金属をガラスにすることはできますか？その応用は想像もできない

制作：中国科学普及協会

著者: 姚炳南、王俊強 (中国科学院寧波材料工学研究所)

プロデューサー: 中国科学博覧会

ガラス質材料とは何ですか?ただのカップと窓だと言う人もいるかもしれません。そうです、これら以外にも、一般的なロウソクやゴム、光ファイバーなどもガラス質の物質です。それぞれの特徴は何ですか？原子が整然と配列した結晶性物質とは異なり、これらの物質は長距離無秩序と短距離秩序を備えた原子構造を持っています。

結晶とガラスの原子構造の概略図。左の写真はクリスタル、右の写真はガラスです。

（画像提供：中国科学院寧波材料工学研究所）

結晶構造が整然とした列に例えられるとすれば、ガラス構造は露天市場の群衆に似ています。無秩序は無限の可能性を生み出します。ガラス質材料は、等方性、準安定性、高強度、高弾性、耐腐食性、耐摩耗性など、一連の非常に貴重な特性を備えています。これらの優れた特性があるからこそ、建築、自動車、家庭用品などに広く使用されているだけでなく、情報通信、航空宇宙などの最先端分野の重要な材料でもあります。

上記のガラス質材料はすべて非金属です。しかし、日常生活のあらゆる場所で見られる金属材料をガラス質の材料にすることができるのでしょうか?答えはイエスです。この材料は金属ガラスであり、アモルファス合金とも呼ばれます。

さまざまな形態のアモルファス合金

（画像提供：中国科学院寧波材料工学研究所）

一般的に、Fe基合金、Co基合金、Fe-Ni合金などの結晶化していない高温の金属溶融物をベルト回転させることにより急速に冷却し、金属ガラス材料を得ることができます。その微細構造は、原子が整然と配列した一般的な金属のようなものではなく、原子が無秩序に配列したガラスのようなものである。この特殊な構造により、優れた軟磁気特性、機械的特性、化学的特性など、多くのユニークな特性が得られるため、パワーエレクトロニクス、情報通信、輸送、エネルギーなどさまざまな分野に応用されています。

金属ガラスは、飽和磁気誘導強度が高く、透磁率が高く、保磁力が低いという特徴があります。これを使用した電子部品は、構造がより小型化、軽量化され、損失も少なくなるため、省エネや排出削減の達成に大きな意義があります。

電子部品

（写真提供：Veer Gallery）

たとえば、配電用変圧器に使用される金属ガラスは、従来の材料と比較して無負荷損失を 70 ～ 80% 削減できます。それだけでなく、金属ガラスは高速モーター用の鉄心にも使用できます。特に中周波数および高周波アプリケーションでは、従来のシリコン鋼モーターのコア損失が急激に増加します。これを金属ガラスに置き換えると、モーターの動作効率は通常 95% 以上、最大 98% まで向上し、明らかな省エネ効果が得られます。

金属ガラスの応用 - 配電用変圧器

（写真提供：Veer Gallery）

5G時代の到来により、金属ガラスも重要な役割を果たします。

金属ガラスをワイヤレス充電技術に適用し、その高い透磁率特性を利用することで、充電電力を大幅に高めることができます。これは、物質の内部構造に無数の小さな磁石が分散しており、これを磁区と呼ぶためです。

金属ガラスの磁区構造は比較的規則的ですが、結晶の磁区構造は混沌としているだけでなく、さまざまな方向を持っています。外部磁場が作用すると、結晶の粒界は磁区の動きを妨げる壁のような働きをします。金属ガラスは粒界や転位などがないため、広い範囲にわたって規則的に配列した磁区を形成しやすく、外部磁場に敏感で、高い透磁率特性を示します。

したがって、磁気誘導ワイヤレス充電に金属ガラスを追加することは、もともと空間に分散していた磁束線を集中させるコンデンサーを追加するようなものです。受信コイルはより多くの磁気信号を受信し、より速く効率的に充電します。

