2015年7月30日
出典：ASM International。 ASM International
計算によると、ちょうど良い量のハフニウム、窒素、炭素で作られた材料は、4400K(7460°F)以上の融点を持つことが分かりました。
実験的に記録された最高融点は、ハフニウム、タンタル、炭素（Hf-Ta-C）から作られた物質で、これは太陽の表面温度の約3分の2に相当します。 しかし、今回の計算では、ハフニウム、窒素、炭素の最適な組成であるHfN0.38C0.51が、新記録の有力な候補であることが示唆されました。
ブラウン大学の工学准教授であるAxel van de Walle氏は、「計算機によるアプローチから始める利点は、非常に安価に多くの異なる組み合わせを試すことができ、研究室で実験する価値がありそうなものを見つけられることです」と述べています。 “そうでなければ、ただ闇雲に撮影するだけになってしまいます。
研究者たちは、量子力学の法則に従って原子レベルの物理的プロセスをシミュレーションすることで、融点を推定する計算技術を用いました。 この技術は、100個程度の原子の塊であるナノスケールで発生する融解のダイナミクスを調べるものです。 従来の方法よりも効率的ですが、テストする化合物の数が多いため、計算量は多くなります。
研究チームは、融点がすでに実験的に決定されているHf-Ta-C材料を分析しました。
その結果、Hf-Ta-C は、高い融合熱 (固体から液体に変化する際に放出または吸収されるエネルギー) と、固相と液相のエントロピー (乱れ) の差が小さいことを兼ね備えていることがわかりました。 “溶解するのは、相変化の過程で得られるエントロピーです」とヴァン・デ・ワールは説明する。 “
研究者たちは、この発見をもとに、これらの特性を最大限に発揮できるような化合物を探した。 その結果、ハフニウム、窒素、炭素を含む化合物は、融合熱は同じように高いが、固体と液体のエントロピーの差が小さくなることがわかった。
研究グループは現在、カリフォルニア大学デービス校のアレクサンドラ・ナブロツキーの研究室と共同で、この化合物の合成と融点実験を行っています。
用途は？
今回の研究は、ガスタービンのメッキや高速航空機の熱シールドなど、さまざまな用途の新しい高性能材料につながる可能性があります。 しかし、HfN0.38C0.51化合物自体が有用な材料になるかどうかは、はっきりしていないとvan de Walle氏は言う。
「重要な特性は融点だけではありません。 “機械的特性や耐酸化性など、あらゆる種類の特性を考慮する必要があります。 機械的特性や耐酸化性など、さまざまな特性を考慮する必要があります。これらを考慮すると、融点を下げるために他のものを混ぜることができるかもしれません。 しかし、すでに高いところからスタートしているので、他の特性を調整する余地があるのです。
この研究は、比較的新しい計算技術の威力を示すものでもあると、van de Walle氏は言います。 近年、計算機を使って多数の候補化合物の材料特性を調べることへの関心が高まっていますが、そのような研究の多くは、融点よりもはるかに計算しやすい特性に焦点を当てています。 “van de Walleは、「融点は、これまでに行われてきたものと比べて、予測が非常に難しい問題です」と語る。 “
米国海軍研究局とブラウン大学からの資金提供を受け、同大学のCenter for Computation and Visualizationの施設を使用しました。
Subject Classifications
Material Properties and Performance
Material Properties and Performance｜Thermal Properties
Materials Testing and Evaluation｜Computational Materials Engineering
Materials Testing and Evaluation｜Materials Selection
材料試験と評価｜Computational Materials Engineering
Materials Testing and Evaluation｜Materials Selection
この研究は、米国海軍研究局とブラウン大学からの資金援助を受けています。