材料科学の歴史

人類の夜明け以来、材料科学は文明の発展を形作ってきました。道具や武器のためのより良い材料は、人々が広がり征服することを可能にし、鉄鋼やアルミニウムの生産のような材料処理の進歩は、今日の社会に影響を与え続けています。歴史家は、材料を文明の重要な側面と見なしており、使用される主な材料によって時代全体が定義されています（石器時代、青銅器時代、鉄器時代）。記録された歴史のほとんどにおいて、材料の制御はせいぜい錬金術または経験的手段によって行われていました。化学と物理学の研究と発展は材料の研究を支援し、最終的にこれらの研究の融合から材料科学の学際的な研究が生まれました。^[1]材料科学の歴史は、地球の歴史を通じてさまざまな材料がどのように使用され、開発され、それらの材料が地球の人々の文化にどのように影響したかを研究することです。「シリコン時代」という用語は、20世紀後半から21世紀初頭の近代史を指すために使用されることがあります。

多くの場合、さまざまな文化は、その資料を唯一の記録として残しており、人類学者はそれを使ってその文化の存在を定義することができます。より洗練された資料の使用が進むにつれて、考古学者は人々を特徴づけ、区別することができます。これは部分的には、文化で主に使用されている資料と、それに伴う利点と欠点によるものです。石器時代の文化は、地元で見つけられる岩石と、交易で入手できる岩石によって制限されていました。紀元前30万年頃のフリントの使用は^、陶磁器の使用の始まりと見なされることが^{あります。磨かれた}石斧の使用は、^はるかに幅広い種類の岩石が道具として使えるようになったため、大きな進歩を示しています。

青銅器時代の金属の製錬と鋳造の革新は、文化の発展と相互交流の方法を変え始めました。^[要出典] 紀元前5,500年頃から、初期の鍛冶屋は火を使わず道具と武器を使って銅と金の天然金属を再成形し始めました。銅を加熱しハンマーで成形するようになったのは紀元前5,000年頃です。 ^[要出典]溶解と鋳造は紀元前4,000年頃に始まりました。冶金学は紀元前3,500年頃、鉱石から銅を還元することで幕開けました。最初の合金である青銅は紀元前3,000年頃に使用されました。^[要出典]

材料の使用は石器時代に始まりました。通常、骨、繊維、羽、貝殻、動物の皮、粘土などの材料が武器、道具、宝石、住居に使用されました。最も古い道具は旧石器時代のもので、オルドワン石器と呼ばれていました。これらは、清掃目的で使用された砕いた岩から作られた道具でした。^[要出典]歴史が中石器時代へと進むにつれて、道具はより複雑で対称的なデザインになり、刃はより鋭くなりました。新石器時代に移行すると、農業が発展し始め、農耕用の道具を形成する新しい方法が発見されました。石器時代の終わりに近づくと、人類は銅、金、銀を材料として使い始めました。これらの金属は柔らかいため、一般的には儀式や装飾品の作成に使用され、道具に使用する他の材料に取って代わることはありませんでした。使用された道具のシンプルさは、当時の人類の単純な理解を反映していました。^[2]

銅の用途は文明社会では非常に明白なものとなっていました。例えば、銅は弾力性と可塑性があり、槌で叩いて形を整えることができ、溶かして流し込んで複雑な形にすることもできるからです。銅には多くの利点がありましたが、素材が柔らかすぎて大規模な用途には適していませんでした。実験や偶然により、銅に添加物を加えることで硬度が増した新しい金属合金が生まれ、青銅と呼ばれています。^[3]青銅はもともと銅とヒ素からできており、ヒ素青銅となっていました。^[4]

鉄の加工は紀元前1200年頃から盛んに行われるようになりました。紀元前10世紀には、古代近東でガラスの生産が始まりました。紀元前3世紀には、古代インドの人々が最初のるつぼ鋼であるウーツ鋼を開発しました。紀元前1世紀には、フェニキアでガラス吹きの技術が栄えました。紀元2世紀には、漢王朝時代の中国で鉄鋼製造が広まりました。紀元4世紀には、耐腐食性鋼の現存最古の例である デリーの鉄柱が作られました。

