材料科学

構造は、材料科学の分野で最も重要な要素の 1 つです。この分野の定義自体が、「材料の構造と特性の間に存在する関係」の調査に関係していることを示しています。^{[ 12 ]}材料科学は、原子スケールからマクロスケールまで、材料の構造を調べます。^{[ 4 ]}特性評価は、材料科学者が材料の構造を調べる方法です。これには、X 線、電子、または中性子による回折、ラマン分光法、エネルギー分散型分光法、クロマトグラフィー、熱分析、電子顕微鏡分析などのさまざまな形式の分光法および化学分析などの方法が含まれます。

構造は以下のレベルで研究される。

原子構造

原子構造とは、物質を構成する原子、そしてそれらがどのように配列されて分子や結晶などを形成するかを扱う学問です。物質の電気的、磁気的、化学的性質の多くは、このレベルの構造に由来します。ここで扱う長さスケールはオングストローム（Å）単位です。化学結合と原子配列（結晶学）は、あらゆる物質の性質と挙動を研究する上で不可欠です。

ボンディング

材料の構造とその特性との関連性を完全に理解するためには、材料科学者は、様々な原子、イオン、分子がどのように配置され、互いに結合しているかを研究する必要があります。これには、量子化学や量子物理学の研究と応用が不可欠です。固体物理学、固体化学、物理化学も、結合と構造の研究に関わっています。

結晶学

結晶学は、結晶固体中の原子の配列を調べる科学です。結晶学は、材料科学者にとって有用なツールです。材料の結晶構造に関する基本的な概念の 1 つは、単位セルです。単位セルは、マクロな結晶構造を構成するために繰り返される結晶格子 (空間格子) の最小単位です。最も一般的な構造材料には、平行六面体格子と六角形格子のタイプがあります。^{[ 14 ]}単結晶では、結晶の自然な形状が原子構造を反映しているため、原子の結晶配列の影響はマクロ的に容易に観察できます。さらに、物理的特性は、結晶欠陥によって制御されることがよくあります。結晶構造の理解は、結晶欠陥を理解するための重要な前提条件です。結晶欠陥の例には、エッジ、らせん、空孔、自己格子間原子などを含む転位があり、これらは線状、平面状、および 3 次元タイプの欠陥です。^{[ 15 ]}開発中の新しい高度な材料には、ナノ材料、生体材料などがあります。^{[ 16 ]}ほとんどの場合、材料は単結晶ではなく、異なる方位を持つ小さな結晶または粒子の集合体である多結晶形態で存在します。このため、多数の結晶を持つ多結晶サンプルの回折パターンを使用する粉末回折法は、構造決定において重要な役割を果たします。ほとんどの材料は結晶構造を持っていますが、重要な材料の中には規則的な結晶構造を示さないものもあります。 ^{[ 17 ]}ポリマーはさまざまな程度の結晶性を示し、多くは完全に非結晶性です。ガラス、一部のセラミック、および多くの天然材料は非晶質であり、原子配列に長距離秩序を持っていません。ポリマーの研究は、化学熱力学と統計熱力学の要素を組み合わせて、物理的特性の熱力学的および力学的記述を与えます。

ナノ構造

原子や分子がナノスケールで構成要素を形成する（すなわち、ナノ構造を形成する）材料は、ナノ材料と呼ばれます。ナノ材料は、その特異な特性から、材料科学分野において集中的な研究対象となっています。

ナノ構造は、1～100 nm の範囲の物体や構造を扱います 。^{[ 18 ]} 多くの材料では、原子や分子が凝集してナノスケールの物体を形成します。これにより、多くの興味深い電気的、磁気的、光学的、機械的特性が生じます。

ナノ構造を記述する際には、ナノスケールにおける次元の数を区別する必要がある。

ナノ構造表面は、ナノスケールの一次元のみを有しており、すなわち、物体の表面の厚さのみが0.1～100nmの範囲にある 。

ナノチューブはナノスケールにおいて2つの寸法を持ち、すなわち、チューブの直径は0.1～100 ナノメートルであり、その長さはそれよりもはるかに長くなる可能性がある。

