記憶する物質2

マルテンサイト変態へ

物質の記憶ということで容易に頭に浮かんでくるものは｢形状記憶
合金｣｢形状記憶繊維｣｢形状記憶樹脂｣などである｡これらは作用のプ
ロセスで持ち得た記憶が温度を媒介として読み出されるものだ。現
代の科学が生んだ新しい物質である。

例えば形状記憶合金とは､｢高温で成型した後、常温で変形させても
加熱すると元のかたちに戻る合金。チタン・ニッケル合金、銀・カ
ドミウム合金など数種類が知られる」と辞書にも記されている。ま
ずこれらの話からはじめよう。

形状記憶合金は、1951年に｢金・カドミウム合金｣において形状記憶
効果が発見され、その後、さまざまな合金によって盛んな研究が行
われるようになった。では形状記憶効果とは何か。これを理解する
には、「マルテンサイト」という言葉がキーワードとなる。

マルテンサイトとは刃物などに使う鋼材が焼き入れによって硬化す
るような状態を示すもので、これは結晶構造の変化によって生まれ
るものだ。焼き入れでは、高温の鋼材を急冷却すると鋼材の結晶状
態が、マルテンサイトと呼ばれる低温で作られる結晶相へとゆがみ
やすくなり、多数の原子がいっせいに原子１個分の距離以下で移動
し､もろいが硬い鋼へと変化する｡その変化を｢マルテンサイト変態｣
と呼んでいる。

この鋼を熱するとふたたびオーステナイトと呼ばれる結晶相へと変
化し、放置すると今度は弾力のある軟らかい鋼材へと変化する。こ
れは日常的に使う言葉でいうと焼き戻しとも焼きなましとも呼ばれ
るものだ。鋼材における焼き入れ・焼き戻しも、いってみれば、鋼
材が内部に秘める素材としての記憶を加熱・冷却という手段で読み
出し、その質を｢用｣として役立てているのだといえよう。

鋼材を硬化させるには高温・急冷却が必要であったが、非鉄金属で
はそれを必要とせずマルテンサイト変態をきわめて利用しやすいか
たちで引き出すことができる。銅・亜鉛合金、ニッケル・チタン合
金、金・カドミウム合金などにおいては、マルテンサイトの状態に
あるものを塑性変形､すなわち｢力を加えて変形させたあとで外力を
取り去っても歪みが残っているような状態｣のときに､これに一定温
度を与えるだけでふたたび容易にもとの形状に戻ることがそれだ。

こうした挙動は熱弾性マルテンサイト変態と呼ばれる。これが形状
記憶効果として利用されるのだ。まるで金属の結晶が、わずかな熱
の作用でかつての記憶を取り戻しながらもとのかたちに変形してい
くようなさまから形状記憶合金と名づけられたのだろう。

こうした形状記憶金属の性質を用いてさまざまな実用化が図られて
いる。温度によって花が開閉するような玩具は単にかわいいだけだ
が、接続が難しい石油プラントや航空機のパイプ継ぎ手などに利用
すれば、はめやすいかたちで継ぎ手をはめこみ温度変化を与えるだ
けで確実な継ぎ手を完成させるという重要な働きをする。

また人工衛星のアンテナや温室の窓などでは、温度変化による開閉
装置としても利用されており、さらには人工関節、心臓ポンプ、火
災時の防火扉などへも応用が広がっているという。一方最近では鉄
系の素材によって、従来の合金に比べて半分から3分の1程度という
安価な形状記憶合金も開発され、土木建設用の鉄筋継ぎ手などへの
大量利用も図られている。

[3]へ続く