合金が必要になります。

2004年、「高エントロピー合金の父」こと葉俊偉氏は研究成果を発表し、高エントロピー合金を作製して、十分な量の元素を等量混合することで、最終的な混合合金の無秩序度が高くなり、合金の脆化を引き起こすクラスターの形成を妨げる可能性があるという自身の考えを実証しました。この時点で、高エントロピー合金は徐々に科学者の視野に入り、合金に対する人々の本来の印象を打ち破りました。

「化学的無秩序性」に基づいて開発された新しいタイプの材料である高エントロピー合金は、複数の成分を混合することで作られ、性能がより安定します。超伝導性や磁性も有しており、電気、医療、通信などの分野での活用が期待されています。

高エントロピー合金は化学的に高温酸化に対する耐性を示し、金属を保護するために金属の外層にメッキすることができます。現在、航空宇宙分野ではニッケル基合金などの既知の高温耐酸化性材料が広く使用されていますが、ニッケル基合金は高価です。高エントロピー合金は、その特殊な構造と特性により、「次世代の高温耐酸化材料の最良の代替品」と呼ばれています。

水素は最もクリーンなエネルギー源であり、水の電気分解プロセスから得ることができます。しかし、水の電気分解のコストは非常に高くなります。効率的な水素発生触媒の合成は、水電気分解による水素生産を改善するための鍵です。遷移金属高エントロピー合金は、将来、水素製造の分野でより大きな役割を果たすことが期待されています。

高エントロピー合金は現時点では広く使用されていませんが、科学技術の発展に伴い、材料の性能はさらに向上し、宇宙などの極限環境の探査における強力な補助となるでしょう。

（第一著者は西北師範大学の教授および博士課程の指導者であり、第二著者は西北師範大学の修士課程の学生である）