NIMS「使える！メルマガ」138号

物質・材料研究の『使える!メールマガジン』

vol.138

2023.7.12

今月の一枚

温度変調素子の七夕飾り

七夕を彩る網飾りのような物体は温度変調素子（※）。プラスチックに切り紙の加工を施すことで、固体の伸び縮みに伴う温度変調現象「弾性熱量効果」を利用し、吸熱・発熱の性能を局所的に大幅アップさせることに成功した。これにより、従来難しかった小型の電子機器への冷却機構内蔵や、曲面にも取り付け可能なフレキシブル温度変調素子の開発など、多彩な展開が期待されている。（※写真中央の透明および白色のプラスチック板）

for more detail

★伝統工芸「切り紙」で創るフレキシブルな温度変調素子（プレスリリース　2022.4.22）

★NIMS NOW　Vol.23 No.2 P.6
「日本の伝統工芸『切り紙』で熱をあやつる！」

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→ HOT TOPICS（NIMSの旬な情報）

→ 研究者の目のつけどころ Vol.11
「レーザ3Dプリンタによる単結晶造形技術」

→ オトナの科学本『マーダーボット・ダイアリー』

NIMSの最新情報をお届け！

■貼って剥がして自由自在！
光で制御する新感覚の接着剤

プレスリリース　6/14

強力に接着したいけれど、剥がすときは簡単に剥がれてほしい——この矛盾を解決する新たな接着剤が誕生しました！　紫外線を照射することで、何度でも接着・剥離を繰り返すことができるうえ、必要な時には基材と接着剤を元の状態にリセットし、それぞれを回収して再利用することも可能です。マテリアル循環に貢献できるエコな技術として、様々な応用に期待大！

材料開発技術の基礎を
無料で学べる！
NIMS Open Facility
ユーザースクール参加者募集

NIMSの最先端の研究設備を使って、材料開発技術を基礎から学べる「NIMS Open Facility ユーザースクール」を今年も開催！　材料分析、観察・解析、塑性加工、微細加工、バイオ分析の5分野・全18プログラムを、座学と実習、オンラインを組み合わせ、半日～1日の短期集中・少人数制で行います。参加費は無料。締切は開催日の2週間前まで。お申込みの多い講座は抽選となりますのでお申し込みはお早めに！

....and more!

	NIMSは材料科学分野で最も影響力のある日本の研究機関：クラリベイト・アナリティクスの分析
	ニュース　6/15

	オープンサイエンスをすべての人に！ STAM誌がAPC無料キャンペーン
	ニュース　6/19

	第2回羽ばたく女性研究者賞（マリア・スクウォドフスカ＝キュリー賞）を門脇万里子研究員が受賞
	ニュース　7/6

NIMS公式ウェブサイト

技術革新のキモ、ここにあり！

Vol.11

レーザ3Dプリンタによる単結晶造形技術

～世界初！レーザで単結晶造形に成功　複雑な金属部品も手軽＆安価に作製可能に～

2050年までに航空輸送の二酸化炭素排出量を実質ゼロに——2022年10月、国際民間航空機関が採択したこの目標に向かって、世界中の航空業界が航空機エンジンの高効率化を目指し、開発競争にしのぎを削っている。高効率化には、エンジンの燃焼温度を高めることが最大のキモ。そのため、極めて高い耐熱性と強度を兼ね備える金属材料、およびその金属を複雑なエンジン用部品に造形できる技術が待ち望まれている。

近年、その造形技術に、簡便な「3Dプリンティング」を用いる試みが注目されている。金属の粉末に電子ビームやレーザを照射して、粉末を溶かしながら結晶を成長させて造形しようというのだ。ただ、電子ビーム方式は高真空など特殊な環境が必要なうえ、結晶の基盤となる種結晶も値が張る。一方のレーザ方式は、運転コストは安いものの、結晶格子の向きが不揃いな多結晶体しか作製できない。

原料となる金属粉末を薄く敷き詰めた粉末床に、レーザを照射して造形している様子。粉末を溶かして1層凝固させた後、その上に再び粉末を敷いてレーザを照射するプロセスを繰り返して造形していく。

多結晶体は、高温下で力がかかると結晶の境目から破断しやすくなり、エンジンに搭載するには結晶の境目のない、強度に優れた単結晶体が必須なのだ。

「フラットトップレーザ」の採用によって、広範囲に均一な温度分布での加熱が可能となり、結晶成長の方向を揃え、歪みのない単結晶造形が可能に。

安価なレーザ方式で、高価な種結晶を使わずに単結晶材料を作れないか——この難題をクリアしたのがNIMSの北嶋研究員だ。北嶋が目を付けたのは、レーザの直径と強さの分布。従来のレーザは直径80マイクロメートル程度で照射した領域内での強度差が大きかった。そのため、この狭い範囲で粉末を照射すると、溶けた粉末の温度にばらつきが生じ、凝固する際に結晶の伸びる方向が揃わず、欠陥が入りやすいのではと考えた。

