ステンレス鋼素材の究極ガイド
なぜステンレス鋼は普通の鋼のように錆びないのか、不思議に思ったことはないだろうか。このブログでは、ステンレス鋼の魅力的な世界、そのユニークな特性、その重要な役割を探ります...
より強く、より軽く、よりスマートに、産業全体に革命をもたらす素材を想像してみてほしい。この記事では、テクノロジーと製造業を変革する50の革新的な素材について紹介する。グラフェンの比類なき強度と導電性から、汚染を減らす生分解性プラスチックまで、これらの素材は科学の進歩の最前線にある。そのユニークな性質と潜在的な用途を探ることで、航空宇宙から日用品に至るまで、あらゆるものの未来をどのように変えるかを発見できるだろう。これらの素材がもたらす無限の可能性に触発される準備をしよう。
新素材は先端素材とも呼ばれ、従来の素材に比べて優れた性能を発揮する、最近開発された素材や開発中の素材を指す。
新しく開発された素材や研究途上の素材も含まれ、従来の素材を凌駕する卓越した能力を発揮する。
新素材の技術は、物理研究、材料設計、加工、実験評価といった一連の研究プロセスを経て、さまざまなニーズに応える革新的な素材を生み出すことを目指し、人間の意思に沿って作り上げられる。
これには、機能的ポジショニング、方向性ポジショニング、技術的ポジショニング、市場ポジショニングが含まれる：
(1) 複合新素材
複合新素材の使用は古代にまでさかのぼる。歴史的な例としては、藁で補強した粘土や、100年前の鉄骨補強コンクリートがあり、どちらも2つの異なる材料で構成されている。1940年代には、航空産業のニーズにより、ガラス繊維強化プラスチック（一般にグラスファイバーとして知られる）が開発され、複合材料の登場を告げた。1950年代からは、炭素繊維、グラファイト繊維、ボロン繊維などの高強度・高弾性繊維が開発された。1970年代には、アラミド繊維や炭化ケイ素繊維が登場した。
これらの高強度、高弾性率の繊維は、合成樹脂、カーボン、グラファイト、セラミックス、ゴムなどの非金属マトリックスや、アルミニウム、マグネシウムなどの金属マトリックスと組み合わせることができる、 チタン を使用し、ユニークな複合材料を形成する。超高分子量ポリエチレン繊維は、卓越した強度と耐薬品性、耐老化性で知られ、高周波ソナー透過性や耐海水腐食性にも優れている。
これらのファイバーは、海軍艦艇の高周波ソナー・フェアリングに使用され、機雷探知や掃海能力を高めている。軍事用途にとどまらず、自動車製造、造船、医療機器、スポーツ用品など、幅広い分野での応用が期待されている。その導入は、先進国で大きな注目と重要性を集めている。
(2) 超伝導材料
物質の中には、ある臨界温度で電気抵抗がゼロになるものがあり、これは超伝導として知られる現象である。超伝導体のもうひとつの特徴は反磁性であり、無抵抗になると磁力線が超伝導体を貫通できなくなることである。例えば、銅のような一般的な金属の電気抵抗は温度とともに減少し、0K付近で一定の値に達する。
1919年、オランダの科学者ハイケ・カマーリン・オンネスは、水銀の抵抗が4.2K（-269℃）で完全に消失することを発見し、超伝導と反磁性を実証した。超伝導体の抵抗がゼロになる臨界温度（TC）は重要な特徴である。超伝導材料の研究は、高温超伝導体を見つけるために「温度の壁」を克服することに焦点を当てている。
NbTiやNb3Snなどの実用的な超伝導体が実用化され、核磁気共鳴イメージング（NMRI）、超伝導マグネット、大型加速器マグネットなどに応用されている。SQUIDは、微弱な電気的応用における超電導体の例として、微弱な電磁信号を検出する上で重要な役割を果たしており、非超電導デバイスとは比較にならない感度を有している。
しかし、従来の超電導体の臨界温度は低く、複雑で高価な液体ヘリウム（4.2K）システムを必要とするため、その応用は大幅に制限されていた。高温酸化物超電導体の登場は、この温度の壁を打ち破り、適用温度を液体ヘリウム（4.2K）から液体窒素（77K）レベルまで引き上げた。液体窒素は、液体ヘリウムよりも熱容量が大きく、経済的な冷却剤であるため、工学的な応用が大いに促進される。
高温超伝導体はまた、20Tを超える磁場を発生させることができる、かなりの磁気的能力を持っている。超電導材料の用途には、発電、送電、貯蔵などがある。コイル磁石を使用した超電導発電機は、エネルギー損失をほとんど伴わずに磁場強度を50,000～60,000ガウスまで高めることができ、従来の発電機に比べて単機容量を5～10倍、効率を50%向上させることができる。
超電導送電線や変圧器は、最小限の損失で電気をユーザーに送ることができる。例えば、中国では約15%の電気エネルギーが銅やアルミの送電線で失われており、これは年間1000億kWh以上に相当する。超電導送電に切り替えることで、何十もの大型発電所の必要性を代替できるほどの電力を節約できる。
超電導磁気浮上式鉄道は、磁力線に反発する超電導体の反磁性特性を利用して運行され、超電導体が永久磁石や磁場の上に浮上することを可能にする。この磁気浮上効果は、上海浦東国際空港のような高速超電導磁気浮上式鉄道に利用されている。超電導コンピューターでは、超電導材料の抵抗がゼロに近いため、過熱することなく集積チップ上に回路を高密度に配置することができ、計算速度が大幅に向上する。
(3) エネルギー材料
エネルギー材料には、太陽電池材料、水素貯蔵材料、固体酸化物燃料電池材料などがある。新しいエネルギー材料である太陽電池材料は、IBMが開発した変換効率40%の多層複合太陽電池のような進歩を遂げている。無公害で効率的なエネルギー源である水素は、貯蔵と輸送において重要な課題に直面している。米国エネルギー省の水素研究資金のうち約50%は、水素貯蔵技術に割り当てられている。
水素は材料を腐食させ、脆化や漏洩を引き起こし、輸送中に爆発する危険性がある。水素貯蔵材料は、水素と水素化物を形成することができ、加熱により水素を放出し、枯渇後に再充電することができる。現在の水素貯蔵材料は、主にLaNi5HやTi1.2Mn1.6H3などの金属化合物である。固体酸化物燃料電池の研究は活発で、固体電解質膜、セルカソード材料、固体高分子形燃料電池用の有機プロトン交換膜などの材料に焦点が当てられている。
