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社会を支える材料開発～将来はシミュレーションで新金属ができる！？
材料開発の膨大なお金と時間
スマートフォン、電気自動車など、新しい機器が次々に生まれていますが、そこには「新材料」が関わっていることが少なくありません。材料開発は、実験による試行錯誤の連続であり、膨大なお金と時間がかかります。この実験による試行錯誤をコンピュータ・シミュレーションに置き換えれば、開発が簡単になります。
特に金属は、高温処理が必要だったり内部が見えなかったりと「観察」が難しいため、溶けた金属が固まるプロセスや内部構造をコンピュータでシミュレーションして可視化しようという研究が進んでいます。
複雑な現象をモデル化
溶けた金属が冷えて結晶化していくとき、条件の違いによって結晶の様相が変わり、それが金属材料の特性に違いを生みます。結晶化のプロセスを計算式でモデル化し、プログラムをつくれば、どのような条件を与えるとどういう特性が生じるかをシミュレーションできます。現段階では、最新のスーパーコンピュータを使用して、「フェーズフィールド法」というシミュレーション手法で結晶成長の可視化にも成功しています。
膨大な計算量
しかし、実用化には大きな課題があります。コンピュータの計算量が膨大なのです。金属内部で起きている現象は非常に複雑で、材料力学、流体力学、機械力学、熱力学などの法則が絡み合います。また、この現象は非常に小さいところで生じていて、例えば直径1ミリほどの金属の中で1万個もの現象が起きています。金属の特性を予測するには、そんな現象の計算を材料として使う大きさまで積み上げる必要があり、スーパーコンピュータでも不可能なほどの計算量になることがあるのです。
その問題を解決すべく、速く、効率的に計算できる、実用的なシミュレーションツールを開発する研究が進んでいます。その先には、仮想空間上でシミュレーション実験を行い、その結果を現実の実験に反映させる「デジタルツイン」を使った材料開発で、より高性能な金属が続々と誕生する未来が来るのかもしれません。
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※夢ナビ講義は各講師の見解にもとづく講義内容としてご理解ください。
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先生情報 / 大学情報
京都工芸繊維大学工芸科学部 機械工学課程 教授高木 知弘 先生
興味が湧いてきたら、この学問がオススメ！
計算力学、材料力学先生が目指すSDGs
メッセージ
機械工学というとロボットや飛行機、自動車をつくる学問というイメージがあると思いますが、本学の機械工学課程では、特に情報系に力を入れており、また材料系にも関わりがあり、幅広く学ぶことができます。高校の科目では、工学は物理と化学に分かれると思いますが、最近の開発の現場ではそうした壁がなくなってきています。実際のものづくりでは、例えば材料開発でも、力学や情報など、幅広い知識が必要ということです。物理が好きな人も化学が好きな人も情報が好きな人も、興味を持って学べると思います。
先生への質問
- 先生の学問へのきっかけは？
- 先輩たちはどんな仕事に携わっているの？
京都工芸繊維大学に関心を持ったあなたは
歴史都市京都にあって、本学は、伝統文化や伝統産業との深い結びつきを背景に、工芸学と繊維学にかかわる幅広い分野で常に先端科学の学理を探求し、「人に優しい実学」 を志向する教育研究によって、広く産業界や社会に貢献してきました。さらに、本学は、長い歴史の中で培った学問的蓄積の上に、感性を重視した人間性の涵養、自然環境との共生、芸術的創造性との協働などを特に意識した「新しい実学」を開拓し、伝統と先端が織りなす文化を創出する「感性豊かな国際的工科大学」を目指します。
