材料科学
走査型電子顕微鏡で撮影した、 7つの結晶面を示すダイヤモンド立方八面体
従来のエンジニアリング材料の 6 つのクラス。
従来のエンジニアリング材料の6つのクラス

材料科学は、材料の研究と発見を行う学際的な分野です。材料工学は、他の分野や産業における材料の用途を見つける 工学分野です。

材料科学の知的起源は啓蒙時代に遡ります。研究者たちは化学、物理学、工学の分析的思考を用いて、冶金学や鉱物学における古代の現象論的観察を理解し始めました。[ 1 ] [ 2 ]材料科学は現在でも物理学、化学、工学の要素を包含しています。そのため、この分野は学術機関によって長らくこれらの関連分野のサブフィールドとみなされてきました。1940年代以降、材料科学は科学と工学の特定の独立した分野としてより広く認識されるようになり、世界中の主要な工科大学が材料科学を専門とする学部を設立しました。

材料科学者は、材料の履歴（加工）がその構造、ひいては材料の特性や性能にどのような影響を与えるかを理解することを重視しています。加工・構造・特性の関係を理解することは、材料パラダイムと呼ばれます。このパラダイムは、ナノテクノロジー、生体材料、冶金学など、様々な研究分野における理解を深めるために用いられています。

材料科学は、法医学工学や故障解析においても重要な役割を 担っています。つまり、故障したり、意図したとおりに機能しなかったりして、人身傷害や財産損害を引き起こした材料、製品、構造物、部品の調査です。こうした調査は、例えば様々な航空事故やインシデントの原因を解明する鍵となります。

歴史

後期青銅器時代の剣または短剣の刃

ある時代の材料の選択は、しばしば決定的なポイントとなる。石器時代、青銅器時代、鉄器時代、鉄器時代などの時代は、恣意的ではあっても歴史的な例である。もともと陶磁器の製造と、その派生語である冶金学から派生した材料科学は、最古の形式の工学および応用科学の 1 つである。[ 3 ]現代の材料科学は冶金学から直接発展したもので、冶金学自体は火の使用から発展した。材料の理解における大きな進歩は、19 世紀後半にアメリカの科学者ジョサイア・ウィラード・ギブスが、様々な相の原子構造に関連する熱力学的特性が材料の物理的特性に関係することを実証したときに起こった。 [ 4 ]現代の材料科学の重要な要素は、宇宙開発競争、すなわち宇宙探査を可能にする宇宙船の建造に使用される金属合金、シリカ、炭素材料の理解と工学の産物であった。材料科学は、ゴム、プラスチック、半導体、生体材料などの革命的な技術の開発を牽引してきたし、また牽引されてきた。

1960年代以前（場合によっては数十年後も）、多くの材料科学部門は冶金学またはセラミックス工学部門であり、19世紀から20世紀初頭にかけて金属とセラミックスが重視されていたことを反映していました。アメリカ合衆国における材料科学の発展は、1960年代初頭に「材料科学における基礎研究と研修の国家プログラムを拡大する」ために大学が主催する一連の研究所に資金を提供した高等研究計画局（APA）によって部分的に促進されました。 [ 5 ]機械工学と比較して、初期の材料科学分野は、マクロレベルから材料を扱うことと、ミクロレベルの挙動に関する知識に基づいて材料を設計するというアプローチに重点を置いていました。[ 6 ]原子と分子のプロセス間の関連性や材料の全体的な特性に関する知識が拡大したため、材料の設計は特定の望ましい特性に基づいて行われるようになりました。[ 6 ]材料科学分野はその後拡大し、セラミックス、ポリマー、半導体、磁性材料、生体材料、ナノ材料など、あらゆるクラスの材料を包含するようになりました。これらの材料は一般的に、セラミックス、金属、ポリマーの3つのグループに分類されます。ここ数十年における材料科学における顕著な変化は、新材料の発見、特性の予測、現象の理解のためにコンピュータシミュレーションが積極的に活用されていることです。

