「材料ゲノム」を解明して航空宇宙設計を前進させる

先月、シドニー大学の航空宇宙・機械・メカトロニクス工学部の研究者らは、先端鋼やカスタムシリコンなどの結晶材料内の原子関係を解明するための顕微鏡法を発見した。

The aerospace industry is constantly striving to improve efficiency, performance, and safety while reducing carbon emissions and maintaining sustainability. In recent years, several technological advancements have expanded the capabilities of air travel both within the Earth's atmosphere as well as outside it. This includes advanced satellite technology for communications, additive manufacturing for lightweight components, electric propulsion for reduced emissions and reduced costs, supersonic flight for faster travel, and artificial intelligence and machine learning for enhanced operational efficiency.

航空宇宙産業は、炭素排出量を削減し持続可能性を維持しながら、効率、性能、安全性を向上させるために常に努力しています。近年、いくつかの技術の進歩により、地球の大気圏内だけでなく大気圏外でも航空旅行の可能性が拡大しました。これには、通信用の高度な衛星技術、軽量コンポーネントの積層造形、排出量削減とコスト削減のための電気推進、より高速な移動のための超音速飛行、運用効率の向上のための人工知能と機械学習が含まれます。

Aerospace focuses on advanced materials with very specific properties. Systems usually involve different kinds of materials, ranging from ceramic thermal to carbon fiber and Titanium, which are used for myriad purposes to optimize performance.

航空宇宙産業は、非常に特殊な特性を持つ先進的な材料に焦点を当てています。通常、システムには、セラミックサーマルからカーボンファイバー、チタンに至るまで、さまざまな種類の材料が使用されており、これらはパフォーマンスを最適化するための無数の目的に使用されます。

The research in this area aims to develop multifunctional materials, which means materials that have not only structural functions but can also offer other features like active cooling. To bring advanced aerospace concepts to life, materials must be more durable, lightweight, and cost-effective than ever before. 

この分野の研究は、多機能材料の開発を目的としています。これは、構造機能だけでなく、アクティブ冷却などの他の機能も提供できる材料を意味します。高度な航空宇宙コンセプトを実現するには、材料はこれまで以上に耐久性があり、軽量で、コスト効率が高くなければなりません。

As the aerospace industry continues to progress, let's examine the latest groundbreaking innovations that will take it even further.

航空宇宙産業が進歩を続ける中、それをさらに前進させる最新の画期的なイノベーションを見てみましょう。

Unveiling the ‘Materials Genome' to Advance Design

設計を前進させるための「マテリアルゲノム」を明らかにする

Last month, researchers from the University of Sydney's School of Aerospace, Mechanical, and Mechatronic Engineering discovered a microscopy method for unraveling atomic relationships within crystalline materials such as advanced steels and custom silicon.

先月、シドニー大学の航空宇宙・機械・メカトロニクス工学部の研究者らは、先端鋼やカスタムシリコンなどの結晶材料内の原子関係を解明するための顕微鏡法を発見した。

This means that researchers can detect even minute changes in the atomic-level architecture of these materials, enhancing our understanding of the fundamental origins of their properties and behavior. This knowledge will enable the development of advanced semiconductors for electronics and lighter, stronger alloys for the aerospace sector.

これは、研究者がこれらの材料の原子レベルの構造における微細な変化さえも検出できることを意味し、その特性と挙動の基本的な起源についての理解を深めます。この知識により、エレクトロニクス用の高度な半導体や航空宇宙分野用のより軽量でより強力な合金の開発が可能になります。

For this, researchers used atom probe tomography (APT), a technique that visualizes atoms in three dimensions (3D), to unpack the complexity of short-range order (SRO). SRO is a quantitative measure of the relative tendency for a material's constituent elements to deviate from a random distribution. Understanding the local atomic environments is essential for creating innovative materials.

このため、研究者らは原子を三次元（3D）で可視化する技術であるアトムプローブトモグラフィー（APT）を使用して、短距離秩序（SRO）の複雑さを明らかにしました。 SRO は、材料の構成要素がランダムな分布から逸脱する相対的な傾向を定量的に測定したものです。革新的な材料を生み出すためには、局所の原子環境を理解することが不可欠です。

By quantifying the non-randomness of neighborhood relationships at the atomic scale within the crystal in detail, SRO opens up “vast possibilities for materials that are custom-designed, atom-by-atom, with specific neighborhood arrangements to achieve desired properties like strength,” said the study lead, Professor Simon Ringer, who is the Pro-Vice-Chancellor (Research Infrastructure) at the University of Sydney.

SRO は、結晶内の原子スケールでの近傍関係の非ランダム性を詳細に定量化することにより、「強度、 」と研究責任者であるシドニー大学の副学長代理（研究インフラ担当）であるサイモン・リンガー教授は述べた。

Sometimes referred to as the ‘materials genome,' SRO has been a challenge to measure and quantify. This is because atomic arrangements occur at such a small scale that you can't see them with conventional microscopy techniques.