現在、金属ガラスは携帯電話、スマートウォッチ、電気自動車にうまく応用されており、ワイヤレス充電技術にとって最も重要な材料の一つとなっています。

電気自動車のワイヤレス充電

（写真提供：Veer Gallery）

実際、金属ガラスの応用展望は上記に限定されません。この魔法の素材が示す「十八の武術」が私たちの想像をはるかに超えるのは、まさにそのさまざまな素晴らしい特性のためです。

金属ガラスは強度が高いです。例えば、コバルト基バルク金属ガラスの破壊強度は6.0GPaと高く、鉄基金属ガラスの破壊強度は3.6GPaに達し、一般構造用鋼の破壊強度の数倍になります。

金属ガラスは弾性が高く、その弾性限界は一般の結晶合金の数倍から数十倍にもなります。ジルコニウム系金属ガラスで作られたゴルフクラブの打撃ヘッドは、エネルギーの約99％をボールに伝達することができ、その打撃距離は普通のクラブの1.3倍になります。金属ガラスの高い弾性は、宇宙船のロボットアームの関節の減速機として使用されるハーモニックギアや、衝撃吸収用の弾性多孔質金属ゴムなど、さまざまな宇宙用途の部品の製造にも使用できます。

金属ガラスは、水質汚染の浄化、エネルギーの貯蔵、水素の発生などに使用できる機能性材料であり、環境汚染やエネルギー貯蔵などの問題を解決するための新しいアイデアを提供します。例えば、鉄系、マグネシウム系、アルミニウム系、その他の金属ガラスはアゾ染料溶液を劣化させる可能性があり、その退色率は対応する結晶合金の数十倍から数千倍にもなります。金属ガラスは、脱合金化によってナノ多孔質複合構造を作製するために使用することができ、それによってイオンと電子の輸送特性が大幅に改善され、最終的に比静電容量が増加します。この高エネルギー貯蔵密度ナノ多孔質材料は、柔軟な自立型スーパーキャパシタ電極として使用されることが期待されています。金属ガラスは水素発生に対する高い触媒活性を有し、理想的な自立型触媒電極です。

アルミニウム系アモルファス合金のアゾ染料溶液分解効果図

(画像出典: PP Wang、JQ Wang*、H. Li、H. Yang、JT Huo、JG Wang、C. Chang、X. Wang、RW Li、G. Wang**。Alベースの金属ガラスによるアルカリ性および酸性溶液中のアゾ染料の高速脱色[J]。Journal of Alloys and Compounds、701(2017)759-767。)

金属ガラスは、動作温度範囲が広く、磁気エントロピー変化が大きく、冷凍能力が強い磁気冷凍材料です。例えば、開発された新型磁気冷凍材料は、50Kから室温までの冷凍を実現でき、冷凍能力は1000Jkg-1を超えており、冷蔵庫、冷凍庫、低温冷凍装置、クライオ電子顕微鏡などの分野で幅広い潜在的応用価値を持っています。

金属ガラス磁気冷凍材料とその潜在的用途の概略図

(画像出典: JQ Feng、YH Liu、JH Sui、AN He、WX Xia、WH Wang、JQ Wang**、JT Huo*。Gdベースのアモルファス/ナノ結晶複合繊維の巨大な冷媒容量[J]。Materials Today Physics、2021、100528。)

金属ガラスの出現は、人類の材料科学の分野にとって革命的な意義を持っています。今後もエネルギー、生命・健康、国防・軍事産業の分野で輝き続けるでしょう。道のりは長く困難ですが、私は上ったり下ったりしながら探し続けます。わが国における新素材の継続的な発展には、たゆまぬ努力だけが尽きることのない原動力と長期的な希望をもたらすことができるのです。

参考文献:

【1】王維華。非晶質物質の性質と特性[J]。物理学の進歩、2013年、33(5):177-351。