原子レベルのナノ結合がマクロな材料特性を決める「ナノ力学」の仕組み解明へ

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2022-11-29

engineering

{'items': [{'key': '1ttlm', 'term': 'ハイエントロピー合金(HEA)', 'description': {'blocks': [{'key': 'eol7h', 'text': '通常は5種類以上の金属元素が等原子数比に近い割合で配合される超多成分合金。中野教授らは2017年に生体為害性（毒性）元素を含まない5元系・等原子数比Ti-Zr-Nb-Ta-Mo系生体用ハイエントロピー合金（BioHEAと命名）の創製に世界に先駆けて成功している。今回は、6元系・非等原子数比Ti-Zr-Hf-Nb-Ta-Mo BioHEAを、綿密な配合割合の調整により設計することで、背反する多機能性の同時発現を実現した。', 'type': 'unstyled', 'depth': 0, 'inlineStyleRanges': [], 'entityRanges': [], 'data': {}}], 'entityMap': {}}}, {'key': 'q3cb', 'term': '金属3Dプリンティング（Additive Manufacturing；AM)', 'description': {'blocks': [{'key': 'ckijq', 'text': '複雑で精緻な三次元構造を作製可能なテクノロジー。今回用いた方法は、粉末を出発材料とし、レーザで粉末を選択的に溶かして固めた層を積層していく“レーザ金属AM”。', 'type': 'unstyled', 'depth': 0, 'inlineStyleRanges': [], 'entityRanges': [], 'data': {}}], 'entityMap': {}}}, {'key': '14srd', 'term': '相分離', 'description': {'blocks': [{'key': 'ek8a1', 'text': '2つの異なる相に分離すること。多元系においては相律から平衡状態では相分離が容易となる。本研究では格子定数（原子間の距離）が異なる2つのBCC構造へと分離し、それぞれ異なる合金組成から構成されている。', 'type': 'unstyled', 'depth': 0, 'inlineStyleRanges': [], 'entityRanges': [], 'data': {}}], 'entityMap': {}}}, {'key': 'cfa3e', 'term': 'BCC', 'description': {'blocks': [{'key': '7e6ap', 'text': '体心立方構造のこと。体心位置に原子が存在する結晶構造。', 'type': 'unstyled', 'depth': 0, 'inlineStyleRanges': [], 'entityRanges': [], 'data': {}}], 'entityMap': {}}}, {'key': 'f6rij', 'term': '強制固溶体', 'description': {'blocks': [{'key': '28n1l', 'text': '本来相互に固溶せず相分離している状態を強制的に固溶させることで同一組成の固溶体として存在している状態。複数の元素が強制的に混合された状態であるために、格子のひずみが生じ高強度化される。', 'type': 'unstyled', 'depth': 0, 'inlineStyleRanges': [], 'entityRanges': [], 'data': {}}], 'entityMap': {}}}, {'key': 'd945m', 'term': 'マクロ偏析', 'description': {'blocks': [{'key': '1kbsk', 'text': 'マクロスケールレベルで合金組成の異なる領域が存在すること。この偏析により本来の均一組成の固溶体が形成されていない状態。', 'type': 'unstyled', 'depth': 0, 'inlineStyleRanges': [], 'entityRanges': [], 'data': {}}], 'entityMap': {}}}, {'key': 'dfb53', 'term': '結晶配向', 'description': {'blocks': [{'key': '36jjj', 'text': '結晶構造の配列を優先的に特定方向に配列したもの。特定方向に顕著な特性を示すことが可能となる。', 'type': 'unstyled', 'depth': 0, 'inlineStyleRanges': [], 'entityRanges': [], 'data': {}}], 'entityMap': {}}}, {'key': 'fifn2', 'term': '低弾性率化', 'description': {'blocks': [{'key': 'bdinb', 'text': '弾性率は、物体に弾性変形範囲内での応力をかけた時の応力とひずみの比率、つまり応力に対して生じるひずみの程度を表す。骨の健全性を保つため、骨代替デバイスには、骨と同様に良くひずむ低弾性率の材料が求められる。', 'type': 'unstyled', 'depth': 0, 'inlineStyleRanges': [], 'entityRanges': [], 'data': {}}], 'entityMap': {}}}, {'key': 'epl7r', 'term': 'ナノ力学', 'description': {'blocks': [{'key': '50jug', 'text': 'マクロスケールの力学特性と、原子・分子レベルでの構造変化や化学変化等のナノスケール動的挙動の相関関係とその作用機構を解明すること。最終的には、その知見に基づき新たな力学特性を発現する革新的力学機能材料の設計指針を創出することを目指した学理。', 'type': 'unstyled', 'depth': 0, 'inlineStyleRanges': [], 'entityRanges': [], 'data': {}}], 'entityMap': {}}}, {'key': 'bi1qj', 'term': '106 K/s（冷却速度）', 'description': {'blocks': [{'key': 'b3bfi', 'text': 'レーザ金属AM法で達成される大きな冷却速度。一般的な金属材料作製プロセスである鋳造法では102 K/s程度であることから、レーザ金属AM法が極めて高い冷却速度を示すことが分かる。', 'type': 'unstyled', 'depth': 0, 'inlineStyleRanges': [{'offset': 46, 'length': 1, 'style': 'SUPERSCRIPT'}], 'entityRanges': [], 'data': {}}], 'entityMap': {}}}, {'key': '45g92', 'term': '転位', 'description': {'blocks': [{'key': '4p91d', 'text': '結晶中に含まれる、線状の欠陥。材料の永久変形のしにくさ（強度）は、転位の動きにくさによって決まる。転位が動きにくい（転位を動かすのに大きな力を必要とする）ことは、材料の強度が高いことに対応する。', 'type': 'unstyled', 'depth': 0, 'inlineStyleRanges': [], 'entityRanges': [], 'data': {}}], 'entityMap': {}}}]}

['eng']

['中野貴由', '石本卓也', '松垣あいら']

私は長年、骨組織を中心とした自然界の創製物に倣った機能発現材料の創製に、ナノからマクロに至る階層的構造に着目しつつ取り組んできました。生体材料や高温耐熱材料に必要とされる過酷な環境下での力学特性の発現には、骨と類似したナノ・原子レベルでの界面構造が寄与すると仮説をたて本研究プロジェクトをスタートしました。レーザ金属3Dプリンタの超急冷を活用することで、金属材料の溶融・凝固現象を操り、原子レベルでの構造変化がマクロな材料特性を大きく変化させる「ナノ力学」現象を見出した本成果により、自在な機能制御のための「カスタム力学機能制御学」の構築に大きな一歩を踏み出したといえます。応用面からは新ジャンルのバイオマテリアルの創製を可能とし、 “バイオハイエントロピー合金(BioHEA)×レーザ金属AM”により、本来の常識を覆す高強度・高延性・低弾性・生体親和性を兼ね備えた新材料開発に成功しました。

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中野貴由

教授

工学研究科

https://rd.iai.osaka-u.ac.jp/ja/9136b32e9deb72a2.html?k=%E4%B8%AD%E9%87%8E%E8%B2%B4%E7%94%B1