(4) スマート素材
スマート素材は、天然素材、合成高分子素材、人工設計素材に続く第4世代の素材である。現代のハイテク新素材開発における重要な方向性である。国際的には、スマート材料において数々の技術的ブレークスルーが達成されている。例えば、英国のBAEシステムズは、航空機の皮のひずみと温度を検査するワイヤーセンサーを開発した。
英国はまた、100万サイクルの寿命と高出力を持つ高速応答形状記憶合金を開発した。形状記憶合金は、衛星アンテナや医療分野などへの応用に成功している。その他のスマート材料には、圧電材料、磁歪材料、導電性ポリマー、電気粘性流体、磁気粘性流体などがあり、さまざまな用途で駆動部品として役立っている。
(5) 磁性材料
磁性材料は軟磁性材料と硬磁性材料（永久磁石）に分類される。
(1) 軟磁性材料
軟磁性材料は磁化・減磁が容易で、磁場を取り除くと磁性を失う。高い透磁率（μ=B/H）が特徴で、磁場中では容易に高強度まで磁化されるが、磁場を取り除くと残留磁性はほとんど保持されない。
これらの材料は、電子技術、特に磁気コア、ヘッド、メモリー・コアなどの高周波用途や、トランスやリレー・スイッチなどの電気工学で広く使われている。一般的な軟磁性材料には、鉄-シリコン合金、鉄-ニッケル合金、アモルファス金属などがある。Fe-(3%-4%)Si合金は、最も一般的に使用される軟磁性材料で、低周波変圧器、モーター、発電機に使用される。
パーマロイ（79%Ni-21）のような鉄-ニッケル合金は、鉄-シリコン合金よりも高い透磁率と低損失を提供し、電気通信、コンピュータ、制御システムに使用されています。アモルファス金属は、非結晶構造を持つ典型的な金属とは異なり、Fe、Co、Ni、およびB、Siのようなメタロイドで構成されています。
溶融金属を急速に冷却して非結晶原子構造にすることで製造されるアモルファス金属は、優れた磁気特性を示し、エネルギー効率の高い変圧器、磁気センサー、記録ヘッドなどに使用されている。アモルファス金属の中には、優れた耐食性、高強度、優れた靭性を持つものもある。
(2) 永久磁石材料（ハード磁性材料）
永久磁石材料は、着磁後、外部磁界を除去しても磁性を保持する。高い残留磁力と高い保磁力が特徴で、コンパス、計器、マイクロモーター、電動モーター、レコーダー、電話機、医療用などに使われる永久磁石に適している。永久磁石材料には、フェライトや金属永久磁石などがある。
大容量、広範な用途、低コストのために広く使用されているフェライトは、適度な磁気特性を持ち、一般的な永久磁石の用途に適しています。金属永久磁石は 高炭素鋼 希土類磁石は、初期の希土類-コバルト（Re-Co）合金（主に粉末冶金法で製造されるSmCo5およびSm2Co17）、および広く使用されているニオブ-鉄-ホウ素（Nb-Fe-B）希土類磁石などである。Nb-Fe-B系希土類磁石は、優れた性能を持つだけでなく、希少元素であるコバルトを含まないため、高性能スピーカー、電子式水道メーター、核磁気共鳴装置、マイクロモーター、自動車のスターターモーターなどに使用され、高性能永久磁石の代表格として急速に普及している。
(6) ナノマテリアル
ナノテクノロジーは、最先端のハイテクと科学を融合させた統合システムであり、基本的には、原子や分子を直接操作・配列することによってナノスケールで自然を理解・改変し、新素材を創製することに関わる。ナノテクノロジーは、ナノシステム物理学、ナノ化学、ナノ材料科学、ナノ生物学、ナノエレクトロニクス、ナノ加工、ナノ力学の7つの分野を包含している。
ナノ材料は1980年代に命名され、100ナノメートル以下のナノ粒子からなる固体材料である。ナノマテリアルの調製と合成は依然として研究の中心であり、サンプル合成には一定の進展が見られるものの、バルクサンプルの大量生産は依然として難題であり、ナノマテリアルの調製研究はその応用にとって極めて重要である。
素材産業は国民経済の基礎産業であり、新素材は素材産業発展の先駆けである。
グラフェン、カーボンナノチューブ、アモルファス合金、発泡金属、イオン液体......20種類の新素材は、素材産業の発展に無限の可能性をもたらす。
今日、科学技術革命は急速に発展しており、新素材製品は日を追うごとに変化している。
新素材技術はナノテクノロジー、バイオテクノロジー、情報技術と融合している。
構造的・機能的統合と機能的素材は、よりインテリジェントになってきている。
低炭素で環境に優しく、リサイクルも可能なこの素材に注目が集まっている。
国内外の著名な研究機関や企業の研究成果、科学技術メディアの論評、業界のホットスポット調査に基づき、本稿では20の新素材を選定した。
以下は関連資料の詳細情報である（順不同）。
ブレイクスルー
並外れた電気伝導性、極めて低い抵抗率、極めて低く極めて速い電子移動速度、鋼鉄の数十倍の強度、優れた光透過性。
D開発 Tレンド：
2010年のノーベル物理学賞受賞により、グラフェンは近年、技術や資本市場で注目を集めている。
今後5年間で、グラフェンの利用は、光電ディスプレイ、半導体、タッチスクリーン、電子デバイス、エネルギー貯蔵電池、ディスプレイ、センサー、半導体、航空宇宙、軍事、複合材料、生物医学の分野で爆発的に成長するだろう。
主な研究機関（企業）：
グラフェン・テクノロジーズ、アングストロン・マテリアルズ、グラフェン・スクエア、フォルスマン・テクノロジーなど。
ブレイクスルー
高気孔率、低密度、軽量、低熱伝導性、優れた断熱性。
開発動向：
大きな可能性を秘めた新素材。
省エネや環境保護、電化製品の断熱、建築などの分野で大きな可能性を秘めている。
主な研究機関（企業）：
フォスマン・テクノロジー、W.R.グレイス、富士シリシア、日本など
ブレイクスルー
高い電気伝導性、高い熱伝導性、高い弾性率、高い引張強度など。
開発動向：
機能性デバイス用電極、触媒担体、センサーなど
主な研究機関（企業）：
ユニディム社、東レ株式会社、バイエル マテリアルサイエンス社、三菱レイヨン株式会社、フォルスマンテクノロジー社、蘇州第一元素社など。フォルスマン・テクノロジー、蘇州第一元素など。
ブレイクスルー