基礎

四面体の形で表される材料パラダイム

材料とは、特定の用途に使用されることを意図した物質（ほとんどの場合は固体ですが、他の凝縮相も含まれる場合があります）と定義されます。[ 7 ] 私たちの周りには無数の材料があり、あらゆるものに見られます。[ 8 ]開発中の新しい先進材料には、ナノ材料、生体材料、[ 9 ]エネルギー材料などがあります。[ 10 ]

材料科学の基礎は、材料の構造、その材料を製造するための加工方法、そして結果として生じる材料特性の相互作用を研究することです。これらの複雑な組み合わせが、特定の用途における材料の性能を生み出します。構成化学元素、微細構造、そして加工処理によるマクロ的な特徴など、様々な長さスケールにわたる多くの特徴が材料の性能に影響を与えます。材料科学者は、熱力学と運動学の法則と併せて、材料を理解し、改良することを目指しています。

構造

構造は材料科学分野における最も重要な構成要素の一つです。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」の研究に関わるとしています。[ 11 ]材料科学は、原子スケールからマクロスケールに至るまで、材料の構造を研究します。[ 3 ]特性評価とは、材料科学者が材料の構造を研究する方法です。これには、X線、電子、中性子による回折、ラマン分光法、エネルギー分散分光法、クロマトグラフィー、熱分析、電子顕微鏡分析などの様々な分光法や化学分析法が含まれます。

構造は以下のレベルで研究されます。

原子構造

原子構造は、物質を構成する原子と、それらがどのように配列して分子や結晶などを形成するかを扱います。物質の電気的、磁気的、化学的特性の多くは、この構造レベルに起因します。長さのスケールはオングストローム（Å）です。化学結合と原子配列（結晶構造学）は、あらゆる物質の特性と挙動を研究する上で基本的な概念です。

ボンディング

物質の構造とその特性との関連を完全に理解するために、材料科学者は、様々な原子、イオン、分子がどのように配列し、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、量子化学または量子物理学の研究と応用が含まれます。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
化学式ABX 3のペロブスカイトの結晶構造[ 12 ]

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便利なツールです。材料の結晶構造に関する基本的概念の 1 つに、単位格子が含まれます。単位格子は、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方格子があります。[ 13 ]単結晶では、結晶の自然な形が原子構造を反映しているため、原子の結晶配列の影響をマクロ的に簡単に見ることができます。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。結晶構造を理解することは、結晶学的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、スクリュー、空孔、自己格子間原子などの転位や、線状、平面、3 次元の欠陥などがあります。[ 14 ]開発中の新素材や先端素材には、ナノマテリアルやバイオマテリアルなどがある。[ 15 ]ほとんどの場合、材料は単結晶としてではなく、多結晶、つまり異なる配向を持つ小さな結晶や粒子の集合体として存在する。このため、多数の結晶を含む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ている。ほとんどの材料は結晶構造を持っているが、いくつかの重要な材料は規則的な結晶構造を示さない。 [ 16 ]ポリマーは様々な程度の結晶化度を示し、多くは完全に非結晶である。ガラス、一部のセラミックス、および多くの天然素材は非晶質であり、原子配列に長距離秩序を持たない。ポリマーの研究では、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機械的説明を行っている。

ナノ構造

バックミンスターフラーレンナノ構造

原子や分子がナノスケールの構成要素（つまりナノ構造）を形成する材料は、ナノマテリアルと呼ばれます。ナノマテリアルは、その独特な特性から、材料科学分野で精力的に研究されています。

ナノ構造は、1～100 nmの範囲にある物体や構造を扱います。[ 17 ] 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、ナノスケール上の次元の数を区別する必要があります。

ナノテクスチャ表面はナノスケールの1 つの次元を持ちます。つまり、物体の表面の厚さのみが 0.1 ～ 100 nm です。

ナノチューブはナノスケールで2 つの次元を持ちます。つまり、チューブの直径は 0.1 ～ 100 nm ですが、長さはこれよりはるかに長くなる可能性があります。

最後に、球状ナノ粒子はナノスケールの三次元構造を有し、各空間次元において粒子の大きさは0.1～100nmです。ナノ粒子と超微粒子（UFP）という用語はしばしば同義語として用いられますが、UFPはマイクロメートル単位に達することもあります。「ナノ構造」という用語は、磁気技術を指す際によく用いられます。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

