材料工学とは何を学ぶ学問？――「強い・軽い・壊れにくい」を生み出す、ものづくりの土台
自動車をもっと軽くしたい。
スマートフォンを落としても壊れにくくしたい。
電気自動車のバッテリーを、もっと長持ちさせたい。
飛行機のエンジンを、さらに高い温度でも安全に動かしたい。
こうした技術の進歩を考えるとき、機械や電子回路の設計に注目する人は多いかもしれません。
しかし、どれだけ優れた設計を考えても、それを実現できる材料がなければ、製品を作ることはできません。
そこで重要になるのが「材料工学」です。
材料工学は、金属、セラミックス、高分子、半導体、複合材料などの性質を調べ、目的に合った性能を持つ材料を開発する学問です。
今回は、私たちの身近な製品に使われている材料から、大学での研究内容まで、少し深く見ていきましょう。
■ そもそも材料工学とは何か？
材料工学とは、物質の性質を理解し、その性質を目的に合わせて利用・改善するための学問です。
例えば、自動車の車体に使う材料を考えてみましょう。
自動車の車体には、安全性を確保するための強度が必要です。
しかし、頑丈な材料を使えば、それでよいというわけではありません。
材料が重くなれば、自動車全体の重量が増え、走行に必要なエネルギーも大きくなります。
さらに、材料費や加工のしやすさ、錆びにくさなども考える必要があります。
つまり、材料を選ぶときには、
「どれくらい強いのか」
「どれくらい軽いのか」
「加工しやすいのか」
「長期間使っても劣化しにくいのか」
「大量生産できるのか」
といった多くの条件を考えます。
材料工学は、こうした条件を満たすために、材料の成分や内部構造、製造方法などを研究する学問なのです。
■ ① 金属材料工学――同じ金属でも強さが違う？
材料工学の代表的な分野が金属材料です。
鉄、アルミニウム、銅、チタン、マグネシウムなど、さまざまな金属が研究対象になります。
例えば、鉄は建物や自動車、機械などに広く使われています。
しかし、鉄を主成分とする材料でも、その性質は同じではありません。
炭素などの元素を加えたり、加熱・冷却の方法を変えたりすることで、硬さや強さ、粘り強さなどを調整できます。
ここで重要なのが、材料の内部構造です。
金属の内部では、原子が規則的に並んでいます。
ただし、実際の金属には結晶の境界や欠陥なども存在します。
そのような微細な構造が、金属の変形しやすさや強さに影響します。
例えば、金属の結晶粒を細かくすることで、強度を高められる場合があります。
また、熱処理によって内部組織を変化させ、必要な硬さや粘り強さを持たせることもできます。
つまり、材料工学では、単に新しい金属を発見するだけでなく、同じ材料の内部構造を変えて性能を高める研究も行われているのです。
■ ② セラミックス工学――熱や摩耗に強い材料をつくる
セラミックスと聞くと、お茶碗や皿などの陶磁器を思い浮かべるかもしれません。
もちろん、それらもセラミックスの一種です。
しかし、工学で研究するセラミックスには、さらに多くの種類があります。
例えば、アルミナ、ジルコニア、炭化ケイ素などです。
これらは、硬さ、耐熱性、耐摩耗性、電気的性質などに特徴を持っています。
例えば、工場で金属を削る工具には、非常に硬い材料が求められます。
また、高温になる機械の部品には、熱に耐えられる材料が必要です。
さらに、電子機器の内部では、電気を通しにくい性質や特定の電気的特性を利用したセラミックスも使われています。
ただし、セラミックスにも弱点があります。
一般に、金属と比べて割れやすいものが多く、強い衝撃に弱い場合があります。
そこで、材料の組成や微細構造を工夫し、割れにくくする研究も行われています。
硬さや耐熱性といった長所を生かしながら、弱点を改善することが重要なのです。
■ ③ 高分子材料工学――プラスチックも高度な研究対象
材料工学では、プラスチックやゴムなどの高分子材料も研究します。
高分子とは、多数の原子が結びついてできた、非常に大きな分子のことです。
