研究助成

私が主宰する北海道大学大学院工学研究院「強度システム設計研究室」には、2023年度現在、学部生5名と大学院生9名の計15名（うち1名は留学生）が在籍し、鉄も融けるような1500℃以上でも使える耐熱合金や、鉄と比べて密度が3分の1以下と軽量でありながら高強度な軽合金、さらに耐熱性や延性、高強度を兼ね備えたハイエントロピー合金などの研究・開発に取り組んでいます。

ハイエントロピー合金は約20年前に提案された新しい合金概念です。従来の合金が、メインとなる1種類の元素に他の元素を混ぜ合わせ、もともとの元素の特性を補強する設計方針で開発されてきたのに対して、ハイエントロピー合金では、メインとなる元素を設定せずに、原則として5種類以上の元素を組み合わせる設計手法が採用されます。元素の組み合わせパターンは数百万となり、さらに配合のパターンを考えると候補数は膨大な数に上るうえに、まだまだ研究として行うべきことがたくさん残されていることから、ハイエントロピー合金には従来の合金とは比べ物にならないほど大きな可能性があり、材料工学の領域で今、最もホットな研究対象の1つとして大きな注目を集めています。国内外でさまざまな研究が行われていますが、まだ実用化には至っていないのが現状です。

2016年は、そもそも貴金属を使ったハイエントロピー合金が可能なのかを探る研究、2023年はそれを土台に、合金による貴金属の組織制御に関する研究、つまり強度を高める研究を評価いただき、それぞれゴールド賞を授与していただきました。強度や延性に優れた貴金属元素はハイエントロピー合金の材料として非常に大きな可能性を秘めていますが、いかんせん研究素材としては高価であることから、世界的にも研究が進んでいません。逆にいうと、本研究は、貴金属の可能性を広く世界に提示し、より安心安全で快適な社会の実現に貢献できる、この分野における先駆けと言えるでしょう。

ハイエントロピー合金の開発はまだスタートラインに立ったばかりです。先ほど申し上げたとおりハイエントロピー合金は元素の組み合わせパターンが膨大ですから、一つひとつ検証していたらとても時間が足りません。そこでこれまで今はある程度の目星をつけ、良い結果が出そうなものを絞り込む方法の確立を目指して実験と研究を進めて来ました。多数ある貴金属元素は結晶構造の点から2種類の元素種に分けられます。それぞれの元素種を適切に組み合わせることで、一方の結晶構造を持つハイエントロピー合金相中に他方の結晶構造を持つハイエントロピー合金相をミクロンサイズで導入することが可能であることが明らかとなり、予備的な研究から、これらが予想以上に高い強度を持ち、かつ高温での組織変化も少ないことが期待できることが判りました。一方で、この研究には貴金属の耐熱性や延性を調べるための様々な装置が必要です。ゴールド賞受賞をきっかけとして田中貴金属記念財団に相談したところ、ご協力いただけることになりました。

これまでに明らかとなった研究方針はたいへん有望と考えております。引き続き、これを基礎とした貴金属を使ったハイエントロピー合金の組織制御に関する研究に粘り強く取り組んでいきます。とにかく手間暇のかかる研究ですが、幸いにもやる気のある学生に恵まれ、力を合わせて研究を進めていきます。ハイエントロピー合金は、物理や化学に比べてやや地味な印象を抱かれがちな材料領域において世界的に大きな注目を集めている研究分野であり、若い世代の関心が高い環境問題との関連も強いためか、これを知っている大学低学年学生も多く、高校などに出前授業に出向いた際にも関心を持ってもらえるようです。その意味でこの分野で日本が先駆者となりイニシアチブを取ることが、若者の理系離れの抑制にも繋がるのではないかという期待もあります。そんな中、研究助成という形で貴金属のプロフェッショナルである田中貴金属の皆さんにサポートをいただけることになったのは、私たちの研究室にとって非常に大きなアドバンテージです。先ほどお話した技術面での協力やアドバイスをいただくことによって実験の効率化が進みますし、何より実業の分野の皆様との交流が私にとってはもちろん、学生たちにとって非常に良い刺激となっています。