ローマ帝国の建造物は、木材、骨、石、土などの材料で作られました。建造物が建てられた土地の性質によって、建造が可能になったものもあります。ローマ人は、石灰岩の粉末、ベスビオ山の火山灰、水を混ぜてセメントペーストを作りました。^[5]結晶質を含む石の集合体や礫岩のある火山半島は、柔らかい堆積岩やシルトとは異なる風化を示す物質を生成します。セメントペーストの発見により、不規則な形の石で建造物を建て、結合剤で隙間を埋めて頑丈な構造を作ることができました。セメントは水和するにつれて強度が増し、時間の経過とともにより強い結合を形成します。西ローマ帝国の崩壊とビザン人の台頭により、この知識は、ウィトルウィウスのラテン語を読んでコンクリートペーストを利用できる数少ない人物であったカトリックの修道士を除いて、ほとんど失われました。^{[6]これが、}ローマのコンクリートのパンテオンが1,850年もの間持ちこたえられた理由の一つであり、レンブラントが描いたオランダの茅葺き農家がずっと前に朽ち果ててしまった理由でもある。

アスベストの素材としての利用は古代ギリシャで盛んに行われ、特にその耐火性が明らかになると急速に広まりました。多くの学者は、アスベストという言葉は古代ギリシャ語の「消えない」または「消せない」という意味のἄσβεστος ( ásbestos ) に由来すると考えています。^[7]  貴族の衣服、テーブルクロス、その他のオーブンの装飾品はすべてこの繊維素材で織られていました。これは、素材を直接火に投げ込むことで浄化できるためです。^[8]ただし、この素材の使用には欠点がないわけではなく、大プリニウスは、アスベスト鉱山で働く奴隷がすぐに死んでしまうこととの関連を指摘しています。彼は、この環境で働く奴隷に、膀胱皮膚を間に合わせの呼吸器として使用することを推奨しました。^[9]

初期の狩猟採集民の大腿骨の 短剣が木斧や石斧に取って代わられ、さらにローマ文明の銅、青銅、鉄の道具に取って代わられると、より貴重な材料が探し出され、集められるようになった。こうして中世の金細工師ベンヴェヌート・チェッリーニは、公爵や教皇の欲望の対象にする必要のある金を探し出し、守ることができた。ベンヴェヌート・チェッリーニの自伝には、冶金プロセスに関する最初の記述の1つが含まれている。

コルクの使用は、最近になって材料科学の分野に加えられたが、その最初の言及はホラティウス、プリニウス、プルタルコスの時代に遡る。^[10]コルクは、浮力があるため漁業や安全装置、彫刻の材料、身長を高くするサンダルの底、容器の栓、絶縁体など、古代では多くの用途があった。また、2世紀には脱毛症の治療にも使われていた。^[11]

古代ローマ時代には、吹きガラスは装飾や色合いを加える芸術となった。また、鋳型の使用により複雑な形状も作れるようになった。この技術により、宝石を模倣することができた。^[12]窓ガラスは平らな粘土の鋳型に流し込み、取り出して洗浄することで形成された。^[12]ステンドグラスの質感は、鋳型と接触する側に砂型が残した質感から生まれた。^[12]

この時期には木材の形で高分子複合材料も登場しました。紀元前80年までに、石化した樹脂とケラチンがそれぞれ琥珀と亀の甲羅としてアクセサリーに使用されました。 ^[10]

紀元前1世紀のアレクサンドリアでは、粘土で覆われた葦管を使って高温を生み出せる新しい炉のおかげで、吹きガラスが発達しました。 ^[12]吹きガラスには、植物の灰とナトロンガラス（後者が主成分）が使用されました。沿岸部と半砂漠地帯の植物は、酸化マグネシウムと酸化カリウムの含有量が少ないため、最も適していました。吹きガラスの容器が最も一般的だったのは、レバント、北アフリカ、イタリアでした。^[13]

磁器の原型は新石器時代にまで遡るものが発見されており、その破片は中国の東漢時代の遺跡で発見されている。これらの陶器は1260℃から1300℃で焼かれたと推定されている。^[14] 8世紀には、中国の唐の時代に磁器が発明された。中国における磁器の発明により、広く使用される窯が系統的に開発され、磁器の生産量と品質が向上した。^{[15]セラミックの}錫釉は、イラクのバスラでアラブの化学者と陶工によって発明された。^[16]

中世初期には、窓を作る技術は、後に平らになる無色の球状のガラスを吹きガラスする方向に進んでいましたが、中世後期には、金属ローラーで巻くなどのいくつかの小さな調整を加えて、古代の方法に戻りました。^[12]

9世紀にはイラクで石膏陶器が発明され、^[16]メソポタミアでラスターウェアが登場しました。[ 17 ^] 11世紀には中東でダマスカス鋼が開発されました。15世紀には、ヨハン・グーテンベルクが活字合金を開発し、アンジェロ・バロヴィエが透明なソーダベースのガラスであるクリスタッロを発明しました。