パーライトの微細構造

微細構造とは、25倍以上の倍率の顕微鏡で観察される、材料の表面または薄い箔の構造と定義されます。100nmから数cmの大きさの物体を対象とします。材料の微細構造（金属、ポリマー、セラミック、複合材料に大別されます）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な影響を与えます。[ 18 ] [ 19 ]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有しています。[ 20 ]

物質の完全な結晶を製造することは物理的に不可能です。例えば、あらゆる結晶性物質には、析出物、粒界（ホール・ペッチ関係）、空孔、格子間原子、置換原子などの欠陥が含まれます。[ 21 ]物質の微細構造はこれらの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、欠陥をどのように利用して材料特性を向上させるかについての理解が深まりました。

マクロ構造

マクロ構造とは、ミリメートルからメートルのスケールにおける物質の外観であり、肉眼で見える物質の構造です。

プロパティ

材料は、以下を含むさまざまな特性を示します。

材料の特性によってその有用性が決まり、その結果としてエンジニアリングへの応用も決まります。

処理

合成と加工は、望ましいマイクロナノ構造を持つ材料を作り出すことを伴う。経済的に実現可能な生産方法が開発されていない限り、その材料を産業界で利用することはできない。したがって、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は、材料科学の分野にとって極めて重要である。異なる材料には異なる加工または合成方法が必要である。例えば、金属の加工は歴史的に青銅器時代や鉄器時代といった時代を定義しており、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用いられる。21世紀初頭の時点では、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。[ 22 ]

熱力学

共晶点を示す二元系の状態図

熱力学は、熱と温度、そしてそれらのエネルギーと仕事との関係を扱っています。熱力学は、内部エネルギー、エントロピー、圧力など、物質や放射線の集合を部分的に記述するマクロな変数を定義します。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、分子など、物体を構成する非常に多数の微視的な構成要素の微視的な挙動ではなく、物体のバルクな挙動を記述します。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であり、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します。[ 23 ]熱力学は、状態図などの基本的なツールや相平衡などの概念を説明します。

運動学

化学反応速度論は、平衡状態から外れた系が様々な力の影響下でどのように変化するかを研究する学問です。材料科学に応用される場合、化学反応速度論は、特定の場の印加によって物質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に移行するか）を扱います。形状、サイズ、組成、構造など、物質内で発生する様々なプロセスの速度を詳細に記述します。拡散は、物質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。[ 24 ]反応速度論は、とりわけ、熱の印加によって微細構造がどのように変化するかを詳細に記述するため、材料処理において不可欠です。

研究

材料科学は非常に活発な研究分野です。材料科学系の学部に加え、物理学、化学、そして多くの工学系の学部が材料研究に携わっています。材料研究は幅広い分野を網羅しており、以下に重要な研究分野をいくつか挙げますが、これらはすべてを網羅したものではありません。

ナノ材料

カーボンナノチューブ束の走査型電子顕微鏡画像

ナノマテリアルは、原則として、単一ユニットのサイズが（少なくとも一次元で）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 nm～100 nmです。ナノマテリアル研究では、微細加工研究を支援するために開発された材料計測学や合成の進歩を活用し、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います。ナノスケールの構造を持つ材料は、多くの場合、独自の光学的、電子的、または機械的特性を持っています。ナノマテリアルの分野は、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）ナノマテリアルと、シリコンなどの他の元素をベースにした無機ナノマテリアルに大まかに分類されています。ナノマテリアルの例には、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

オウムガイの殻の中の虹色の真珠層

生体材料とは、生物系と相互作用する物質、表面、または構造のことです。[ 25 ]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しています。