最後に、球状ナノ粒子はナノスケールで3つの次元を持ち、つまり、 各空間次元で0.1～100 nmの範囲にあります。ナノ粒子と超微粒子（UFP）という用語は、UFPがマイクロメートル範囲に達することもあるにもかかわらず、しばしば同義語として使用されます。磁気技術について言及する場合、「ナノ構造」という用語がよく使用されます。生物学におけるナノスケール構造は、しばしば超構造と呼ばれます。

微細構造

微細構造とは、25倍以上の倍率の顕微鏡で観察した、材料の表面または薄膜の構造のことです。これは、100  nm から数 cm の範囲の物体を扱います。材料の微細構造（金属、ポリマー、セラミック、複合材料に大別できます）は、強度、靭性、延性、硬度、耐食性、高温/低温挙動、耐摩耗性などの物理的特性に大きく影響します。^{[ 19 ] [ 20 ]}従来の材料（金属やセラミックなど）のほとんどは微細構造を持っています。^{[ 21 ]}

材料の完全な結晶を製造することは物理的に不可能です。たとえば、結晶性材料には、析出物、粒界（ホール・ペッチの関係）、空孔、格子間原子、置換原子などの欠陥が含まれます。^{[ 22 ]}材料の微細構造はこれらのより大きな欠陥を明らかにし、シミュレーションの進歩により、欠陥を使用して材料特性を向上させる方法についての理解が深まりました。

物質は、以下のような無数の特性を示す。

• 機械的特性については、材料の強度を参照してください。
• 化学的性質については、化学の項を参照してください。
• 電気的性質については、電気を参照してください。
• 熱特性については、熱力学を参照してください。
• 光学特性については、「光学とフォトニクス」を参照のこと。
• 磁気特性については、「磁気」の項を参照してください。

材料の特性によって、その使いやすさ、ひいてはその工学的応用が決まる。

合成と加工は、目的の微細構造を持つ材料の作成を伴う。経済的に実行可能な製造方法が開発されていない限り、材料は産業で使用できない。したがって、材料科学の分野では、合理的に効果的で費用対効果の高い材料加工方法の開発が不可欠である。異なる材料には、異なる加工または合成方法が必要となる。たとえば、金属の加工は、青銅器時代や鉄器時代などの時代を歴史的に定義づけており、物理冶金学と呼ばれる材料科学の分野で研究されている。化学的および物理的方法は、ポリマー、セラミックス、半導体、薄膜などの他の材料の合成にも使用される。21世紀初頭現在、グラフェンなどのナノ材料を合成するための新しい方法が開発されている。^{[ 23 ]}

熱力学は、熱と温度、そしてそれらとエネルギーや仕事との関係を扱います。熱力学は、内部エネルギー、エントロピー、圧力など、物質や放射線の物体を部分的に記述する巨視的な変数を定義します。そして、これらの変数の挙動は、すべての物質に共通する一般的な制約に従うと述べています。これらの一般的な制約は、熱力学の4つの法則で表現されます。熱力学は、物体の全体的な挙動を記述するものであり、分子などの非常に多くの微視的な構成要素の微視的な挙動を記述するものではありません。これらの微視的な粒子の挙動は統計力学によって記述され、熱力学の法則は統計力学から導き出されます。

熱力学の研究は材料科学の基礎となる。化学反応、磁性、分極率、弾性など、材料科学および工学における一般的な現象を扱うための基礎を形成する。^{[ 24 ]}相図などの基本的なツールや相平衡などの概念を説明する。

化学反応速度論は、さまざまな力の影響下で非平衡状態にあるシステムが変化する速度を研究する学問です。材料科学に応用すると、特定の場の適用によって材料が時間とともにどのように変化するか（非平衡状態から平衡状態へ移行するか）を扱います。形状、サイズ、組成、構造など、材料内で発生するさまざまなプロセスの速度を詳細に説明します。拡散は、材料が変化する最も一般的なメカニズムであるため、反応速度論の研究において重要です。^{[ 25 ]}反応速度論は、とりわけ、熱の適用によって微細構造がどのように変化するかを詳細に説明するため、材料の加工において不可欠です。