私たちの身近なプラスチック製品の多くも、高分子材料からできています。
例えば、スマートフォンのケース、食品の包装、自動車の内装、医療用の器具などです。
高分子材料の特徴は、種類や構造によって性質が大きく変わることです。
柔らかいものもあれば、硬くて丈夫なものもあります。
透明なものや、熱に強いもの、電気を通す性質を持つものもあります。
大学では、高分子の分子構造と材料の性質の関係、耐久性、加工技術などを研究します。
また、環境問題との関係も重要です。
プラスチックごみを減らすために、リサイクルしやすい材料や、特定の条件で分解する材料などの研究が進められています。
普段は単なるプラスチック製品として見ているものにも、さまざまな材料技術が使われているのです。
■ ④ 複合材料工学――異なる材料を組み合わせる
材料には、それぞれ得意なことと苦手なことがあります。
例えば、軽い材料は強度が不足する場合があります。
逆に、強い材料でも重すぎて使いにくいことがあります。
そこで、異なる材料を組み合わせ、それぞれの長所を生かすのが「複合材料」です。
代表的なものに、炭素繊維強化プラスチックがあります。
一般にCFRPと呼ばれる材料です。
CFRPは、炭素繊維と樹脂を組み合わせた材料で、軽量で高い強度や剛性を持つように設計できます。
航空機、自動車、スポーツ用品など、幅広い分野で使われています。
ただし、どの方向から力を加えても同じ強さになるとは限りません。
繊維の向きや重ね方によって、材料の性能が変わるためです。
そのため、複合材料の研究では、材料の組み合わせだけでなく、繊維の配置や製造方法も重要になります。
「一つの材料では実現しにくい性能を、組み合わせによって実現する」
これが複合材料工学の面白さです。
■ ⑤ 電池材料工学――バッテリーの性能を決めるのは材料
スマートフォンの充電を、もっと長持ちさせたい。
電気自動車で、もっと長い距離を走れるようにしたい。
こうした課題に関係しているのが電池材料の研究です。
例えば、リチウムイオン電池には、正極材料、負極材料、電解質、セパレーターなどが使われています。
電池の充電・放電では、内部でイオンや電子が移動し、電気エネルギーを蓄えたり取り出したりします。
材料の性質によって、どれくらいエネルギーを蓄えられるのか、どれくらい速く充電できるのか、何回使えるのかなどが変わります。
また、安全性も非常に重要です。
電池は、使用条件や異常時の状態によっては、発熱や発火などの危険が生じることがあります。
そのため、材料工学では性能を高めるだけでなく、安全性や耐久性を改善する研究も行われています。
さらに、全固体電池など、新しい構造の電池を実現するための材料開発も重要な研究テーマです。
バッテリーの進歩は、電子回路や制御技術だけでなく、材料そのものの進歩によっても支えられているのです。
■ ⑥ 半導体材料――情報社会の土台も材料から生まれる
前回紹介した半導体工学も、材料工学と深く関係しています。
半導体の代表的な材料はシリコンですが、すべての半導体がシリコンで作られるわけではありません。
例えば、炭化ケイ素や窒化ガリウムなども重要な半導体材料です。
これらは、電力を効率よく制御するパワー半導体などに利用されています。
材料工学では、なぜその材料が特定の電気的性質を持つのか、結晶の欠陥や不純物が性能にどう影響するのかなどを調べます。
一方、半導体工学では、そうした材料を使ってトランジスタや電子回路をどのように実現するかという研究も行います。
つまり、同じ半導体を扱っていても、材料そのものに注目するのか、電子デバイスに注目するのかによって、研究の方向性が異なるのです。
■ なぜ材料の内部を調べる必要があるのか？
材料工学の特徴の一つは、目に見えないほど小さな世界を研究することです。
例えば、金属の棒を引っ張ったとき、ある程度の力を加えると変形し、さらに大きな力を加えると破断する場合があります。
では、なぜ変形したり、破断したりするのでしょうか。
