計算材料構成学分野

教授
貝沼亮介
准教授
大森俊洋
助教
許 皛

材料開発の目的地へと、早く確実に導いてくれる「状態図」。世界に先駆けて決定した“材料の地図”は、人類共通の知的資産。

 

地図は旅の友、「状態図」は材料開発の頼もしいパートナー。
どこか知らない土地を旅することになったとき、私たちが真っ先に手にするのが「地図」なのではないでしょうか。“文字よりも古いコミュニケーション手段”といわれる地図は、多くの情報をもたらし、目的地へと誘ってくれます。ところで「材料」にも地図のようなものがあることをご存知でしたか?
こちらは『状態図(相図)』と呼ばれ、物質の相と熱力学的な状態量との関係を表したものです。少しわかりやすく説明しましょう。金属を始めとしてセラミックス、半導体などの材料は、温度が変化すれば固体や液体といった形態が変わりますし、異なる物質を混合したとき、均一に溶け合うこともあれば、水と油のように分かれることもあります。このように温度と混合する濃度によって物質がどのような状態になるかを示したものが状態図なのです。
貝沼研究室では、実験(実験状態図)とコンピュータ解析(計算状態図)、それぞれのアプローチによって各種合金系の状態図を決定し、世界に先駆けて様々な合金の熱力学データベースを構築しました。この人類共通の英知である状態図によって、これまでいわば手さぐりだった材料開発がきわめて効率的に行えるようになります。状態図の研究は、長い時間をかけて営々と積み上げていく地道な取り組みです。そうした探索行は、時に思いもかけない新規材料との出会いをもたらしてくれます。世界で初めての遭遇……それは地図もない未知の土地を旅するエクスプローラー(探検家)にしか味わえないワクワクするような驚きと喜びなのです。

社会・産業の要請に応える、“使える”材料の開発を。
貝沼研究室では、自ら決定した状態図を基に「環境調和型材料」「スマート材料」「電子材料」の開発研究に取り組んでいます。環境調和型材料としては、発電機や航空機から排出されるCO2を削減させるCo 基超耐熱合金があります。また、従来広く利用されているNiTi 合金(ニチノール:ニッケルとチタンの合金)にはない優れた特性(高加工性、強磁性、高温動作性など)を持つ、多くの新規形状記憶合金=スマート材料の開発も特筆すべき点です。特に、磁性と形状記憶の両方の性質を兼ね備えた強磁性形状記憶合金の分野では、現在世界で認められている10 種類程度の合金類のうち、半数以上を貝沼研究室グループが見出すなど、世界を牽引する立場にあります。
これまでなかった飛び抜けた特性を誇る材料の発見は、研究の醍醐味です。しかし“ 使える” 材料であるには、安定的な原料調達の可能性、加工のしやすさ、利用可能性、製造コストの妥当性など実に多くの条件が課せられます。真に役立つ材料を追い求めて……貝沼研究室では研究開発の視座を、社会・産業の中に据えています。

Projects

新型形状記憶合金(超弾性)による巻き爪矯正デバイスの開発

QOL(生活の質)を損なう疾患、その治療法に新しい光。

クリップ式で着脱可能。患者さんへの負担が少なく、期待される矯正効果も大です。

新しい巻き爪治療。叶えたのは材料の力。

爪の左右両端が巻き込み、皮膚に食い込むように変形してしまう巻き爪は、痛みによるストレスや歩行困難をきたすだけではなく、悪化すると炎症を繰り返す厄介な疾患です。かつて重傷患者には外科的手術による治療が一般的でしたが、こんにちでは身体への負担の少ない矯正治療も多く行われています。
その方法には、プラスチック製の矯正板を装着するものや、伸ばした爪の先に穴を2カ所開け、そこに細いニチノール(Ni-Ti合金)超弾性ワイヤーを通して、爪を元の形に戻していく治療法などがあります。しかし前者は矯正する力が弱い、後者は装着が困難、一度つけたら取り外せない、定期的にワイヤー交換が必要、などの欠点がありました。
そこで従来にはなかった新しい材料と着想によって生まれたのが、貝沼研究室が開発した新型Cu-Al-Mn 系形状記憶合金による巻き爪矯正デバイス(ONCE Clip™)です。これはかぎ爪をもったクリップを爪の先に装着する仕組みですが、優れた矯正効果と装着性を兼ね備える点で、他の矯正器具とは一線を画しています。

小さな器具に満載、世界初・先進の材料技術。

この巻き爪矯正デバイスがもつ超弾性効果とは、変形を受けてもすぐさま元の形状を回復/保持する性質です。このクリップを巻き爪に装着すると爪の形に合わせて湾曲しますが、そこから水平に戻ろうとする力が作用し、少しずつ症状が緩和されていくのです。爪の矯正が進んできても、曲がっていたときと同等の力で平らにしようとする力が働くので、時間と共に矯正機能が低下していくということはありません。また、かぎ爪部分も超弾性性能を有するので、繰り返しの使用に耐えることができます。
さらには爪が短くても装着可能、着脱自由、という大きな利点があります。就寝時に予防的に装着するといったこれまでになかった使い方にも注目です。医療機関(仙台赤十字病院皮膚科)での治験では8 割以上の患者さんに自覚症状改善がみられたという巻き爪矯正デバイスは、2011年春から本格的に医療機関での取り扱いが始まりました。Cu-Al-Mn 系形状記憶合金を使った製品としては世界初となる巻き爪矯正デバイス。多くの患者さんを救うため、力強い一歩を踏み出しました。

Topics

“根がかり”でガッカリを防ぐ『形状記憶合金 釣り針』
作ってみました、使ってみました。

釣り初心者だけではなく腕自慢の太公望でも避けて通れないといわれる“根がかり”。水底の岩や根株などに釣り針が引っかかってしまう根がかりは、大抵の場合、釣り針などを水中に残すことになるため、環境への影響が心配されます。
「根がかりを防ぐには、障害物に引っかかっても針の先曲げ部分が伸びてするりと抜ける機能があればよいのでは」と、研究成果であるCu-Al-Mn系形状記憶合金を使った釣り針を作製した貝沼研究室。超弾性効果(大きく変形させても変形力を除けば元に戻る性質)により伸びたあとも形が元に戻り、引き続き釣り針として使うことができます。完成後は、特性評価のために仙台近郊の釣りポイントへ。根がかりすることなく、釣果もバッチリ。Cu-Al-Mn系形状記憶合金は、ゴルフクラブ(サンドウェッジ)のフェース部分に使うアイデアも。新規材料の可能性は、海よりも深いのです。

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