熱膨張しない合金を開発することに成功

熱膨張は建築や精密機械の敵になる

私たちが普段目にするあらゆる物体――金属、ガラス、プラスチックなど――は、温度が上がれば少しずつ膨らみ（膨張）、温度が下がれば縮む性質をもっています。

これを「熱膨張（ねつぼうちょう）」と呼びます。

熱膨張はとても身近な現象であり、実はエッフェル塔などの巨大建造物でもはっきりと確認できます。

フランス・パリにあるエッフェル塔は、夏の暑い時期には冬より10〜15センチメートルほど高くなるという報告がありますが、これは塔の鉄骨が熱膨張してほんのわずかに“伸びる”ためです。

では、なぜ温度が上がると物質は膨張するのでしょうか。

物質を構成しているのは、目に見えないほど小さな原子や分子ですが、これらは温度が高くなるほど活発に振動し始めます。

振動が激しくなると、原子と原子が一定の距離を保つのが難しくなり、互いに少しずつ離れようとします。

結果として、物質の体積や長さが増える――つまり膨張するわけです。

ただし、この熱膨張が「ほんの少し」でも問題になる分野があります。

たとえば、工場で製造されるハイテク部品の組み立てでは、ミクロン（1mmの1/1000）単位の誤差が許されないことも珍しくありません。

わずかな熱膨張が生じると、部品同士のかみ合いが狂い、性能や品質に影響が出てしまう可能性があります。

また、温度上昇に弱い電子部品では、基板や金属端子が膨張して接合部分にストレスが加わり、故障や誤作動の原因になることがあります。

さらに航空宇宙産業の分野において、急激な温度変化（たとえば夜間の宇宙空間と日中の直射日光下での温度差）にさらされても、ミッションを続けなければならない人工衛星などでは、構造部材のわずかな伸縮が非常に重要な問題になります。

このように、日常生活ではそれほど意識しない熱膨張ですが、高精度の装置や極限環境で使う機器では、寸法の変化が大きな障害となり得ます。

したがって、「熱膨張がほとんど起きない材料」を発見または開発することが、昔から大きな研究テーマでした。

実際に「インバー合金」のように、鉄とニッケルを混ぜることで熱膨張が非常に小さくなる材料が知られていますが、その限界やメカニズムにはまだ未解明な部分も多く、新しい視点や技術が必要とされてきました。

こうした背景の中で、新しいタイプの合金が登場し、熱膨張を事実上ゼロに近いレベルに抑えることが可能になると、精密機械や宇宙開発、電子機器などさまざまな分野で革命的な応用が期待できます。

そこで今回、ウィーン工科大学（TU Wien）の理論研究チームと北京科技大学（USTB）の実験研究チームが協力し、熱に晒されても厄介な熱膨張を起こしにくい新合金の開発に成功しました。