1540年、ヴァンノッチョ・ビリンゴッチオが冶金学に関する最初の体系的な本『 De la pirotechnia』を出版し、1556年にはゲオルク・アグリコラが冶金学と鉱業に関する影響力のある本『De Re Metallica』を執筆し、オランダでガラスレンズが開発され、顕微鏡や望遠鏡に初めて使用されました。^[要出典]

17 世紀、ガリレオの『二つの新科学』（材料力学と運動学）には、材料科学における最初の定量的な記述が含まれています。^[要出典]

18 世紀には、ウィリアム・チャンピオンがカラミンと木炭から蒸留して金属亜鉛を製造する方法の特許を取得し、ブライアン・ヒギンズは外装の漆喰として使用される水硬性セメント (スタッコ) の特許を取得し、アレッサンドロ・ボルタは銅または亜鉛の酸電池を製造しました。^{[出典が必要]}

19 世紀には、トーマス・ヨハン・ゼーベックが熱電対を発明し、ジョセフ・アスピンがポートランドセメントを発明し、チャールズ・グッドイヤーが加硫ゴムを発明し、ルイ・ダゲールとウィリアム・フォックス・タルボットが銀ベースの写真製法を発明し、ジェームズ・クラーク・マクスウェルがカラー写真術を実演し、チャールズ・フリッツがセレンワッフルを使った最初の太陽電池を作りました。^{[出典が必要]}

1800年代初頭まで、アルミニウムは単独の金属として生産されていませんでした。1825年になって、ハンス・クリスチャン・エルステッドが塩化アルミニウムの還元によってアルミニウム元素を生成する方法を発見しました。アルミニウムは軽い元素で機械的特性に優れているため、銀や金などの重くて機能の少ない金属の代替品として広く求められました。ナポレオン3世は名誉ある客にはアルミニウムの皿や食器を使用し、その他の客には銀を贈りました。^[18]しかし、このプロセスはまだ高価で、金属を大量に生産することはできませんでした。^[19]

1886年、アメリカ人のチャールズ・マーティン・ホールとフランス人のポール・エルーは、電気分解によって酸化アルミニウムからアルミニウムを製造する、互いに完全に独立したプロセスを発明しました。^[20]このプロセスにより、アルミニウムはかつてないほど安価に製造できるようになり、貴金属から入手しやすい商品へとこの元素を変える基礎が築かれました。 1888年頃、カール・ヨゼフ・バイヤーはロシアのサンクトペテルブルクで、繊維産業向けの純粋なアルミナの製造方法を開発していました。 このプロセスでは、ボーキサイト鉱物から酸化アルミニウムを溶解してギブサイトを生成し、これを精製して原料アルミナに戻すことができます。 バイエル法とホール・エルー法は、今日でも世界のアルミナとアルミニウムの大部分を生産するために使用されています。^[21]

ほとんどの学問分野には、物理​​学のニュートンや化学のラヴォアジエのように創始者がいる。一方、材料科学には中心人物がいない。^[22] 1940年代、技術の進歩を生み出すために複数の研究分野が戦時中に協力したことが、材料科学および工学として知られる将来の研究分野の構造となった。^[23] 1950年代の冷戦中、米国大統領科学諮問委員会（PSAC）は、材料が宇宙技術と軍事技術の進歩を制限する要因であることを認識し、材料を優先事項とした。 1958年、ドワイト・D・アイゼンハワー大統領は、高等研究計画局（ARPA） ^[24]を創設しました。これは1996年以降、国防高等研究計画局（DARPA）と呼ばれています。1960年、ARPAは、材料の研究と学生への材料科学研究の実施方法の教育を目的とした、大学キャンパス内への学際的研究所（IDL）の設立を奨励しました。^{[25] ARPAは、当初}コーネル大学、ペンシルベニア大学、ノースウェスタン大学に4年間のIDL契約を提供し、最終的にさらに9つの契約を締結しました。^[26] ARPAは現在IDLプログラムを管理していませんが（国立科学財団が1972年にプログラムを引き継ぎました^{[26] ）、IDLの最初の設立は、}米国の材料科学研究開発における重要なマイルストーンを示しました。 1960年代には、いくつかの機関の学科名が「冶金学」から「冶金学および材料科学」に変更された。^{[22] [27]}

