第27回（2011年）受賞者 / 先端技術部門 / 材料科学

【スピノーダル分解理論の構築によるアロイ材料工学への多大な貢献】
アロイ材料内で起きるスピノーダル分解の研究に取り組み、系の自由エネルギーに歪みエネルギーの項を取り入れた理論を確立し、アロイ材料の機能を最大限に引き出す最適な微細構造の予測を可能にした。この理論によって、アロイ材料開発の設計指針が確立され、材料科学の進展のみならず、素材産業への発展にも大きく貢献した。

スピノーダル分解理論の構築によるアロイ材料工学への貢献

スピノーダル分解とカーン博士の材料工学への貢献

均一に混じっている状態の2種類の成分でできている物質が、急速に冷やされると、相分離と呼ばれる現象を起こすものがある。すなわち、配合比や冷却速度によっては、混じり方が不均一になって、2種類の成分の微細な粒子が交互に絡み合ったような構造になる。この現象をスピノーダル分解という。このような相分離現象のプロセスを体系化し、理論として完成させたのがカーン博士である。

一方、広く一般に使用されている力学的特性（主に強度）を要求される構造材料やその他の電気的特性や光学的特性を要求される機能材料は、ほとんどの場合、複数の成分を組み合わせて作られるアロイ（混合系）材料である。このような材料の開発においては、最適な成分の選択と材料の微細な構造を決定することが必要である。スピノーダル分解を伴う材料開発においても、カーン博士がその設計指針を提示する前は、求める特性が得られるまで試行錯誤を繰り返す以外に方法はなかった。カーン博士が、２つの相に分離する物質において、スピノーダル分解に基づき、どのような条件でつくるとどのような組織になるかを予測できるモデルを提示したことで、開発期間の大幅な短縮に繋がり、優れた新材料の開発に大いに貢献してきた。現在では、カーン博士の研究を基礎として、最近の理論を取り入れたコンピュータでシミュレーションするフェーズ・フィールド法と呼ばれる方法が広く使われている。

スピノーダル分解を利用して作られた材料の実例

＊耐熱ガラス
耐熱ガラスのうち最高使用温度が1200℃のものは、スピノーダル分解を利用して作られており、水銀灯や理化学用器具、さらには宇宙船の窓などに使われている。

＊部分安定化ジルコニア・セラミック
このセラミックは、曲げに強く、外力によって破壊されにくい特性がある。様々な産業用部品に使われているほか、身近な例としては、包丁にも使われ、さびない、摩耗しにくいなどの特長がある。

＊ABS樹脂
高い強度と熱衝撃性を有するとともに光沢や外観に優れた樹脂で、自動車の内装に多く用いられているほか、冷蔵庫、エアコン、電子レンジの外装など私たちの身の回りで広く使われている。

スピノーダル分解に関する研究の流れ

スピノーダル分解の現象があることは、19世紀には、すでに経験的に知られていた。しかし、それがなぜ起こるのか、どのようにコントロールするのか等、理論的なことは全くわかっていなかった。スピノーダル分解と命名したのは、1910年にノーベル物理学賞を受賞したオランダの物理学者、Ｊ．Ｄ．ファンデルワールス博士である。そして、1956年にスウェーデンのＭ．ヒラート博士が、初めてスピノーダル分解を理論的に説明したが、実際の材料合成過程にそのまま適用できるものでなかった。カーン博士はＪ．ヒリアード博士とともに、そのモデルを３次元に拡張し、さらに重要な因子である弾性歪みの項を導入してモデルを完成させ、1961年に提案した。これにより、スピノーダル分解を実際の合成材料開発に適用できるようになり、材料科学や素材産業の発展に大きく寄与するところとなった。

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