生体材料は、自然界から採取することも、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研究室で合成することもできます。生体材料は多くの場合、自然の機能を実行、増強、または置き換える生物医学的デバイスなどの医療用途を意図または適応させています。このような機能は、心臓弁に使用されるように良性である場合もあれば、ハイドロキシアパタイトで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である場合もあります。生体材料は、歯科用途、手術、薬物送達にも毎日使用されています。たとえば、医薬品を含浸させた構造物を体内に配置することで、長期間にわたって薬物を持続的に放出することができます。生体材料は、臓器移植材料 として使用される自家移植片、同種移植片、または異種移植片である場合もあります。

電子、光学、磁気

負の屈折率メタマテリアル[ 26 ] [ 27 ]

半導体、金属、セラミックスは、今日、集積回路、光電子デバイス、磁気・光大容量記憶媒体といった高度に複雑なシステムの構築に利用されています。これらの材料は現代のコンピューティング社会の基盤を形成しており、その研究は極めて重要です。

半導体は、この種の材料の伝統的な例です。半導体は導体と絶縁体の中間的な特性を持つ材料です。その電気伝導性は不純物濃度に非常に敏感であり、ドーピングによって望ましい電子特性を得ることができます。そのため、半導体は従来のコンピュータの基盤を形成しています。

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、材料科学と固体物理学または凝縮物質物理学の知識が必要です。

計算材料科学

計算能力の継続的な向上により、材料の挙動をシミュレーションすることが可能になりました。これにより、材料科学者は挙動と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りました。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、特定の用途における材料特性の最適化にかかる時間と労力を大幅に削減することに重点を置いています。これには、密度汎関数法、分子動力学、モンテカルロ法、転位動力学、位相場法、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ます。[ 28 ]

業界

セラミック (ガラス)、金属 (アルミニウム)、ポリマー (プラスチック) の 3 種類の材料でできた飲料容器。

材料の根本的な進歩は、新製品や新産業の創出を促進する可能性がありますが、安定した産業においても、材料科学者は漸進的な改良や現在使用されている材料の問題解決に携わっています。材料科学の産業応用には、材料設計、材料の工業生産における費用対効果のトレードオフ、加工方法（鋳造、圧延、溶接、イオン注入、結晶成長、薄膜堆積、焼結、ガラス吹きなど）、分析方法（電子顕微鏡法、X線回折、熱量測定、原子核顕微鏡法（HEFIB）、ラザフォード後方散乱、中性子回折、小角X線散乱（SAXS）などの特性評価方法など）が含まれます。

材料科学者やエンジニアは、材料の特性評価に加え、材料の抽出と有用な形態への変換にも携わります。そのため、インゴット鋳造、鋳造法、高炉抽出、電解抽出などは、材料エンジニアに必須の知識です。バルク材料に含まれる微量の二次元素や化合物の有無や変動は、製造される材料の最終的な特性に大きな影響を与えることがよくあります。例えば、鋼は、含まれる炭素やその他の合金元素の重量パーセント比が1/10と1/100に基づいて分類されます。したがって、高炉で鉄を抽出するために使用される抽出および精製方法は、製造される鋼の品質に影響を与える可能性があります。

固体材料は一般的に、セラミックス、金属、ポリマーの3つの基本的な分類に分けられます。この大まかな分類は、固体材料の実験的構成と原子構造に基づいており、ほとんどの固体はこれらの大まかな分類のいずれかに分類されます。[ 29 ]これらの材料からよく作られる物品の一つに、飲料容器があります。飲料容器に使用される材料の種類は、使用される材料によってそれぞれ異なる利点と欠点があります。セラミック（ガラス）容器は光学的に透明で、二酸化炭素を透過せず、比較的安価で、リサイクルも容易ですが、重く、割れやすいという欠点があります。金属（アルミニウム合金）は比較的強度が高く、二酸化炭素の拡散に対する優れたバリア性があり、リサイクルも容易です。しかし、缶は不透明で、製造コストが高く、へこみや穴が開きやすいという欠点があります。ポリマー（ポリエチレンプラスチック）は比較的強度が高く、光学的に透明で、安価で軽量で、リサイクルも可能ですが、アルミニウムやガラスほど二酸化炭素を透過しません。