ナノ材料とは、原則として、単一単位のサイズが（少なくとも1つの次元で）1～1000ナノメートル（10⁻⁹メートル）である材料を指します^が、通常は1  ～100 ナノメートルです。ナノ材料の研究は、材料科学に基づいたナノテクノロジーへのアプローチを採用しており、微細加工研究を支援するために開発された材料計測と合成の進歩を活用しています。ナノスケールの構造を持つ材料は、しばしば独自の光学的、電子的、または機械的特性を有します。ナノ材料の分野は、従来の化学分野と同様に、フラーレンなどの有機（炭素ベース）ナノ材料と、シリコンなどの他の元素に基づく無機ナノ材料に大まかに分類されます。ナノ材料の例としては、フラーレン、カーボンナノチューブ、ナノ結晶などがあります。

生体材料とは、生物システムと相互作用するあらゆる物質、表面、または構造物である。^{[ 28 ]}生体材料科学は、医学、生物学、化学、組織工学、材料科学の要素を包含する。

生体材料は、天然由来のものもあれば、金属成分、ポリマー、バイオセラミックス、複合材料など、さまざまな化学的手法を用いて実験室で合成されるものもあります。生体材料は、多くの場合、生体機能を実行、増強、または代替する生体医療機器などの医療用途向けに設計または応用されています。こうした機能は、心臓弁のように無害なものもあれば、ヒドロキシアパタイトコーティングされた股関節インプラントのように、より相互作用的な機能を持つ生物活性なものもあります。生体材料は、歯科治療、外科手術、薬剤送達などにも日常的に使用されています。例えば、薬剤を含浸させた構造体を体内に挿入することで、薬剤を長期間にわたって徐放することが可能になります。生体材料は、臓器移植材料として使用される自家移植、同種移植、異種移植にも用いられます。

半導体、金属、セラミックスは、集積回路、光電子デバイス、磁気および光大容量記憶媒体など、非常に複雑なシステムを構築するために今日使用されている。

半導体は、こうした材料の代表的な例です。半導体は、導体と絶縁体の中間的な性質を持つ材料です。その電気伝導率は不純物濃度に非常に敏感であるため、ドーピングによって望ましい電子特性を実現できます。したがって、半導体は従来のコンピュータの基盤となっています。

この分野には、超伝導材料、スピントロニクス、メタマテリアルなどの新しい研究領域も含まれます。これらの材料の研究には、材料科学、固体物理学、または凝縮系物理学の知識が必要です。

計算能力の向上に伴い、材料の挙動をシミュレーションすることが可能になった。これにより、材料科学者は挙動やメカニズムを理解し、新しい材料を設計し、これまで十分に理解されていなかった特性を説明できるようになった。統合計算材料工学に関する取り組みは現在、計算手法と実験を組み合わせることで、特定の用途向けに材料特性を最適化するのにかかる時間と労力を大幅に削減することに焦点を当てている。これには、密度汎関数理論、分子動力学、モンテカルロ法、転位ダイナミクス、相場、有限要素法など、さまざまな手法を用いて、あらゆる長さスケールで材料をシミュレーションすることが含まれる。^{[ 31 ]}

材料科学のもう一つの応用例は、工業的に重要な材料の中でも特に脆いセラミックスやガラスの研究です。多くのセラミックスやガラスは、基本構成要素である_SiO₂（シリカ）との共有結合またはイオン共有結合を示します。セラミックスは、焼成されていない生の粘土とは異なり、通常は結晶構造をしています。市販のガラスの大部分は、シリカと融合した金属酸化物を含んでいます。ガラスの製造に使用される高温では、材料は粘性のある液体ですが、冷却すると不規則な状態に固化します。窓ガラスや眼鏡は重要な例です。ガラス繊維は、長距離通信や光伝送にも使用されます。耐傷性に優れたコーニングゴリラガラスは、材料科学を応用して一般的な部品の特性を劇的に向上させた有名な例です。