線形・非線形光学特性、アルカリ金属フラーレン超伝導など。
開発動向：
将来的には、生命科学、医学、宇宙物理学などの分野で重要な展望を持ち、光変換器、信号変換、データ保存などの光電デバイスへの応用が期待されている。
主な研究機関（企業）：
ミシガン州立大学、アモイ船新材料など
ブレイクスルー
高強度、高靭性、優れた透磁率、低磁気損失、優れた液体流動性。
D開発 Tレンド：
高周波低損失トランス、携帯端末機器の構造部品などに使用可能。
主な研究機関（企業）：
リキッドメタル・テクノロジーズ社、中国科学院金属研究所、BYDなど
ブレイクスルー
軽量、低密度、高気孔率、大きな比表面積。
D開発 Tレンド：
導電性を有し、無機非導電性樹脂が使用されていない分野での代替が可能である。金属材料 は電気を通さない。
遮音と騒音低減の分野で大きな可能性を秘めている。
主な研究機関（企業）：
アルキャン（米国アルミニウム協会）、リオ・ティント、シマット、ノルスク・ハイドロなど。
ブレイクスルー
高い熱安定性、広い液体温度範囲、調節可能な酸およびアルカリ、極性、調整の能力および等を使って。
開発動向：
グリーンケミカルインダストリー、生物学、触媒学など幅広い分野での応用が期待されている。
主な研究機関（企業）：
ソルベント・イノベーション、BASF、中国科学院蘭州物理研究所、同済大学など。
ブレイクスルー
生体適合性、保水性、幅広いpH安定性に優れている。
また、ナノネットワーク構造を持ち、高い機械的特性を持つ。
D開発 Tレンド：
バイオ医薬、エンハンサー、製紙工業、精製、導電性、無機化合物食品、工業用磁性化合物などに大きな可能性を秘めている。
主な研究機関（企業）：
Cellu Force（カナダ）、US Forest Service、Innventia（スウェーデン）など。
ブレイクスルー
ナモメタル・ペロカカイトは巨大な磁気抵抗と高いイオン伝導性を持ち、酸素の沈殿と還元において触媒的な役割を果たす。
D開発 Tレンド：
今後、触媒、貯蔵、センサー、光吸収などの分野で大きな可能性を秘めている。
主な研究機関（企業）：
Epry、AlfaAesarなど。
ブレイクスルー
従来の工業的な加工方法を変えることで、複雑な構造の形成を素早く実現することができる。
開発動向：
この画期的な成形法は、複雑な構造の成形や迅速な加工成形の分野で大きな可能性を秘めている。
主な研究機関（企業）：
Object、3DSystems、Stratasys、Huashu Hi-Tech など。
ブレイクスルー
従来のガラスの硬くて壊れやすい特性を変え、ガラスの柔軟性という画期的な革新を実現した。
開発動向：
将来のフレキシブル・ディスプレイや折りたたみ式デバイスの分野では、大きな展望が開けるだろう。
主な研究機関（企業）：
コーニング、独ショットなど
ブレイクスルー
物質分子の自己組織化は、物質そのものの「知性」を実現する。
これまでの材料調製方法を変えることで、材料が自発的に特定の形状や構造を形成することを実現する。
開発動向：
従来の材料調製法や材料修復法を変えることは、分子デバイスの分野で大きな可能性を秘めている、 サーフェスエンジニアリング そしてナノテクノロジー。
主な研究機関（企業）：
ハーバード大学など
ブレイクスルー
プラスチックは自然分解が可能であり、原料は再生可能な資源から得られるため、従来のプラスチックが石油、天然ガス、石炭などの化石資源に依存していたのを変え、環境汚染も減らすことができる。
開発動向：
将来的には従来のプラスチックに取って代わるものであり、大きな可能性を秘めている。
主な研究機関（企業）：
ネイチャーワークス、バスフ、カネカなど。
ブレイクスルー
この種の材料は強度が高く、密度が低く、耐食性に優れている。
また、航空や民間の分野でも無限の可能性を秘めている。
開発動向：
将来的には、軽量化、高強度化、耐食性など、幅広い用途が期待される。
主な研究機関（企業）：
ハルビン工業大学
ブレイクスルー
負の透磁率や負の誘電率など、従来の素材にはない物理的特性を持つ。
開発動向：
素材の性質に応じた加工という従来の概念を変えた。
将来的には、ニーズに応じて素材の特性をデザインできるようになり、その可能性は無限大、革命的なものになるだろう。
主な研究機関（企業）：
ボーイング、カイメタ、深セン広汽研究所など。
ブレイクスルー
超伝導状態では、材料は抵抗がゼロで電流損失がなく、磁場中では反磁性特性を示す。
開発動向：
将来、高温超電導技術がブレークスルーされれば、次のような問題を解決できると期待されている。 送電 損失、電子機器の加熱、新しいグリーン・トランスミッション磁気サスペンション技術。
主な研究機関（企業）：
日本住友商事、ドイツ・ブルカー、中国科学院など。
ブレイクスルー
予備成形後、外的条件によって強制的に変形させられた後、一定の条件下で加工して元の形状に戻し、材料の可逆的変形の設計と応用を実現する。
開発動向：
宇宙技術、医療機器、機械電子機器などの分野で大きな可能性を秘めている。
主な研究機関（企業）：
ユーヤン 新素材など
ブレイクスルー
磁場の作用の下で、伸びや圧縮の性能を生み出すことができ、材料の変形と磁場の相互作用を実現する。
開発動向：
インテリジェント構造デバイス、衝撃吸収デバイス、エネルギー変換構造、高精度モーターなどの分野で広く使用されており、条件によっては圧電セラミックスよりも優れた性能を発揮する。
主な研究機関（企業）：
ETREMA、米国、英国レアアース社、日本住友軽金属など。
ブレイクスルー
固体磁性体の磁気特性と液体の流動性を組み合わせた液体状態。
従来の磁性バルク材にはない特性と用途がある。
開発動向：
磁気シール、磁気冷凍、磁気ヒートポンプなどの分野で使用され、従来の密閉冷凍などの方法を変える。
主な研究機関（企業）：
米ATAアプライド・テクノロジー社、日本パナソニックなど
ブレイクスルー
周囲の環境の変化を感知して反応することができ、同様の生物学的反応特性を持つ。
開発動向：
スマート・ポリマー・ゲルの膨張-収縮サイクルは、化学バルブ、吸着分離、センサー、メモリー材料などに利用できる。
このサイクルから供給される電力は、「化学エンジン」の設計に使われる。
