フロリダ工科大学名誉教授マーティン・グリックスマンの金属と材料に関する最新の研究は、鋳造業界に影響を与えるだけでなく、亡くなった同僚2人のインスピレーションと個人的に深いつながりがある。googletag.cmd.push(function() { googletag.display('div-gpt-ad-1449240174198-2'); });
グリクスマンの研究「界面熱化学ポテンシャルの表面ラプラシアン: 固相と液相の領域の形成におけるその役割」は、合同誌 Springer Nature Microgravity の 11 月号に掲載されます。この発見は、金属鋳物の凝固についてのより深い理解につながり、エンジニアがより長持ちするエンジンとより強力な航空機を製造し、積層造形を進歩させることができるようになります。
「鉄鋼、アルミニウム、銅などすべての重要なエンジニアリング材料、鋳造、溶接、一次金属の生産について考えると、これらは大きな社会的価値を持つ数十億ドル規模の産業です」とグリックスマン氏は述べた。「私たちが素材について話していることを理解していただけると思います。小さな改善であっても価値がある場合があります。」
水が凍ると結晶が形成されるのと同じように、溶融金属合金が凝固して鋳物を形成するときにも同様のことが起こります。グリクスマン氏の研究は、金属合金の凝固中に、結晶と溶融物の間の表面張力、および成長に伴う結晶の曲率の変化により、固定された界面でも熱流束が発生することを示しています。この基本的な結論は、成長する結晶から放出される熱エネルギーがその成長速度に直接比例するという鋳造理論で一般的に使用されるステファン重量とは根本的に異なります。
グリクスマンは、微結晶の曲率がその化学ポテンシャルを反映していることに気づきました。凸状の曲率は融点をわずかに低下させ、凹型の曲率は融点をわずかに上昇させます。これは熱力学ではよく知られています。新しいことであり、すでに証明されているのは、この曲率勾配が凝固中に追加の熱流束を引き起こすということですが、これは伝統的な鋳造理論では考慮されていませんでした。さらに、これらの熱の流れは「決定論的」であり、ランダムノイズのようなランダムなものではなく、原理的には鋳造プロセス中にうまく制御して合金の微細構造を変化させ、特性を改善することができます。
「複雑な結晶微細構造を凍結させると、曲率によって引き起こされる熱流束が発生し、これを制御できます」とグリクスマン氏は言う。「化学添加剤や、圧力や強い磁場などの物理的効果によって制御される場合、実際の合金鋳造品の熱流束は微細構造を改善し、最終的には鋳造合金、溶接構造、さらには 3D プリントされた材料を制御することができます。」
科学的価値に加えて、この研究はグリクスマンにとって個人的に非常に重要なものであったが、これは主に亡くなった同僚の親切な支援のおかげである。そのような同僚の一人に、昨年亡くなったコーネル大学の流体力学教授ポール・スティーン氏がいた。数年前、スティーンは、スペースシャトルの流体力学と材料研究を使用して、微小重力下での材料に関するグリックスマンの研究を支援しました。シュプリンガー・ネイチャーは微小重力誌の11月号をスティーンに捧げ、グリクスマンに敬意を表して研究に関する科学記事を執筆するよう連絡を取った。
「それが私に、ポールが特に高く評価してくれるような興味深いものをまとめようと思い立ちました。もちろん、この研究論文の読者の多くは、ポールが貢献した分野、つまり界面熱力学にも興味を持っています」とグリクスマン氏は述べた。
グリクスマン氏にこの記事を書くきっかけを与えたもう一人の同僚は、2020年3月に亡くなったフロリダ工科大学の数学教授、学部長、学務副学長のセミヨン・コクサル氏だった。グリクスマン氏は、彼女のことを親切で知的な人で、とても楽しかったと述べた。彼女が彼の数学的知識を彼の研究に応用するのを手伝ってくれたことに注目して話をした。
「彼女と私は良い友達で、私の仕事にとても興味を持っていました。セミヨンは、曲率によって引き起こされる熱の流れを説明するために微分方程式を定式化するときに私を助けてくれました」とグリクスマン氏は言いました。「私たちは方程式やその定式化方法、その限界などについて話し合うのに多くの時間を費やしました。彼女は私が相談した唯一の人で、数学理論を定式化し、それを正しく理解するのに非常に役立ちました。」
詳細情報: Martin E. Gliksman et al.、界面熱化学ポテンシャルの表面ラプラシアン: 固液モードの形成におけるその役割、npj Microgravity (2021)。DOI: 10.1038/s41526-021-00168-2
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