エンジニアリングセラミックスは、高温、圧縮、電気的応力下における剛性と安定性で知られています。アルミナ、炭化ケイ素、炭化タングステンは、構成元素の微粉末をバインダーで焼結するプロセスによって製造されます。ホットプレス法を用いると、より高密度の材料が得られます。化学気相成長法（CVD）を用いると、セラミックスの薄膜を他の材料上に形成できます。サーメットは、金属を含むセラミック粒子です。工具の耐摩耗性は、通常、特性を改質するためにコバルトやニッケルなどの金属相が添加された超硬合金によって実現されます。

セラミックスは、亀裂偏向の原理を用いることで、工学用途向けに大幅に強化することができる。^{[ 33 ]}このプロセスでは、セラミックマトリックス内に第二相粒子を戦略的に添加し、その形状、サイズ、分布を最適化して亀裂の伝播を誘導および制御する。このアプローチにより破壊靭性が向上し、さまざまな産業における高度な高性能セラミックスの開発への道が開かれる。^{[ 34 ]}

材料科学の産業におけるもう一つの応用例は、複合材料の製造である。これらは、2つ以上の巨視的な相から構成される構造材料である。

用途は、鉄筋コンクリートなどの構造要素から、NASAのスペースシャトルの熱保護システムで重要な役割を果たす断熱タイルまで多岐にわたります。このシステムは、地球の大気圏への再突入時の熱からシャトルの表面を保護するために使用されます。 1つの例として、再突入時の最高温度1,510 °C (2,750 °F)に耐え、スペースシャトルの翼の前縁とノーズキャップを保護する薄灰色の材料である強化カーボンカーボン (RCC) があります。[ 35 ^{] RCCは}、グラファイトレーヨン布から作られ、フェノール樹脂を含浸させた積層複合材料です。オートクレーブで高温で硬化させた後、積層体を熱分解して樹脂を炭素に変換し、真空チャンバーでフルフリルアルコールを含浸させ、硬化熱分解してフルフリルアルコールを炭素に変換します。再利用性を高めるために酸化耐性を持たせるため、RCCの外層は炭化ケイ素に変換される。  

その他の例としては、テレビや携帯電話などの「プラスチック」製の筐体が挙げられます。これらのプラスチック筐体は通常、アクリロニトリルブタジエンスチレン（ABS）などの熱可塑性マトリックスを主成分とする複合材料で、強度、嵩高性、または静電分散性を高めるために、炭酸カルシウム、タルク、ガラス繊維、または炭素繊維が添加されています。これらの添加物は、その用途に応じて、強化繊維または分散剤と呼ばれます。

ポリマーは、多数の同一の成分が鎖のように結合した化学化合物です。^{[ 36 ]}ポリマーは、一般にプラスチックやゴムと呼ばれるものを作るのに使用される原材料（樹脂）です。プラスチックやゴムは、加工中に樹脂に1つ以上のポリマーまたは添加剤が加えられ、最終的な形状に成形された後に作られる最終製品です。以前および現在広く使用されているプラ​​スチックには、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリ塩化ビニル（PVC）、ポリスチレン、ナイロン、ポリエステル、アクリル、ポリウレタン、ポリカーボネートなどがあります。ゴムには、天然ゴム、スチレンブタジエンゴム、クロロプレン、ブタジエンゴムなどがあります。プラスチックは一般的に、汎用プラスチック、特殊プラスチック、エンジニアリングプラスチックに分類されます。

ポリ塩化ビニル（PVC）は広く使用されており、安価で、年間生産量も多い。人工皮革から電気絶縁材やケーブル、包装材、容器まで、幅広い用途に適している。製造および加工は簡単で確立されている。PVCの汎用性は、受け入れる可塑剤やその他の添加剤の種類の多さによるものである。 ^{[ 37 ]}ポリマー科学における「添加剤」という用語は、ポリマーベースに添加してその材料特性を改変する化学物質や化合物を指す。

ポリカーボネートは通常、エンジニアリングプラスチックに分類されます（他の例としては、PEEKやABSなどがあります）。これらのプラスチックは、優れた強度やその他の特殊な物性により高く評価されています。汎用プラスチックとは異なり、使い捨て用途には通常使用されません。