メッシュの制御性は、インテリジェント薬物放出システムなどに適している。
主な研究機関（企業）：
アメリカと日本の大学。
はじめに
このホログラフィックフィルムは、ホログラム技術の画期的な応用である。これは特許を取得した投影フィルムで、国際的に初めて、照明条件に関係なく、360度を含む複数の角度で、前面と背面の両方から映像を直接見ることができる。
このホログラフィック・フィルムは、非常に鮮明な映像でダイナミックな空中ディスプレイを提供する一方、視聴者はフィルムを通して背景を見ることができる。また、インタラクティブ・ソフトウェアと組み合わせることで、3次元のインタラクティブ映像を作り出し、観客を魅惑的な空間体験に没入させることができる。
高精細、明るい光への耐性、超薄型、アンチエイジング特性など、他に類を見ない利点を持つこの素材は、将来最も有望な素材のひとつになると考えられている。
将来のトレンド
ホログラフィックフィルムは、ダイナミックな空中ディスプレイと鮮明なイメージングを提供する一方で、観客が背景を透視し、3次元イメージと相互作用することを可能にする能力を備えている。ホログラフィック・フィルムは、材料革新の最前線に立ち、より多くの科学的研究を引き寄せる運命にある。
ホログラフィックフィルムの開発における将来のトレンドの予測には、主に2つの側面がある：
第一に、ホログラフィック・カラーフィルター・クリスタル（HCFC）を中心とし、ナノテクノロジーを材料科学、光学、高分子科学を組み合わせた学際的アプローチと融合させた分子レベルのナノ光学部品である。
第二に、軽量設計の中に高度な精密光学構造を採用し、優れた高精細・高輝度イメージングを実現する。
この素材の卓越した透明度とミニマルでエレガントなデザインは、電子機器や光学フィルムへの利用に貢献している。ホログラフィックフィルムの技術開発は、多くの国にとって注目の的であり、誇張なしに未来を象徴している。この技術を最初に習得し、活用する国が、先端技術時代への道を切り開くだろう。
はじめに
金属水素は、数百万気圧の圧力下で形成される液体または固体の水素の導電性状態である。その電気伝導性は金属の電気伝導性に似ているため、金属水素と呼ばれている。高密度、高エネルギー貯蔵材料として、金属水素は以前、室温超伝導体であると予測されていた。
従来のTNT火薬の30〜40倍という途方もないエネルギーを含んでいる。2017年1月26日、学術誌『サイエンス』は、ハーバード大学の研究所が金属水素の生成に成功したと報じた。しかし、2017年2月22日、取り扱いミスにより、世界で唯一の金属水素のサンプルが消失した。
理論的には、超高圧下で金属水素を得ることは確かに可能であるが、科学者がサンプルを得るためにはさらなる研究が必要である。既知の超伝導体のほとんどは、液体ヘリウム（-269℃）または液体窒素（-196℃）で冷却する必要があり、超伝導技術の開発に限界がある。
化学者とは異なり、天文学者は水素とヘリウム以外のすべての元素を金属と呼ぶ。高温高圧の条件下では、気体の水素も導電性の金属水素になる。
例えば、木星の外層は1000キロメートルのガス状水素分子からなり、その下に2万4000キロメートルの液体水素分子層があり、さらに4万5000キロメートルの液体金属水素層が続いている。
1936年、アメリカの科学者ウィグナーは、水素が金属に転移する圧力を初めて計算し、この転移の臨界圧力が100万気圧から1000万気圧であることを示唆した。
今後の開発動向：
金属水素の超伝導臨界温度（超伝導を示す最高温度）は-223℃から-73℃である。固体の二酸化炭素（-78.45℃）と同程度の温度で使用できる可能性があり、超電導技術を大きく前進させるだろう。
金属水素は高密度の物質であるため、これを燃料として使用すれば、ロケットのサイズと重量を大幅に削減することができ、宇宙開発における記念碑的な飛躍につながる。金属水素の登場は、蒸気機関の誕生に匹敵し、科学技術の分野に革命的な時代を巻き起こすだろう。
金属水素は準安定な状態で存在するため、プラズマを閉じ込める「磁気ケージ」を作り、灼熱の電離ガスを封じ込めることができる。制御された核融合反応によって、核エネルギーは電気エネルギーに変換され、安価でクリーンな電力源となる。このようなエネルギーは、地球上に「太陽を模倣した工場」を建設することを可能にし、最終的には人類のエネルギー危機を解決するだろう。
概要超固体（supersolid）とは、実際には超流動体（superfluid）に似ており、"超流動体＋固体 "の特徴を本質的に併せ持つ、超流動特性を持つ固体物質を指す。簡単に言えば、超固体は結晶状態に典型的な秩序ある原子配列を維持するだけでなく、超流体のように摩擦なしに流動する。
超低温では、超固体の結晶構造内の空孔はクラスター化し、物質全体を自由に流動することができる。超固体の片側の空孔内に固体の物体を置くと、その物体は空孔とともに超固体を横断し、まるで壁を通過するかのように自由に移動する。
今後の動向この新奇な物質状態は、極低温・超高真空の条件下でしか存在できないため、当面は広く応用することはできない。しかし、この一見逆説的な物質の状態を深く理解することで、超流体や超伝導体の特性に対する理解が深まり、超伝導磁石、超伝導センサー、エネルギー伝送などの産業が大きく発展する可能性がある。
将来的には、超固体中の空孔はコヒーレントな存在となり、超流体のように残りの固体内を自由に移動できるようになるだろう。ボーズ-アインシュタイン凝縮は、超低温で起こる物質の特異な状態であり、原子の量子特性が極めて顕著になり、顕著な波動的挙動を示す。
概要
木材を化学処理してヘミセルロースとリグニンを取り除いたウッドスポンジは、水から油を吸収するのに優れている。自重の16～46倍の油を吸収し、10回まで再利用できる。この革新的なスポンジは、容量、品質、再利用可能性という点で、現在使用されている他のあらゆるスポンジや吸収剤を凌駕している。
今後の展開
石油や化学物質の流出は、世界中の水域にかつてない大混乱をもたらしている。海を浄化するための環境に優しいソリューションとして、ウッドスポンジはこの問題に対処する効果的な手段を提示している。
概要
