3Dプリントのチタン格子が水に浮き、壊れても沈まなかった

この記事には広告（Amazon アソシエイトのリンク）を含みます。

チタン合金は水に沈みます。航空機の部品や人工関節に使われる代表的な合金「Ti-6Al-4V」の密度は1立方センチメートルあたり約4.43グラムで、水の4倍以上あります。ところがオーストラリアのRMIT大学のチームが、この合金で作った立方体を水に浮かべてみせました。密閉した箱ではありません。水がそのまま通り抜ける、すき間だらけの格子です。研究は材料科学の専門誌「Advanced Materials」に掲載されました。

下の画像は研究内容をもとにした想像図です。実物の写真は、記事の最後に挙げた出典のページで見られます。

海で使いたいのに沈む金属

Ti-6Al-4Vは強くて疲労にも耐え、そのうえ海水による腐食にとても強い合金です。波に何度も叩かれ、塩水に浸かり続けるブイや浮き桟橋、洋上のセンサーには向いた性質がそろっています。いまこうした設備にはステンレス鋼や高密度ポリエチレン（HDPE）という樹脂がよく使われていますが、性能だけを見ればチタンのほうが上です。

問題は重さでした。金属を浮かせる方法そのものは昔からあります。鋼鉄の船が浮くのは、中空の船体が大量の空気を抱え込んでいて、船全体として見れば水より軽いからです。ただしこの方法は、穴が開けば終わりです。水が入ったぶんだけ浮力を失い、沈みます。

格子構造が浮かない理由と「骨格密度」

金属を軽くするもうひとつの手が、3Dプリントで作る格子構造です。細い梁を立体的に組んだジャングルジムのような形にすると、少ない金属で大きな体積を支えられます。外形の体積で割った見かけの密度が、水の10分の1を切るものまであります。

それでも格子は沈みます。研究を率いたジョーダン・ノローニャ博士の説明は単純で、開いたすき間に水が入ってくるからです。見かけの密度は、すき間の空間も体積に数えています。しかし水に入れた瞬間、その空間は水で満たされ、浮力には何の貢献もしなくなります。残るのは、水の4倍重い金属の梁だけです。

そこでチームは「骨格密度」という指標を新しく定めました。水が入り込める空間は計算から外し、実際に水を締め出している部分だけで密度を出します。この値がまわりの液体より小さければ浮き、大きければ沈む。すき間をいくら水が流れていても、この規則は変わりません。

梁の中だけに泡を詰める構造

骨格密度を水より小さくするために、チームは梁そのものを中空にしました。試作したのは、一辺10ミリの立方体のセルを縦・横・高さに4個ずつ並べた、一辺40ミリほどの格子です。レーザーでチタンの粉末を一層ずつ溶かし固めていく「レーザー粉末床溶融」という方式の3Dプリンターで作られました。New Atlasの記事によると、梁は壁の厚さがわずか0.2ミリの管で、内側の通路の直径は2.5〜4ミリです。

管の内部は格子全体でひとつながりになっています。ここに発泡ポリウレタンを注入すると、泡がふくらみながら通路の隅々まで行きわたります。梁と梁のあいだの大きな空間には何も入れず、開いたままです。できあがるのは、泡の詰まった細いチタンの管で組んだ骨組みです。力を受け止めるのはチタンで、浮力を生むのは泡、という分担になっています。

どのくらい軽くなるのか、管のまっすぐな部分だけを取り出して概算してみます。内径4ミリ・壁厚0.2ミリの管では、断面に占めるチタンの割合は17%ほどです。泡の重さを無視すれば骨格密度は約0.77グラムで、水より軽くなります。内径2.5ミリの細い管だとチタンの割合が26%ほどに上がり、約1.1グラムで水を上回ります。これは私の粗い計算ですが、実験の結果もこの傾向どおりでした。

チームは複数の設計を淡水に2か月以上沈めて確かめています。泡を入れていない格子は、管の中に水が入ってすべて沈みました。泡を入れた格子は、骨格密度が試験に使った水の密度（1立方センチメートルあたり0.997グラム）を下回るものだけが浮き、上回るものは沈みました。指標の予測と実験がそのまま一致したことになります。

泡を詰めた代償は小さく、同じ形の空の格子と比べた密度の増加は5.9〜7.3%、強度や剛性の変化も同程度にとどまったと報じられています。

壊しても沈まない格子

ここでひとつ疑問が出てきます。浮かせるだけなら、泡は要りません。管の口をふさいで空気を閉じ込めれば、泡のぶんだけさらに軽くなるはずです。

泡を選んだ理由は、壊れたときの挙動にあります。チームは浮いている試料を圧縮試験機にかけて少しずつ潰し、そのつど水に戻して浮くかどうかを確かめました。格子は、耐えられる最大の力を超えたあとも浮いていました。梁の接合部が折れても浮き、ひびが広がって格子の1層がまるごと破断しても、まだ浮いていました。沈んだのは、激しく潰されて全体の体積が縮み、骨格密度が水を上回った段階になってからです。

空気を閉じ込めただけの管では、こうはいきません。管は格子全体でつながっているので、ひびが1本入ればそこから全体に水が回ります。穴の開いた船と同じです。発泡ポリウレタンの泡は、顕微鏡で見ると10〜200マイクロメートル（1マイクロメートルは1ミリの千分の1）ほどの気泡の集まりで、その大半が「独立気泡」、つまり1個ずつ壁で閉じた小部屋になっています。梁が割れても、水に触れるのは割れ目に面した気泡だけで、その奥の気泡は閉じたままガスを抱え続けます。ノローニャ博士はこれを、構造全体に分散した防壁と表現しています。

浮くチタンという見出しの裏で、この研究がいちばん力を入れて示したのは、傷を負っても浮力を失わないという性質のほうでした。

海水試験とブイの試作、残された課題

海での使用を想定した試験も行われています。メルボルンのポートフィリップ湾でくんだ天然の海水に2週間浸けたところ、格子は浮いたままで、質量の減少は0.15%、強度の低下は1%未満でした。RMIT大学の発表によれば、同じ密度にそろえて比べた場合、この格子は316Lステンレス鋼やHDPEより約70%強いとのことです。

チームは高さ100ミリ、幅85ミリの小さなブイも3Dプリントで試作しました。海水を乱流にした水槽のなかで最大45度まで繰り返し傾けられても、浮いた状態を保っています。密閉した外殻も、防食のコーティングも、別に取りつけた浮力材もありません。

とはいえ、現時点で示されたのは手のひらに載る大きさの試料と、2週間の海水試験です。何年も海に置かれたときの耐久性や、大きな構造物にしたときの性能はまだ確かめられていません。プロジェクトを統括するマー・チエン特別教授も、次の段階として試作品の大型化と、実際の海洋・深海に近い条件での長期試験を挙げています。

教授はもうひとつ、この中空の骨組みは中身を入れ替えられるという点を強調しています。ポリウレタンの代わりに別の材料を詰めれば、同じ構造を衝撃の吸収や熱の管理、振動の抑制に向けて作り変えられるという見立てです。RMIT大学は、浮く金属ハイブリッド格子の実証が報告されたのはこれが初めてだとしています。研究はフランス国立工芸院（CNAM）との共同で行われました。