陶磁器とガラス

Si 3 N 4セラミックベアリング部品

材料科学のもう一つの応用は、産業上重要な最も脆い材料であるセラミックスとガラスの研究です。多くのセラミックスとガラスは、 SiO2 (シリカ) を基本構成要素として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 (生の、焼成されていない粘土と混同しないでください) は通常、結晶の形で見られます。市販のガラスの大部分には、シリカが融合した金属酸化物が含まれています。ガラスを製造するために使用される高温では、この材料は粘性液体であり、冷却すると無秩序な状態に固まります。窓ガラスと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。傷に強い Corning Gorilla Glass は、一般的なコンポーネントの特性を大幅に改善するために材料科学を応用したよく知られた例です。

エンジニアリングセラミックスは、高温、圧縮、電気的ストレス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、バインダーを用いて焼結することで、それぞれの成分の微粉末から作られます。ホットプレスは、より高密度の材料を提供します。化学蒸着法は、セラミックの膜を別の材料の上に形成します。サーメットは、いくつかの金属を含むセラミック粒子です。工具の耐摩耗性は、特性を改善するために通常添加されるコバルトやニッケルなどの金属相を含む超硬合金に由来します。

セラミックスは、ひび割れ偏向の原理を利用することで、工学用途において大幅に強化することができます。[ 30 ]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、分布を最適化することで、ひび割れの伝播を誘導・制御します。このアプローチは破壊靭性を向上させ、様々な産業における先進的で高性能なセラミックスの開発への道を開きます。[ 31 ]

複合材料

直径6μmの炭素繊維（左下から右上に伸びている）が、はるかに太い人間の髪の毛の上に置かれている。

産業における材料科学のもう一つの応用は、複合材料の製造です。複合材料は、2つ以上のマクロ相から構成される構造化された材料です。

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熱防護システムで重要かつ不可欠な役割を果たす断熱タイルにまで及びます。このシステムは、シャトルの表面を大気圏への再突入時の熱から保護するために使用されます。 1つの例は、強化炭素炭素（RCC）です。これは、明るい灰色の材料で、1,510 °C（2,750 °F）までの再突入温度に耐え、スペースシャトルの主翼前縁とノーズキャップを保護します。[ 32 ] RCCは、グラファイトレーヨン布をフェノール樹脂で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、真空チャンバー内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耐酸化性を持たせるため、RCC の外層はシリコンカーバイドに変換されます。

他の例としては、テレビや携帯電話などの「プラスチック」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に、強度、嵩、静電分散性を高めるために炭酸カルシウム、チョーク、タルク、ガラス繊維、または炭素繊維が添加された複合材料です。これらの添加物は、その目的に応じて強化繊維または分散剤と呼ばれることがあります。

ポリマー

ポリマーポリプロピレンの繰り返し単位
発泡スチロールポリマー包装

ポリマーは、多数の同一成分が鎖のように結合してできた化合物である。[ 33 ]ポリマーは、一般にプラスチックやゴムと呼ばれるものの製造に使われる原料（樹脂）である。プラスチックやゴムは、加工中に1種類以上のポリマーや添加剤が樹脂に加えられ、その後、最終形状に成形されて作られる最終製品である。過去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る。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る。プラスチックは一般に、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る。

ポリ塩化ビニル（PVC）は広く使用されており、安価で、年間生産量も大きい。人工皮革から電気絶縁材やケーブル、包装材、容器に至るまで、幅広い用途に使用されている。製造と加工は簡便で、確立された技術である。PVCの汎用性は、様々な可塑剤やその他の添加剤を添加できることによる。[ 34 ]高分子科学における「添加剤」という用語は、ポリマーの材料特性を変化させるためにポリマーベースに添加され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（PEEK、ABSなど）に分類されます。これらのプラスチックは、優れた強度やその他の特殊な材料特性が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。