時空間結晶とも呼ばれる時間結晶は、空間と時間の両方で周期的な構造を示す4次元結晶である。通常、物質には固体、液体、気体の3つの基本状態がある。
しかし、科学が進歩するにつれて、プラズマ、ボーズ・アインシュタイン凝縮、超臨界流体など、物質の状態の概念は拡大してきた。時間結晶は、物質の新しい状態であり、時間並進対称性を破る非平衡相である。
時間結晶という概念は、2012年にノーベル賞受賞者のフランク・ウィルゼックによって初めて提唱された。私たちは、氷やダイヤモンドのような3次元結晶をよく目にするが、それは空間内の微粒子の周期的配列によって幾何学的に対称な構造を作り出している。
ウィルゼックは学生たちに教えながら、3次元の結晶の概念を4次元の時空の領域に拡張し、物質が時間とともに周期的な配置を示すことを可能にできないかと考えた。
つまり、時間結晶は時間によって状態を変え、その変化は周期的である。例えば、時間結晶は1秒後には砂糖になり、次の1秒後には黒砂糖になり、3秒後には砂糖に戻るかもしれない。
将来のトレンド
2021年9月、ノーマン・ヤオ、ヴェディカ・ケマニ、ドミニク・エルゼ、渡辺正樹の4人の理論科学者が共同で「基礎物理学におけるブレークスルー賞」を受賞し、離散時間結晶という新しい分野がより広く認知されることになった。
2021年末までに、グーグルの量子コンピューティング・チームが行った離散時間結晶実験は、アメリカ物理学会（APS）のPhysicsと物理学会（IOP）のPhysics Worldによって、その年のトップ物理学ブレークスルーのひとつに選ばれた。
離散時間結晶の研究は、周期駆動系、多体局在化、プレサーマライゼーション、量子熱化過程の理解に革命をもたらした。また、様々な分野の研究者がこの分野に取り組むようになった。
離散時間結晶の進化は、科学的探求がしばしば挑戦的であり、反論や厳密な学術的議論を必要とすることを示している。科学的発見の領域では、洞察に満ちた誤りは、新しいアイデアを秘めている可能性があるため、平凡な真実よりも価値がある。
時間結晶は、量子コンピューター技術の急速な進歩の恩恵を受けている。
はじめに
カナダのバイオテクノロジー企業ハイパーステルス・バイオテクノロジー社が、「量子ステルス」（透明生地）として知られる先端素材を開発した。量子ステルス迷彩」と名付けられたこの生地は、光波を曲げることで透明化を実現する。
将来のトレンド
この素材は、透明マントの作成に使用される可能性があり、戦場の兵士が隠れることで難易度の高い任務を遂行するのに役立つ。同社のガイ・クレイマーCEOは次のように述べている：この『量子ステルス』素材は、特殊部隊が日中に急襲作戦を遂行するのに役立つだけでなく、兵士が予期せぬ危険に遭遇した際に、その脱出を容易にすることもできる。
さらにこの素材は、次世代のステルス航空機、潜水艦、戦車への応用が期待されている。
概要ポリマーと水からなるこの素材は、導電性があり、永久に湿った状態を保つ。
将来の展望将来的には、この素材は人工皮膚や生体模倣機能を持つ柔軟なロボットの作成に利用される可能性がある。
はじめに
遷移金属ジカルコゲナイド（TMDC）は単純な二次元構造を持ち、グラフェンに匹敵する超新素材である。通常、遷移金属元素M（モリブデン、タングステン、ニオブ、レニウム、チタンなど）とカルコゲン元素X（硫黄、セレン、テルルなど）から構成される。
TMDCは比較的安価で、非常に薄く安定した層への加工が容易であることに加え、その半導電性特性により、オプトエレクトロニクスの分野で理想的な材料として浮上してきた。
今後の開発動向：
TMDCに電子と正孔を注入すると、電子と正孔が出会って再結合し、光子を放出する。この光-電子変換能力は、TMDCが小型の低出力光源やレーザーとして機能する可能性がある光情報伝送の領域で有望視されている。
TMDCはまた、様々な2次元材料と組み合わせることで、格子不整合の問題を最小限に抑えたヘテロ接合を作ることができる。このようなヘテロ接合フォトニックデバイスは、より広いスペクトル範囲にわたって優れた性能を示すことが期待される。
概要
極低温沸騰物質は、熱沸騰物質とは逆の挙動を示す物質で、温度が下がるにつれて固体から液体、気体へと変化する。これらの物質は高温や常温でも固体のままで、温度が上昇するにつれて強度が増し、摂氏10,000度を超える温度にも耐えることができる。
これらは-121℃で液化し、-270℃で気体になる。極低温沸騰材料はスーパーマテリアルと呼ばれている。現在開発中の最先端の耐高温材料や超伝導材料と比較しても、優れた耐高温性と超伝導性を示す。
不活性熱沸騰材料をドープすると、極低温沸騰材料の低温および超低温強度が向上し、より広い温度範囲で卓越した強度が得られる。
極低温金属材料は室温で超伝導特性を示すため、高コストの低温環境を必要としない。そのため、研究や実用化において計り知れない可能性を秘めている。
今後の開発動向：
業界アナリストは、極低温沸騰材料は航空宇宙、超高性能機械、電子機器に広く利用される可能性があると指摘している。例えば、航空宇宙分野では、これらの材料は、優れた性能のエンジンや宇宙船のシェルを製造するために使用される可能性がある。
第三宇宙速度以上で航行する宇宙船に最適で、部品は高速航行によって発生する極端な温度下でも超高硬度を維持しなければならず、しかも宇宙の低温や超低温の条件下でも効果的に機能しなければならない。
極低温沸騰材料は、航空宇宙産業における技術革命を牽引する可能性がある。しかし、その合成や月からの抽出には大きな課題があり、これらの材料が応用されるまでには長い道のりが待ち受けている。
はじめに
磁性流体、フェロ流体、あるいは単にマグ流体とも呼ばれる磁気レオロジー流体は、液体の流動性と固体磁石の磁気特性を併せ持つ革新的な機能性材料である。ナノメータースケールの磁性固体粒子、キャリア液体、界面活性剤で構成されるこの安定したコロイド液体は、静止状態では磁気吸引力を示さない。
しかし、外部磁場にさらされると磁気特性を示す。このようなユニークな特性は、その幅広い応用と重要な学術的価値につながっている。