そこで、従来のレーザの約9倍の照射面積を持ち、照射領域内の強度さが小さいフラットトップレーザ（直径約700マイクロメートル）を採用。広範囲かつ均一に熱を与えて照射面の温度分布を一様にすることで、溶けて固まるときの結晶の成長方向を揃えることができ、単結晶材料の造形に成功したのだ。

「レーザ方式で単結晶を造形した例はこれまで報告されていなかったので、成功した時は非常にワクワクしました。また、この技術は種結晶がなくても、色々な向きの結晶の塊が次第に単結晶化していく、という大変面白い現象です」と北嶋。今後、この単結晶造形技術を高温用金属材料であるニッケル基超合金にも応用し、航空機エンジン用の部品開発を加速していく。さらに、他の合金や金属にもこの技術を展開しており、非常に興味深い結果が出てきているという。

「製造プロセス中に材料のミクロ組織をコントロールすることで同じ形の部品でも強度が上がるというのは面白いですね。今後も飛行機材料の特性を向上できるプロセスを開発していきます」（北嶋具教研究員）。

このレーザ3Dプリンティング技術で作られた製品が、航空機のみならず、私たちの身の回りに当たり前に存在する日は、そう遠くないかもしれない。

もっと知りたい！　レーザ3Dプリンタによる単結晶造形技術のキモ

★プレスリリース（2022.6.22）「レーザ方式の
粉末3Dプリンタでニッケル単結晶の造形に成功」

★NIMS NOW Vol.23 No.2 Research Digest 2022総集編 P.12「レーザ3Dプリンタで単結晶！」

どっぷり浸かるサイエンスの世界

オトナの科学本

『マーダーボット・ダイアリー』

マーサ・ウェルズ著／中原尚哉訳
創元SF文庫発行

スピンエネルギーグループ・井口研究員のおススメ！

ロボット、コンピュータ、ドローン、宇宙船……100年後、本当にこんな世界が来るかもしれない——そんな近未来を人間ではない主人公の視点から楽しめるSF小説です。
人間の脳と機械が合体した主人公「弊機」は、惑星調査に向かう人間の護衛役として働く人型警備ユニット。人型警備ユニットは、脳がコンピュータとつながっていて、プログラムから外れたり問題を起こしたりすると脳が焼かれてしまいます。倫理的には「どうなの？」と考えさせられる設定なのですが、実は弊機は、自らの行動を縛るそのプログラムを密かにハッキングして自由を手に入れ、普段は従順に任務を遂行しつつも、趣味で連続ドラマを楽しんでいるんです。こういった人間らしい要素を盛り込むことで、人間でもロボットでもない主人公に親近感を抱けるし、とても魅力的な存在になっています。宇宙空間を舞台に未知の環境や生物・社会に立ち向かっていくアクションあり、ミステリーありの展開に、すごくワクワクしますよ！
この物語を面白くしているのは、翻訳の力も大きいと感じますね。英語の原文だと主人公は普通に「私（= I）」と名乗っているのですが、「弊機」の方がずっとインパクトがあるし、しっくりくる文体に仕上げられています。SFでは初となる日本翻訳大賞受賞作品だそうで、書き出しも秀逸ですし、ストーリーにぐんぐん引き込まれて、一気に読めちゃいます。この世界観、科学好きならきっと夢中になるはずです！

	あらすじかつて大量殺人を犯し、その記憶を消されている人型警備ロボット“弊機”。自らをハッキングして自由になりつつも、惑星調査の監視役として人間を守る責務を果たそうとするが……。第7回日本翻訳大賞受賞、本国アメリカでは2年連続ヒューゴー賞に輝いた人気SFシリーズ。

— 読書案内人 —

★井口亮（いぐち・りょう）

磁性・スピントロニクス材料研究センター　
　スピンエネルギーグループ　主任研究員

物質中の電子が持つ磁気「スピン」を利用した熱制御機能の開拓に従事。スピン流による熱流生成の物理解明、スピンを応用した従来にはない電子冷却など、スピントロニクス分野の研究開発に取り組んでいる。
「読書は最大のリフレッシュ。自分だけの世界で閉じていると、毎日が同じことの繰り返しで過ぎてしまう気がしますが、本によって別の視点を得たり、非日常に身を置いたりすることが刺激的で楽しいですね」。

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国立研究開発法人物質・材料研究機構(NIMS)　広報室
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