特殊プラスチックとは、超高強度、導電性、蛍光発光性、高い耐熱性など、独自の特性を持つ材料のことです。

様々な種類のプラスチックを区別する基準は、素材ではなく、その特性や用途です。例えば、ポリエチレン（PE）は安価で摩擦の少ないポリマーで、買い物袋やゴミ袋などの使い捨て袋の製造によく使われ、汎用プラスチックとみなされています。一方、中密度ポリエチレン（MDPE）は地下のガス管や水道管に使用され、超高分子量ポリエチレン（UHMWPE）と呼ばれる別の種類は、工業用機器のグライドレールや人工股関節の低摩擦ソケットとして広く使用されているエンジニアリングプラスチックです。

鉄の合金（鋼、ステンレス鋼、鋳鉄、工具鋼、合金鋼）は、量と商業的価値の両面において、今日では金属の中で最も大きな割合を占めている。

鉄にさまざまな割合の炭素を合金化することで、低炭素鋼、中炭素鋼、高炭素鋼が得られます。鉄-炭素合金は、炭素含有量が重量比で0.01%から2.00%の間の場合にのみ鋼とみなされます。鋼の場合、鋼の硬度と引張強度は存在する炭素の量に関係しており、炭素含有量が増加すると延性と靭性も低下します。ただし、焼入れや焼き戻しなどの熱処理プロセスによって、これらの特性が大きく変化する可能性があります。対照的に、特定の金属合金は、さまざまな温度範囲でサイズと密度が変化しないという独自の特性を示します。^{[ 38 ]}鋳鉄は、炭素含有量が2.00%以上6.67%未満の鉄-炭素合金と定義されます。ステンレス鋼は、クロムの合金含有量が重量比で10%を超える通常の鋼合金と定義されます。ニッケルとモリブデンも通常ステンレス鋼に添加されます。

その他の重要な金属合金としては、アルミニウム、チタン、銅、マグネシウムの合金がある。銅合金は長い間（青銅器時代から）知られていたが、他の3つの金属の合金は比較的最近開発された。これらの金属の化学反応性のため、必要な電解抽出プロセスは比較的最近になって開発された。アルミニウム、チタン、マグネシウムの合金は、強度対重量比が高いことでも知られており、マグネシウムの場合は電磁シールドを提供する能力も高く評価されている。^{[ 39 ]}これらの材料は、航空宇宙産業や特定の自動車工学用途など、バルクコストよりも強度対重量比が高いことが重要な状況に最適である。

半導体は、導体と絶縁体の中間の抵抗率を持つ材料です。現代の電子機器は半導体で動作しており、2021年の半導体産業の市場規模は推定5300億米ドルでした。^{[ 40 ]}ドーピングと呼ばれるプロセスで意図的に不純物を導入することで、その電子特性を大きく変化させることができます。半導体材料は、ダイオード、トランジスタ、発光ダイオード（LED）、アナログおよびデジタル電気回路など、多くの用途に使用されています。半導体デバイスは、ほとんどの用途で真空管などの熱電子デバイスに取って代わりました。半導体デバイスは、単一の個別デバイスとしても、集積回路（IC）としても製造されます。ICは、単一の半導体基板上に製造され相互接続された、数個から数百万個のデバイスで構成されています。^{[ 41 ]}

現在使用されている半導体の中で、シリコンは量と商業的価値の両面で最大の割合を占めています。単結晶シリコンは、半導体および電子機器産業で使用されるウェハーの製造に用いられます。ガリウムヒ素（GaAs）は、2番目に多く使用されている半導体です。シリコンに比べて電子移動度と飽和速度が高いため、高速電子機器用途に最適な材料となっています。これらの優れた特性は、携帯電話、衛星通信、マイクロ波ポイントツーポイントリンク、高周波レーダーシステムなどにGaAs回路を使用する大きな理由となっています。その他の半導体材料には、ゲルマニウム、炭化ケイ素、窒化ガリウムなどがあり、それぞれ様々な用途があります。

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