ナノメタル粉末や合金粉末から製造される磁気レオロジー流体は、優れた性能を示し、磁性流体シール、ダンピングシステム、医療機器、音響変調、光学ディスプレイ、磁気レオロジー分離プロセスなど、要求の厳しい環境で幅広く使用されています。
将来のトレンド
近年、航空宇宙、防衛、ヘルスケア、輸送といった新たな分野への磁気レオロジー材料の応用において、数多くの科学的ブレークスルーが見られます。技術の進歩に伴い、これらの応用分野は拡大し、関連する科学的・技術的専門知識に対する需要は着実に高まっています。
磁気レオロジー流体は、今後の発展が最も期待される素材の一つとして、国際的な注目を集めている。
中国が磁気レオロジー研究の分野に参入したのは他国に比べて遅かったが、急速に勢いを増している。かつては英国や米国などの先進国が独占していたハイエンドの応用技術が徐々に失われつつあり、磁気レオロジー材料研究の競争は今後数年で激化すると予想される。
はじめに
このコーティング材は、産業用ドリルおよびボーリング工具用に特別に設計された鉄ベースのガラス質合金で、高荷重下での耐破壊性を高めています。タングステンカーバイド-コバルト硬質合金などの従来の材料よりも大幅にコスト効率が良く、寿命が延びるためトンネル掘削効率も向上します。
将来のトレンド
この素材は将来、製造業や建設業などの産業で応用される可能性がある。
概要
巨大な磁気抵抗、高いイオン伝導性、電極触媒特性、酸化還元活性で知られるペロブスカイト・ナノドットは、光の吸収、貯蔵、触媒作用、センシングへの応用に大きな可能性を秘めている。
ペロブスカイトは結晶性構造材料であり、機能性材料の新しいクラスである。現在のところ、その安定性の問題が開発の大きな障壁となっている。しかし、新しいペロブスカイト構造の研究が進み、ペロブスカイトナノドットに大きな注目が集まっている。
将来のトレンド
市場調査ネットワークが発表した「中国ペロブスカイト・ナノドット市場発展状況と産業展望予測調査報告書」によると、オーストラリアのクイーンズランド工科大学（QUT）のチームが、人間の髪の毛から作ったペロブスカイト・ナノドットを太陽電池に組み込んでいる。
これらのナノドットは、ペロブスカイトの表面に保護層を形成し、さまざまな外的要因から材料を保護し、安定性を高め、光起電力変換効率を向上させる。また、製造コストの削減にもつながる。
このような進歩は、ペロブスカイト太陽電池の大規模開発にとって極めて重要であり、ペロブスカイト・ナノドットの将来が有望であることを示している。
はじめに
マイクロ格子金属は、小さな中空チューブが相互に連結して構造を形成したもので、各チューブの直径は約100マイクロメートル、壁の厚さはわずか100ナノメートルである。中空であるため、金属内部は99.99%の空気で構成されている。
この金属は主に軽い空気でできているため、タンポポの上に乗ったり、高いところから羽のように地面に浮かんだりすることができる。多くの人は、このような軽い金属の強度を疑問視し、非常にもろいのではないかと疑うかもしれない。しかし、そうではない。微細格子金属は非常に強く、高い圧縮強度を有している。
今後の開発動向：
電池電極や触媒担体として、マイクロ格子金属は航空や宇宙船製造の未来に革命を起こそうとしている。それらは、NASAの深宇宙探査機の質量を40%削減することを約束し、それは火星とその先への将来のミッションにとって極めて重要である。
概要
スタネンはスズ原子の単層としても知られ、グラフェンと同様の2次元ハニカム構造を特徴とする、新しい量子材料である。その結晶構造はダイヤモンドのようなα錫をベースにしており、非層状であるため機械的剥離では製造できず、製造技術の障壁が極めて高い。
グラフェン、シリセン、ゲルマンなどの他の二次元材料と比較して、スタネンは結合が長く、電気伝導性に優れており、室温で100.0%の電気伝導性を達成できる世界初のスーパー材料になる可能性がある。
将来のトレンド
業界アナリストによると、スタネンは新興の二次元材料として、幅広い応用の見込みがある。研究開発技術の絶え間ない革新と飛躍的な進歩により、スタネンの応用範囲は拡大し、業界は商業的発展を遂げる可能性が高いと予想される。
スタネン業界の技術的障壁は高く、近年、中国の数多くの研究チームがスタネン材料の研究で大きな進歩を遂げ、業界の成長にプラスの影響を与えている。
概要
モレキュラー・スーパーグルーは、2013年にオックスフォード大学生化学科のマーク・ハワースと彼の研究チームによって発見された接着剤で、細菌ストレプトコッカス・ピオゲネスが細胞侵入時に放出するタンパク質に由来する。
化膿レンサ球菌が放出するタンパク質にヒントを得たこの接着剤は、2つのタンパク質成分から形成され、接触すると分離するが接着剤のように再び結合する。分子スーパーグルーとして知られるこの接着剤は、高い接着強度、極端な温度への優れた耐性、酸性などの過酷な環境下での回復力を誇る。
将来の展望
分子瞬間接着剤は、金属、プラスチック、その他さまざまな物質と接着することができ、従来のコーティングと金属との接着不良という一般的な問題を克服する。
はじめに
メタマテリアルとは、21世紀に登場した用語で、従来の材料には見られない特別な物理的特性を持つ特殊な複合材料や構造のことを指す。これは、主要な物理的寸法の秩序だった構造設計によって達成される。
メタマテリアルは、物理学、化学、オプトエレクトロニクス、材料科学、半導体科学、機器製造など、多くの分野と交差しており、戦略的重要性を持つ世界的研究の最前線に位置している。
権威ある学術誌『サイエンス』は、今世紀最初の10年間における科学的進歩のトップ10にメタマテリアルを挙げ、『マテリアル・トゥデイ』誌も過去50年間における材料科学の最も重要なブレークスルー10にメタマテリアルを挙げている。
将来のトレンド
メタマテリアルは、無限の可能性を秘めた新素材になりそうだ。しかし、真の大規模産業化にはまだ程遠く、克服すべき課題も多い。これらの課題は、メタマテリアル研究の主流を方向づけ、この分野におけるさらなる技術的ブレークスルーと成果につながる可能性がある。
概要
量子とは現代物理学において不可欠な概念であり、物質とエネルギーの最小基本単位を表す。量子金属は最小の粒子単位からなる金属であり、ユニークな2次元物質である。通常の金属の特性だけでなく、絶縁体や超伝導の特性も持っている。