その理由を理解するには、材料の内部にある原子の並び方、結晶の境界、欠陥などを調べる必要があります。
大学では、電子顕微鏡やX線回折装置などを使って、材料の内部構造を分析します。
また、実際に材料へ力を加え、強度や変形の様子を測定する実験も行います。
そして、材料の内部構造と実際の性能を結びつけて考えます。
ここで重要なのは、同じ成分の材料であっても、製造方法や熱処理によって性能が変わるということです。
材料工学では、原子レベルの構造から、実際の製品に使われる材料の性能までを結びつけて研究するのです。
■ 機械工学や化学工学とは何が違う？
材料工学は、機械工学や化学工学とも関係の深い学問です。
しかし、中心となる研究対象には違いがあります。
機械工学との違い
例えば、軽くて安全な自動車を開発するとします。
機械工学では、車体の構造や部品の形状、力のかかり方などを考えます。
材料工学では、その車体や部品に使う金属、樹脂、複合材料などの性能を研究します。
機械工学が「どのような構造にすればよいのか」を考えるのに対し、材料工学は「どのような材料なら、その構造を実現できるのか」を考えるわけです。
ただし、実際の開発では両方の知識が必要になります。
化学工学との違い
化学工学では、化学反応や物質の移動などを利用して、製品を安全かつ効率的に生産する方法を研究します。
例えば、研究室で開発した新しい材料を、工場で大量生産するための設備や製造条件を考えることがあります。
一方、材料工学では、材料の内部構造と性質の関係や、目的の性能を持つ材料の開発などに重点があります。
ただし、材料工学にも製造プロセスの研究はあり、両者には重なる部分があります。
特に、電池材料、半導体材料、高分子材料などの分野では、材料工学と化学工学が密接に関係しています。
■ 高校の数学・物理・化学はどう使われる？
材料工学では、数学、物理、化学の三つが重要な基礎になります。
特に化学は、原子の構造、化学結合、酸化還元、物質の状態変化などを理解するうえで役立ちます。
例えば、金属が錆びる現象を理解するには、酸化還元反応の知識が必要です。
また、電池の仕組みを理解する場合にも、電気化学の知識を使います。
物理では、力と変形、熱、電気、原子の性質などが関係します。
材料にどれくらいの力を加えると変形するのか。
温度が変わると材料の性質がどう変化するのか。
こうした問題を物理的に考えていきます。
さらに、実験結果を分析したり、材料の振る舞いを予測したりするためには、微分・積分、統計学、線形代数などの数学が必要です。
材料工学は、化学だけの学問でも、物理だけの学問でもありません。
数学・物理・化学を組み合わせ、現実のものづくりに応用する学問なのです。
■ 大学では実際にどのような研究や実験をするの？
大学の材料系学科では、講義だけでなく、材料を実際に作り、その性能を調べる実験も行います。
例えば、金属を加熱して組織を変化させ、その後に硬さを測定する実験があります。
また、金属の試験片を引っ張り、どれくらいの力で変形したり破断したりするのかを調べることもあります。
電子顕微鏡などで材料の内部を観察し、なぜそのような性質になったのかを考えます。
電池材料の研究では、材料を合成し、試験用の電池を作って充電・放電の性能を測定することもあります。
さらに、コンピュータを使って原子の振る舞いや材料の性質を予測する研究も行われています。
最近では、材料の実験データや計算結果を利用して、新しい材料を探索する「マテリアルズ・インフォマティクス」という分野もあります。
これは、材料工学と情報科学を組み合わせた研究です。
つまり、材料工学は昔ながらの金属研究だけではなく、AIやデータ科学にもつながる分野なのです。
■ 卒業後はどのような仕事に就くの？
材料工学を学んだ人が活躍する業界は、非常に幅広くなっています。
鉄鋼、非鉄金属、自動車、航空機、電機・電子、半導体、化学、エネルギーなど、多くの産業に関係します。
