青い土地を耕せ！大国の「素材」で海の「深い青の夢」を支える

制作：中国科学普及協会

著者: 張美奇 (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

2020年11月、中国の科学者が独自に開発した有人潜水艇「フェンドウゼ」がマリアナ海溝の深さ1万メートルへの潜航に成功し、海の謎が徐々に明らかになりつつある。

「ストラグラー」は水を補給して潜水中

（画像提供：中国科学院深海科学工程研究所）

ご存知のとおり、海水の組成は非常に複雑で、Na+、K+、Ca2+、Mg2+、Sr2+などの多数の陽イオンを含んでいます。 Cl-、SO42-、Br-、HCO3-（CO32-）、F-などの陰イオン。深海での巨大な静水圧に加え、海水にさらされる潜水艇の核となる可動部品は深刻な摩耗や腐食による損傷の問題に直面しており、常に潜水艇の安全性を脅かしています。部品の損傷や故障は主に表面と表面下から発生します。高度な表面工学技術を使用して主要な可動部品に魔法の「コーティング」を施すことは、遅延できない表面の損傷や故障の問題を解決する効果的な方法です。

現在一般的に使用されている主な表面エンジニアリング技術は 3 つあります。一つは、溶射や電気メッキなどのコーティング技術です。しかし、基材との接着性が悪く、表面が粗く、コーティング構造や厚さの制御が難しいため、潜水艇の精密可動部には適していません。 2 つ目は、カソード保護に電気化学的方法を使用することです。つまり、外部電流または犠牲陽極でカソードを保護します。 3つ目は、物理蒸着（PVD）コーティング技術で、密閉された真空環境下でプラズマグロー放電を発生させ、対象製品上に高密度で滑らかな膜を形成する改質技術です。環境に優しく、汚染がなく、堆積温度が低く、適用範囲が広いなどの利点があります。主要部品の硬度、耐腐食性、耐酸化性、耐摩耗性を大幅に向上させることができ、主要な国家装備に広く使用されています。

深海の潜水艦

（写真提供：Veer Gallery）

偉大な国が重機を製造するには、まず材料が重要です。 PVD 表面コーティング技術を選択した後、この強力で一体化されたアウターウェアを織るためにどのような材料を選択する必要がありますか?

1971年、科学者たちは非晶質炭素膜材料の合成に成功しました。アモルファスカーボンについてはあまり知らないかもしれませんが、ダイヤモンドやグラファイトについては非常によく知っているかもしれません。

ダイヤモンドとグラファイトはどちらも炭素材料ですが、ダイヤモンドの微細構造の原子軌道はsp^3混成であるのに対し、グラファイトの原子軌道はsp^2混成であるため、両者の特性は全く異なります。

アモルファス炭素材料は、グラファイトやダイヤモンドと同様に炭素材料ファミリーに属しますが、ダイヤモンドの高硬度sp^3混成構造とグラファイトの高靭性sp^2混成構造の両方を備えており、高硬度、耐摩擦性、耐腐食性などの利点があります。科学者は、軌道混成含有量に応じて、ダイヤモンド状炭素（DLC、sp^3混成含有量が50%を超える）やグラファイト状炭素（GLC、sp^2混成含有量が50%を超える）などの材料に分類します。ダイヤモンドの製造には高温、高圧などの厳しい条件が必要ですが、アモルファスカーボン材料は製造温度が低く、製造が容易です。

グラファイト層構造の模式図

（写真提供：Veer Gallery）

ダイヤモンド構造の模式図

（写真提供：Veer Gallery）

アモルファス炭素材料が発見されてから半世紀が経ちましたが、そのさまざまな特殊な特性により、科学者たちはこの材料に消えることのない熱意を抱いています。当社がこれまでに実施した深海吊り下げ実験によると、水深5,000メートルの深海環境での腐食試験では、ステンレス鋼材は錆びていましたが、PVD技術で作られたアモルファスカーボン膜は依然として良好な性能を維持し、表面は以前と同じように明るい状態を保っていました。

深海油圧システムにおけるアモルファスカーボン保護プランジャー

（画像提供：中国科学院寧波材料工学研究所）

また、非晶質炭素材料はその優れた特性から、他の分野でも広く使用されています。例えば、水素プロトン交換膜燃料電池では、バイポーラプレートの保護コーティングとして優れた導電性と耐腐食性を備えています。医療分野では、優れた摩擦特性と優れた耐腐食性により人工関節の保護コーティングとして使用されます。

今後、アモルファスカーボン材料は、膜と基板の界面制御や長寿命化などのボトルネックを突破し、あらゆる分野で活躍し続けるものと思われます。

医療用3D膝関節プロテーゼ

（写真提供：Veer Gallery）

薛群基院士は「現在、世界は1世紀に見たこともないほどの大きな変化を経験しており、海洋は国際競争の最も重要な分野である。近海から遠海まで、深海から極地まで、あらゆるところに課題がある」と述べた。深海探査は海洋探査の重要な部分として、我が国の有人深海潜水の革新と発展を継続的に促進し、我が国の海洋強国戦略の実現を支援し、我が国の自信と誇りを大きく高めるでしょう。