特殊プラスチックは、超高強度、導電性、電気蛍光性、高熱安定性などのユニークな特性を持つ材料です。

様々な種類のプラスチックの境界線は、材質ではなく、特性と用途に基づいています。例えば、ポリエチレン（PE）は安価で低摩擦のポリマーであり、買い物袋やゴミ袋の使い捨てに広く使用されており、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エンジニアリングプラスチックであり、産業機器のスライドレールやインプラント股関節の低摩擦ソケットとして広く使用されています。

金属合金

鋼合金製のワイヤーロープ

鉄の合金（鋼、ステンレス鋼、鋳鉄、工具鋼、合金鋼）は、今日、量と商業価値の両方で金属の最大の割合を占めています。

鉄に様々な割合の炭素を合金にすると、低炭素鋼、中炭素鋼、高炭素鋼ができる。炭素含有量が重量で 0.01% から 2.00% の鉄炭素合金のみが鋼とみなされる。鋼の場合、硬度と引張強度は炭素量に関係し、炭素量が増えると延性と靭性も低下する。ただし、焼き入れや焼き戻しなどの熱処理工程でこれらの特性は大幅に変わる。一方、金属合金の中には、温度範囲を超えて大きさや密度が変化しないというユニークな特性を示すものもある。[ 35 ]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る。ステンレス鋼は、クロムの合金含有量が重量で 10% を超える通常の鋼合金と定義される。ステンレス鋼にはニッケルやモリブデンも一般的に添加される。

その他の重要な金属合金には、アルミニウム、チタン、銅、マグネシウムの合金があります。銅合金は古くから（青銅器時代以来）知られていますが、他の3つの金属の合金は比較的最近開発されたものです。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ようやく開発されました。アルミニウム、チタン、マグネシウムの合金はまた、重量比強度が高いことで知られており、マグネシウムの場合は電磁シールドを提供できることでも高く評価されています。[ 36 ]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、重量比強度がバルクコストよりも重要な状況に最適です。

半導体

半導体は導体と絶縁体の間の抵抗を持つ材料です。現代の電子機器は半導体で動作しており、この業界の市場規模は2021年に5,300億米ドルと推定されています。[ 37 ]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、その電子特性を大幅に変えることができます。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。ほとんどの用途で、半導体デバイスは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、単一のディスクリートデバイスとして製造される場合と、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る集積回路（IC）として製造される場合があります。[ 38 ]

現在使用されているすべての半導体の中で、シリコンは量と商業価値の両方で最大の割合を占めています。単結晶シリコンは、半導体およびエレクトロニクス産業で使用されるウェハの製造に使用されます。ガリウムヒ素（GaAs）は、2番目によく使用される半導体です。シリコンと比較して電子移動度と飽和速度が高いため、高速エレクトロニクスアプリケーションに最適な材料です。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でGaAs回路が使用され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、さまざまな用途に使用されています。

他の分野との関係

Google Ngram Viewer - 複雑物質分野（1940～2018年）の検索語を視覚化した図。緑：「材料科学」、赤：「凝縮物質物理学」、青：「固体物理学」。

材料科学は、1950年代から進化を遂げてきました。これは、新しい材料を創造、発見、設計するには、統一的なアプローチが必要であることが認識されたためです。こうして、材料科学と工学は様々な形で発展してきました。既存の冶金学やセラミックス工学の部門の名称変更や統合、既存の固体物理学研究からの分離（固体物理学自体が凝縮系物理学へと発展）、比較的新しい高分子工学や高分子科学の取り込み、従来の分野に加え、化学、化学工学、機械工学、電気工学の再統合など、多岐にわたります。

材料科学と工学の分野は、科学的観点だけでなく、応用分野においても重要です。適切な材料の使用はシステムの設計において不可欠であるため、材料はエンジニア（あるいは他の応用分野）にとって極めて重要です。そのため、材料科学はエンジニアの教育においてますます重要な部分を占めています。

材料物理学とは、物理学を用いて物質の物理的特性を記述する学問です。化学、固体力学、固体物理学、材料科学といった物理科学の総合です。材料物理学は凝縮物質物理学のサブセットと考えられており、凝縮物質の基礎概念を、技術的に重要な材料を含む複雑な多相媒体に適用します。材料物理学者が現在取り組んでいる分野には、電子材料、光学材料、磁性材料、新材料・新構造、物質における量子現象、非平衡物理学、ソフト凝縮物質物理学などがあります。新しい実験ツールや計算ツールは、材料系のモデル化と研究方法を絶えず改善しており、材料物理学者が研究する分野でもあります。