仕事の内容も、新素材の研究開発、材料の評価・分析、製造技術の開発、品質管理、生産工程の改善など、さまざまです。
例えば、自動車メーカーでは、軽量で安全な車体材料や電池材料の開発に関わる可能性があります。
電子部品メーカーでは、半導体材料や電子材料の研究を行うこともあります。
また、材料の分析・評価を専門とする仕事もあります。
材料工学の研究開発では、高度な専門知識が求められるため、大学院へ進学して専門性を高める道もあります。
■ 材料工学に向いているのは、どんな人？
材料工学に向いているのは、単に新しい物質を作ることが好きな人だけではありません。
例えば、次のような関心がある人にも向いています。
化学や物理の知識を、実際のものづくりに使いたい
なぜ物質によって強さや性質が違うのか知りたい
新しい電池や半導体材料を開発したい
航空機や自動車の軽量化に関わりたい
環境に優しい材料やリサイクル技術を研究したい
実験を繰り返し、結果を分析することが好き
目に見えない小さな世界の仕組みに興味がある
材料工学では、実験が思いどおりの結果にならないこともあります。
材料を作る条件を少し変えただけで、性能が変化することもあります。
その原因を考え、何度も実験を繰り返しながら改善していくことが必要です。
そのため、「なぜこうなるのだろう」と疑問を持ち、粘り強く考えることが好きな人には、面白い学問ではないでしょうか。
■ 最後に――新しい材料が、新しい技術を生み出す
自動車、航空機、スマートフォン、電池、半導体、医療機器。
これらの技術の進歩を支えているのは、機械設計や電子回路、ソフトウェアだけではありません。
それらを構成する材料そのものの進歩も重要です。
より軽く、より強い材料ができれば、新しい乗り物を作れるかもしれません。
より高性能な電池材料ができれば、電気自動車の使いやすさが向上するかもしれません。
より高い温度に耐えられる材料ができれば、これまで実現できなかった機械やエネルギー技術につながる可能性もあります。
つまり、材料工学は、完成した製品の表からは見えにくいものの、技術の可能性そのものを広げる学問なのです。
工学部を志望する高校生には、ぜひ考えてみてほしいと思います。
「自分は、機械の構造を作りたいのか」
「電子回路や情報システムを開発したいのか」
「それとも、それらを支える材料そのものを研究したいのか」
同じものづくりへの興味でも、そのどの部分に魅力を感じるのかによって、進むべき学問は変わってきます。
新しい材料を生み出すことは、まだ存在しない技術の可能性を生み出すことでもあります。
そんな視点で材料工学を見てみると、これまでとは違った工学部の面白さが見えてくるのではないでしょうか。
■ 九州の大学では、どのような材料研究ができる？
九州大学 工学部 材料工学科
金属の製造・精製、材料の内部組織と強度、電池や半導体などの機能材料を学びます。金属の鋳造、組織解析、電気化学測定といった実験もあります。
九州大学 工学部・大学院工学府・大学院工学研究院+1
熊本大学 工学部 材料・応用化学科
3つの教育プログラムのうち「物質材料工学」では、金属の強度や破壊、微細構造の解析、高機能材料などを研究しています。軽量で高強度なマグネシウム合金の研究も特徴的です。
熊本大学 工学部+1
九州工業大学 工学部 工学科 材料コース
材料の設計・製造だけでなく、資源、リサイクル、エネルギー問題への応用も学びます。データサイエンスを材料研究に活用する教育も取り入れています。
今回のブログで特に伝えたいのは、材料工学は「化学の延長」だけではないということです。
金属の強度を研究するなら物理や機械工学に近く、電池材料なら化学や電気化学に近く、マテリアルズ・インフォマティクスなら情報科学にも近くなります。
つまり、材料工学はさまざまな工学分野を根本から支える学問であり、進路選択では「どの材料を、何のために研究したいのか」まで考えることが重要です。
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