中程度の磁場下では量子金属として振る舞い、強い磁場下では絶縁体に転移し、-272℃以下では超伝導体となる。これは、量子金属の二次元状態に関する研究の可能性を示している。
将来のトレンド
業界アナリストによれば、超伝導は量子金属研究の重要な方向性である。臨界温度以下で電気抵抗ゼロを示す超伝導体は、電気をロスなく伝送することができ、エレクトロニクス、テレコミュニケーション、電力、輸送、医療、原子力産業、航空宇宙など幅広い分野で応用されている。
2021年、世界の超電導体市場は約$76億円と評価され、引き続き成長傾向を示している。超電導体は低温超電導体と高温超電導体に分類され、前者が支配的な地位を占め、開発の勢いが強い。低温超電導体の一種である量子金属は、研究と応用において大きな価値を有している。
はじめに
ボロン・グラフェンは2次元材料で、ホウ素元素からなるグラフェンと同様の単層平面原子構造である。この薄膜の厚さはわずか原子1個分である。
人工的に合成されたホウ素グラフェンは、さまざまな構造を持ち、ユニークな性質を持ち、多くの金属的特性、特に卓越した電子的特性を示すと予測されている。これは、新しいクラスの二次元材料である。
将来のトレンド
業界アナリストによれば、産業界の技術進歩を推進するため、世界市場では新素材の研究と応用に高い関心が寄せられている。
政府や資本による新素材研究への投資は増加の一途をたどっており、高性能の新素材が加速度的に開発・実用化されている。ホウ素グラフェンは新奇な二次元材料として優れた電子特性を持ち、エレクトロニクスやエネルギーなどの産業で飛躍的な成長を遂げる可能性を秘めている。
短期的には、まだ研究段階にあるため、その応用市場は形成されていない。しかし、長期的には、グラフェンに比べて大きな市場の可能性を秘めている。
概要
プログラマブルセメントは、セメント粒子の微細構造を管理することで、これらの粒子をプログラムし、高密度で空隙率の低い特殊なコンクリートを形成する。これにより、コンクリートの強度、防水性、耐食性が向上する。
プログラマブルセメントは、ハイテクで革新的なセメントである。全体的な性能の向上だけでなく、製造時や施工時の環境負荷も大幅に低減する。
今後の開発動向：
業界アナリストによると、中国は現在、米国に比べてプログラマブルセメントの研究への関与が低い。しかし、製造大国から製造強国への移行を目指し、カーボンニュートラルと持続可能な開発目標を達成するため、中国政府は高性能で環境に優しい新素材の研究を積極的に推進している。
今後、中国における新建材研究への投資は着実に増加し、プログラマブルセメントの研究成果も伸びていくと予想される。
概要
ウルトラ・シン・プラチナは、白金薄膜を迅速かつ安価に成膜する新しい方法で、燃料電池触媒に必要な金属量を大幅に削減し、コストを大幅に引き下げる。
将来の展望
この素材は将来、水素燃料電池などの分野で採用されるかもしれない。
概要
白金合金は、白金にパラジウム、ロジウム、イットリウム、ルテニウム、コバルト、オスミウム、銅などの他の金属を混ぜたものである。機能性材料として、温度測定、触媒、電気接点、電極材料、弾性材料、磁気流体材料などに使用される。
温度測定用の白金合金は、高温で高い熱・電気的安定性と精度を示し、主に白金-ロジウム系、白金-モリブデン系、白金-コバルト系が含まれる。白金-ロジウム合金は、高温耐酸化性と化学的安定性に優れている。
白金-モリブデン合金熱電対は、真空や不活性雰囲気、原子力分野での高温測定に使用される。抵抗温度計に使用される白金-コバルト合金は、20K以上で高い精度と感度を発揮します。
白金合金触媒は、硝酸製造のためのアンモニア酸化プロセスで使用される唯一の材料であり、主に白金-ロジウムまたは白金-ロジウム-パラジウムの合金メッシュで構成されている。
将来のトレンド
プラチナ合金は、高温ひずみ材料、精密ポテンショメーター巻線材料、医療材料、宝飾品、通貨など幅広い用途に使用されており、今後の発展も大いに期待されている。
概要
自己修復素材は、その名の通り、大きな介入を必要とせずに損傷を自動的に修復することができる。この特性は、物品の寿命を延ばすだけでなく、安全性と完全性を確保し、メンテナンス・コストを削減する。
自己修復材料の研究は、1990年代に建築用コンクリートの分野で始まった。しかし、大きな進展があったのは、世界的に有名な電気化学者であるアメリカのスコット・ホワイトと彼のチームが『ネイチャー』誌に論文を発表した2001年になってからである。彼らは、触媒を含むエポキシ樹脂に治癒剤を充填したマイクロカプセルを埋め込むことで高分子自己治癒材料を開発し、この分野に広く国際的な注目を集めた。
将来のトレンド
自己修復技術の急速な進歩に伴い、様々な自己修復材料が、建築、自動車、航空宇宙、航空、エレクトロニクスなどの産業において、より広範な用途を見出す態勢が整いつつある。その利用は、資源保護と持続可能な開発の達成にとって大きな意義がある。
概要
この革新的なコーティングは、ガラスの透明度を自己調整することができる。67℃以上になると、この透明コーティングは鏡のような反射面に変化し、太陽光を反射する。
将来の展望
この素材は、建設、輸送、その他の分野での応用が期待されている。
概要
バイオミメティック材料は、生物のさまざまな特性や特徴を模倣するために開発される。生体システムの動作モードや生体材料の構造原理を模倣するように設計・製造された人工材料は、バイオミメティック材料として知られている。
バイオミメティック・プラスチックは、エンジニアリング・プラスチックをはるかに凌ぐ強度を持つだけでなく、優れた靭性と亀裂伝播抵抗性を示す。また、-130℃から150℃の温度範囲で寸法変化が少なく、室温での熱膨張係数は従来のプラスチックの約10分の1である。
将来のトレンド
わが国の都市化が加速するにつれ、社会の安定と都市の安全保障に関する問題がますますクローズアップされている。バイオミメティック・プラスチックの技術は、インフラ整備を可能にする重要な技術である。それゆえ、社会経済や情報技術のさらなる進歩に伴い、バイオミメティック・プラスチックの応用は、今後新たなトレンドになるものと思われる。