この分野は本質的に学際的であり、材料科学者やエンジニアは物理学者、化学者、エンジニアの手法を理解し、活用する必要があります。一方、生命科学や考古学といった分野は、生物や古生物に着想を得たアプローチで、新しい材料やプロセスの開発につながる可能性があります。そのため、これらの分野との密接な関係が維持されています。一方で、多くの物理学者、化学者、エンジニアが材料科学分野で研究を行っているのは、これらの分野間の大きな重複が原因となっています。

新興技術

新興技術 状態 潜在的に疎外される技術 潜在的な用途 関連記事
エアロゲル仮説、実験、普及、

初期の用途[ 39 ]

従来の断熱材、ガラス 断熱性の向上、透明にできる場合は断熱ガラス、石油パイプライン用スリーブ、航空宇宙、高温および極寒の用途
アモルファス金属実験 ケブラー鎧
導電性ポリマー研究、実験、プロトタイプ 指揮者 より軽量で安価な電線、帯電防止材料、有機太陽電池
フェムトテクノロジー、ピコテクノロジー仮説 現在の核 新素材、核兵器、電力
フラーレン実験、普及 合成ダイヤモンドとカーボンナノチューブ（バッキーペーパー） プログラム可能な物質
グラフェン仮説、実験、普及、

初期の用途[ 40 ] [ 41 ]

シリコンベースの集積回路重量比強度の高い部品、高周波で動作するトランジスタ、モバイル機器のディスプレイ画面の低コスト化、燃料電池自動車の水素貯蔵、濾過システム、長寿命で急速充電可能なバッテリー、病気診断用センサー[ 42 ]グラフェンの潜在的な用途
高温超伝導携帯電話基地局用極低温受信機フロントエンド（CRFE）RFおよびマイクロ波フィルタシステム；ドライアイスでのプロトタイプ；高温での仮説および実験[ 43 ]銅線、半導体集積回路 損失のない導体、摩擦のないベアリング、磁気浮上、損失のない大容量蓄電池、電気自動車、発熱のない積分回路とプロセッサ
リトラコンヨーロッパゲートを作るためにすでに使われた実験ガラスヨーロッパゲートのような高層ビル、タワー、彫刻を建てる
メタマテリアル仮説、実験、普及[ 44 ]古典光学顕微鏡、カメラ、メタマテリアルクローキング、クローキング装置
金属フォーム研究、商業化 船体 宇宙コロニー、浮遊都市
多機能構造物[ 45 ]仮説、実験、いくつかのプロトタイプ、少数の商用 複合材料幅広い範囲、例：自己健康モニタリング、自己修復材料、モーフィング
ナノ材料：カーボンナノチューブ仮説、実験、普及、

初期の用途[ 46 ] [ 47 ]

構造用鋼とアルミニウムより強く、より軽い材料、宇宙エレベーターカーボンナノチューブ、炭素繊維の潜在的用途
プログラム可能な物質仮説的、実験[ 48 ] [ 49 ]コーティング、触媒幅広い分野、例：クレイトロニクス、合成生物学
量子ドット研究、実験、試作[ 50 ]液晶、LED量子ドットレーザーは、将来的にはディスプレイ技術（テレビ、プロジェクション）、光データ通信（高速データ伝送）、医療（レーザーメス）におけるプログラム可能な物質として利用される。
シリセン仮説、研究 電界効果トランジスタ

分野

材料科学の主な分野は、セラミック、金属、ポリマー、複合材料という 4 つの主要な材料クラスから生じます。

さらに、広く応用可能で、材料に依存しない取り組みもあります。

また、特定の現象や技術に関する資料全般に比較的幅広い焦点が当てられています。

専門団体

参照

参考文献

引用

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参考文献

さらに読む

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