記念企画としてたとえばこんなのはどうでしょう、ということで。
人間が作り出した「もの」には、大抵の場合になぜ作り出されたのか、どのように作るのか、そしてなぜそのように作るのかという理由があるものです。たとえば、パソコンのCPUにだってトランジスタという基本的なパーツがあり、それを組み合わせて電流を流すことで計算を行っています。電流が流れているか流れていないかという単純な二つの状態だけで複雑な計算を行っています。現代の「もの」は機構が複雑なものが多く、ブラックボックスとして使ってしまいがちですが、なぜ動いているのか、どうしてそうなるのかということを考えると意外と面白いことがわかったりします。とっても漠然として範囲が広いですが、端的に言ってしまえば工学という学問に当てはまる、この分野について自分の知ることをできるだけわかりやすく書き、それがレポートや雑学なんかの助けになれば。
さて、宇宙のような、広大な世界にもロマンがありますが、極端に狭い世界にも様々な不思議な現象があり、よく見てやると非常に面白いのです。ということで、金属のネタは幾つかあるのですが、わかりやすくて面白い「転移論」というものについて。
ミクロな世界とはいっても、それがもたらす結果は身近なところに表れるものです。たとえば、針金を曲げてみた経験というのは誰にでもあると思います。針金を一度曲げて、それを元に戻そうとするとまっすぐには戻らず、曲がったところの周りが反対向きに曲がることで元に戻りますよね。これがなぜ起きるのか、ということを突き詰めていくと、ミクロの世界にたどり着きます。
さて、まず針金を戻そうとしたときに、なぜ曲げたところが元に戻らないのかということを考えなければなりません。これは、針金の曲がった部分だけを持って元に戻そうとしてみればすぐにわかります。周りの部分より、曲げるのに力がいるはずです。つまり、曲がったところは硬くなっていることになる。この原因を考えるためには、「曲がる」というのがいったいどういう現象なのかを考える必要があります。
ものが曲がるということを原子レベルで考えてみると、ものの形が変わるためには、原子の並び方が変わる必要があります。金属では、通常原子は周りの原子と金属結合という結合を作って規則正しく並んでいます。これを仮に図の最初の状態だとしましょう(画像が切れる場合はクリックしてください。ちなみに、図でずれているように見えるのは錯覚ではないです。花子さんで急いで作ったもので。すみません。)。この状態から、図の最後の状態に移ると、原子が一列ずれたことになります。このずれが蓄積していけば、いつかは目に見える形でずれが見えてくるはずです。
そこでまず、実際に原子をずらすのに必要な力と理論上原子をずらすのに必要な力を比べます。図の最初の状態から最後の状態まで一気に原子をずらしたと考えると、計算値は実験値の10倍程度大きい値となってしまいました。そこで、何か別の方法で動いていると考える必要があります。そこで考えられたのが、図のように順番にずれていくというもの。これなら、最終的な仕事の大きさが変わらなかったとしても、ずらすのに必要な力は小さくてすみます。
では、図で何が起こっているのか細かく見ていきましょう。まず、外から力が加わると一カ所結合が切れます。それが2つめの絵。そして、さらに力が加わわると隣の結合も切れ、代わりに今結合が切れたところとつながってしまいます。そうすると、結合が切れている場所が一番左から二番目に移ります。実質的にこの部分に余計な原子列が入っているような状態になり、この余計な原子列のことを「転位」と呼びます。ちなみに、実際は原子はこの手前にも奥にも立体的に存在していますから、列ではなくて面なのですがそれを説明するとややこしくなるのでここでは割愛します。
そうしてできたずれは、次々に結合の仕方を変えて端までやってきます。こうして一つのずれができるわけです。実際には転位の位置にある原子は入れ替わっているわけですが、実質的に転位が動いているように見えるため、普通は転位が動くとずれができるという言い方をします。
こうしてずれについて考えることができたわけですが、実際に物体を細かくみてやると、この転位が単独で存在するわけではなく、無数の転位の働きが合わさってようやく目に見える曲がりになっているわけです。そうすると、当然転位と転位とがぶつかる場合が出てきます。
原子レベルで解説すると非常に複雑になりますので割愛しますが、転位と転位がぶつかると、絡まるような形になります。転位が絡まると、その部分では転位の移動が制限されますので、その部分を曲げることはできず、全体的にみると硬くなっていきます。
つまり、金属を曲げると硬くなる原因は転位の絡まりにあったのです。
ちなみに、このように元に戻らないような変形を塑性変形といい、バネのように元に戻るような変形を弾性変形といいます。塑性変形は転位が原因で起こりますから、だんだんと硬くなっていきます。最終的に転位が絡まりすぎると、それ以上曲がることができなくなり、破断に至ります。割れてしまうわけです。これが金属疲労の一因です。
ちなみに、こうしたずれによって物体が曲がることがわかれば、どうすれば硬くなるかということもわかります。一カ所に周囲よりも大きい原子を配してやれば、転位というのは周りに配列のずれを強制して無理矢理進んでいますから、ずれられないような大きい原子があると転位が進めなくなります。これによって硬くなるわけです。ただし、その分破断しやすくなりますから、硬くて脆いものができあがることになります。また、逆に原子と原子の隙間に入り込むような小さな原子を入れてやると同じような効果が得られます。このように、種類の違う原子を混ぜ込んだ金属のことを「合金」と呼びます。
鋼には鉄のほかに炭素原子が入っていますが、この炭素原子が上に書いたような働きをしています。また、鋼を鍛える際にハンマーのようなものでたたきますが、これはたたくことで鉄の中に転位を増やして硬くしているのです。ちなみに、刀を作る際には焼き入れも行いますが、これは別の理由により硬くしています。
つまり、針金を曲げると硬くなるのはずれ同士が絡まり合っていたから、ということです。実際に転移の動きを見ると、物質中で生き物のように動き回っています。目では見えない世界ですが、不思議な世界が広がっているのです。
ということで。そのうち補足するかもしれません。<そうなんです>