はじめに
フォトニック結晶は、イオン格子が固体中の電子に影響を与えるのと同じように、光子の動きに影響を与える周期的な光学ナノ構造である。フォトニック結晶は自然界に存在し、構造的な着色や動物の反射体として現れる。魅力的な光学材料として、フォトニック結晶は光の流れを制御・操作するために使用される。
将来のトレンド
一次元フォトニック結晶は、レンズやミラーの反射防止膜や高反射膜から、色を変える塗料やインクに至るまで、薄膜光学ですでに広く利用されている。高次元フォトニック結晶は、基礎研究と応用研究の両方で大きな関心を集めており、2次元構造は商業的な応用が始まっている。
二次元周期性フォトニック結晶を用いた商用製品は、フォトニック結晶ファイバーという形で登場した。このファイバーは、ミクロンスケールの構造を用いて、非線形デバイスや特殊な波長を導くために使用される従来のファイバーとは根本的に異なる特性を持つ光を閉じ込める。
その3次元的な対応物は実用化には程遠いものの、製造可能性や大きな困難といった技術的な側面が克服されれば、光コンピューターに使用される光トランジスターを動作させるために必要な光非線形性といった付加的な機能を提供することができるだろう。
概要
耐食性セラミック材料は、高温構造材料において非常に有望な進歩である。高融点であるため、炉や高温キルン管などの耐火物としても優れています。これらのセラミックスのうち、構造材料に分類されるものは、強度、硬度、靭性などの機械的特性が主成分です。
金属は構造材料として広く使用されてきたが、高温での腐食や酸化に弱いため、そのような環境には適さない。高温構造セラミックスの登場は、弱い金属材料の欠点に対処するものである。これらのセラミックスは高温、酸化、酸塩基腐食に強い。
将来のトレンド
高温耐侵食性セラミックスは、絶縁性、耐熱性、耐食性、堅牢な機械的特性を提供します。高温セラミック絶縁コーティングは、その環境への優しさ、効率性、多機能性が認められ、特殊コーティング分野で重要な地位を確保しています。
概要
ハイドロセラミックスは、水に浸すと元の体積の400倍まで膨潤するハイドロゲルビーズからなる素材である。
将来のトレンド
この驚くべき特性により、球状のビーズは液体を吸収し、暑い季節には周囲の空気中に蒸発する。
概要
インフィニット・リサイクラブル・プラスチックとは、無期限にリサイクル可能なプラスチックのことである。従来のプラスチックに比べ、無限にリサイクル可能なプラスチックは再加工が可能であり、プラスチック製品が環境に流入することによる害を防ぐことができる。生分解性プラスチックとは異なり、無限にリサイクル可能なプラスチックは自然界で分解されることなく、再利用が可能であるため、経済的にも大きな価値がある。
今後の開発動向：
無限にリサイクル可能なプラスチックは、持続可能な開発戦略の中で幅広い市場展望を持っている。業界アナリストによれば、一般的なプラスチックは現在、生態学的・経済的価値に関する様々な問題に直面している。無限にリサイクル可能なプラスチックは、これらの問題を最大限に解決し、様々な製品の製造において既存のプラスチックに取って代わることができる。
はじめに
4Dプリントに使われる主な素材はポリマーだ。2014年、科学者たちは張力に敏感なポリマー繊維を開発し、着用者の体型や動きに合わせて自動的に調整できるドレスに加工できるようにした。
将来のトレンド
スマート素材は4D技術の核心である。しかし、この分野の研究はまだ初期段階にあるため、市場展開が可能な成熟した材料は、ポリマーを中心に数種類しかない。これはチャンスであると同時に課題でもある。現在の主な研究分野は、セラミック、金属、生物学的物質、複合材料の印刷材料としての可能性を調査することである。
概要
このデリケートで滑らかなポリマーは、肌に塗布すると瞬時に引き締まり、リフトアップし、楽にしわを消すことができる。
将来の展望
この素材は、スキンケア製品の開発や皮膚疾患の治療に大いに期待できる。
AI技術は、主に次のような側面を通じて、高性能材料の開発プロセスを加速させる：
モデリング精度と新機能の生成能力の向上： AI材料科学の革新の核心は、アルゴリズムの最適化、特にディープラーニング技術の応用にある。これによりモデリングの精度が大幅に向上し、新素材の性能や機能をより正確に予測することができる。
マテリアル・ゲノム・イニシアティブ： 新素材のイノベーションのためのインフラを確立することで、AI技術は材料の研究開発から応用までのスピードを少なくとも2倍にし、コストを半分にするのに役立つ。このプロセスでは、データベースの確立が鍵となり、材料ゲノム工学の礎となる。
ハイスループットで自動化されたインテリジェントな実験： AI技術は、材料実験のハイスループット化、自動化、インテリジェント化を推進してきた。これは実験の効率を向上させるだけでなく、理論シミュレーションと実験データの深い統合を促進し、それによって新素材の設計と最適化を導く。
ビッグデータと機械学習手法の組み合わせ： AI技術によって構築された高精度関数とディープポテンシャルをハイスループット計算と組み合わせた機械学習手法によって、トポロジカル絶縁体、触媒材料、二次元材料などのフロンティア材料を予測することができる。
ボトルネック」問題の解決： AI技術、特にビッグデータ技術によって推進される研究は、材料科学の分野における困難な問題を解決するための効果的な手段を提供し、新素材の開発プロセスを加速させる。
材料情報学の応用： 材料情報学研究にAIを効率的に活用し、特性予測を通じて材料開発を進めることは、材料科学分野におけるAIの革新的手法の重要な側面である。
MachineMFGの創設者として、私は10年以上のキャリアを金属加工業界に捧げてきました。豊富な経験により、板金加工、機械加工、機械工学、金属用工作機械の分野の専門家になることができました。私は常にこれらのテーマについて考え、読み、執筆し、常にこの分野の最前線にいようと努力しています。私の知識と専門知識をあなたのビジネスの財産にしてください。
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