20 世紀初頭、ほとんどの工学部には冶金学科があり、おそらくはセラミック学科もあった。鉄鋼生産の基礎となる鉄 - 炭素相図に見られるオーステナイト-マルテンサイト-セメンタイト相の検討に多大な労力が費やされた。 ^[要出典]他の材料の基礎的理解は、学問として考えられるほどには進んでいなかった。第二次世界大戦後の時代には、ポリマーの体系的な研究が特に急速に進んだ。工学部に新しいポリマー科学科を設けるのではなく、管理者と科学者は材料科学を、統一された観点から工学上重要なすべての物質を検討する新しい学際分野として考え始めた。ノースウェスタン大学は1955 年に最初の材料科学科を設立した。 ^[28]

リチャード・E・トレスラーは、高温材料の開発における国際的リーダーでした。彼は、高温ファイバーの試験と使用、熱構造材料の高度な計測機器と試験方法、高温航空宇宙、工業、エネルギー用途のセラミックスと複合材の設計と性能検証の先駆者でした。彼は先端材料センター（CAM）の創設ディレクターであり、ペンシルベニア州立大学の地球鉱物科学学部、エバリー科学大学、工学部、材料研究研究所、応用研究研究所の多くの教員と学生に高温材料に関する支援を提供しました。彼の学際的研究のビジョンは、材料研究所の設立に重要な役割を果たしました。トレスラーの材料科学への貢献は、彼にちなんで名付けられたペンシルベニア州立大学の講演会で称えられています。^[29]

材料研究学会（MRS）[ ^30]は、米国でこの新しい分野のアイデンティティと結束を築く上で重要な役割を果たしてきました。MRSはペンシルベニア州立大学の研究者の発案によるもので、1970年にラスタム・ロイ教授が始めた議論から生まれました。MRSの最初の会議は1973年に開催されました。2006年現在^{[更新が必要]}、MRSは多数の年次会議を主催し、13,000人を超える会員を擁する国際学会に成長しました。MRSは、アメリカ物理学会やIEEEなどの組織が通常主催する、より焦点を絞った会議とは対照的に、さまざまなトピックに関するシンポジウムに細分化された会議を主催しています。MRS会議の根本的に学際的な性質は、科学の方向性、特に生物学、化学、物理学、機械工学、電気工学の結びつきであるソフトマテリアルの研究の人気に大きな影響を与えてきました。統合的な教科書、材料研究協会、世界各地の大学教授陣、学士、修士、博士課程、その他の学問形成の指標の存在により、材料科学（および工学）を学問分野と呼ぶのは妥当である。 ^[31]

結晶学の分野は、固体材料の結晶にX線を照射するもので、第二次世界大戦中および戦後に物理学研究所でウィリアム・ヘンリー・ブラッグと息子のウィリアム・ローレンス・ブラッグによって創設されました。^{[要出典]材料科学は、}シリコン時代と情報化時代の到来とともに主要な確立された学問分野となりました。これは現代のコンピュータ、そして携帯電話の開発につながり、それらをより小型、高速、強力にする必要性から、材料科学ではより複雑な計算を処理できるより小型で軽量の材料の開発につながりました。これにより、複雑な結晶学計算を解決し、結晶学実験を自動化するためにコンピュータを使用できるようになり、研究者はより正確で強力な技術を設計できるようになりました。コンピュータと結晶学に加えて、1960年以降のレーザー技術の発展は、発光ダイオード（DVDプレーヤーやスマートフォンで使用）、光ファイバー通信（世界的な通信で使用）、および材料科学の重要なツールである共焦点顕微鏡の開発につながりました。 ^[32]

• 材料技術のタイムライン
• 鉄冶金の歴史
• 皮革素材の歴史
• シルクの歴史
• カテゴリー:材料科学者およびエンジニア

• ベンヴェヌート・チェッリーニ(1500–1571)自伝。
• ガリレオ（1638）『二つの新しい科学』ライデン：ルイ・エルゼビア。
• DL Weaire & CG Windsor (編集者) (1987) Solid State Science: Past, Present and Predicted、ISBN 0-85274-584-2。 
• Robert W. Cahn (2001) 『材料科学の到来』、オックスフォード: Pergamon シリーズ。
• Klaus Hentschel (2011) Von der Werkstoffforschung zur Materials Science、in: Klaus Hentschel & Carsten Reinhardt (eds.) Zur Geschichte der Materialsforschung、NTM 19 の特別号、1 : 5-40。

• 1973 年の MRS Bulletin の 20 周年記念号。
• ノースウェスタン大学が2005年に発表した材料科学部の創立50周年に関するプレスリリース。
• アメリカ化学会における材料科学。
• 歴史冶金学会
• プラスチック歴史協会
• ガラスの歴史協会