「マテリアルゲノム」とも呼ばれる SRO は、測定と定量化が困難でした。これは、原子配列が非​​常に小さいスケールで発生するため、従来の顕微鏡技術では見ることができないためです。

So, the team of researchers developed a new method using APT that overcomes these challenges, making it “a significant breakthrough in materials science,” said Ringer, a materials engineer at AMME. 

そこで研究者チームは、これらの課題を克服するAPTを使用した新しい手法を開発し、それが「材料科学における重要な進歩」となったとAMMEの材料エンジニアであるリンガー氏は述べた。

The study's focus has been on high-entropy alloys (HEAs), a heavily researched area due to their potential for use in situations that require high-temperature strength, including jet engines and power plants.

この研究はハイエントロピー合金（HEA）に焦点を当てており、ジェットエンジンや発電所など、高温強度が必要な状況での使用の可能性があるため、重点的に研究されている分野である。

Using advanced data science techniques and drawing on data from APT, the researchers observed and measured SRO. They were then able to compare how SRO changes in a high-entropy alloy of cobalt, chrome, and nickel under different heat treatments.

研究者らは、高度なデータ サイエンス技術を使用し、APT からのデータを利用して、SRO を観察および測定しました。その後、コバルト、クロム、ニッケルの高エントロピー合金の SRO が異なる熱処理の下でどのように変化するかを比較することができました。

According to Dr Andrew Breen, a senior postdoctoral fellow:

上級博士研究員であるアンドリュー・ブリーン博士は次のように述べています。

“(The study has produced a) sensitivity analysis that bounds the precise range of circumstances whereby such measurements are valid and where they are not valid.”

「（この研究は）そのような測定が有効である状況と無効である状況の正確な範囲を限定する感度分析を作成しました。」

By measuring and understanding SRO, this study could also help transform approaches to materials design and show just how “small changes at the atomic level architecture can lead to giant leaps in materials performance,” said Dr. Mengwei He, a postdoc research fellow in the School of Aerospace, Mechanical, and Mechatronic Engineering.

SROを測定して理解することで、この研究は材料設計へのアプローチを変革するのにも役立ち、「原子レベルの構造における小さな変化が材料性能の大きな飛躍につながる可能性がある」ことを証明する可能性があると、同研究員のポスドク研究員であるMengwei He博士は述べた。航空宇宙、機械、メカトロニクス工学部。

Moreover, by providing a blueprint at the microscopic level, the study enhances a researcher's capabilities to computationally simulate, model, and then predict materials behavior. It can further act as a template for future studies in which SRO controls critical material properties. 

さらに、この研究では、顕微鏡レベルでの青写真を提供することで、材料の挙動を計算機でシミュレーション、モデル化し、予測する研究者の能力を強化します。さらに、SRO が重要な材料特性を制御する将来の研究のテンプレートとしても機能します。

A Revolutionary Material to Enable Hypersonic Flight

極超音速飛行を可能にする革新的な素材

There is a lot of interest in achieving sustained flight at hypersonic speeds, but technical challenges remain. These include managing extreme heat, developing materials that can withstand stress, extreme temperatures, and oxidation without compromising performance, and creating propulsion systems that can operate efficiently at high speeds and altitudes. 

極超音速での持続飛行を達成することに多くの関心が集まっていますが、技術的な課題はまだ残っています。これには、極度の熱の管理、性能を損なうことなく応力、極度の温度、酸化に耐えることができる材料の開発、高速および高度で効率的に動作できる推進システムの作成が含まれます。

As researchers try to find solutions to these problems, scientists from Guangzhou University School of Materials Science and Engineering reported a breakthrough in hypersonic heat shields earlier this year.

研究者がこれらの問題の解決策を見つけようとしている中、広州大学材料科学工学部の科学者らは今年初めに極超音速熱シールドの画期的な進歩を報告した。

In what could be a game changer for hypersonic flight, the scientists developed a new material, porous ceramic, that provides “exceptional thermal stability” and “ultrahigh compressive strength.” 

極超音速飛行のゲームチェンジャーとなり得るものとして、科学者らは「並外れた熱安定性」と「超高圧縮強度」を提供する新素材、多孔質セラミックを開発した。

This has been achieved using a multi-scale structure design, which the scientists say has been done for the very first time. Moreover, the quick fabrication of this high-entropy ceramics opens the door to wider exploration in the sectors of aerospace, chemical engineering, and energy production and transfer.

これはマルチスケール構造設計を使用して達成されており、科学者らによると、これは初めて行われたものであるという。さらに、この高エントロピーセラミックスの迅速な製造により、航空宇宙、化学工学、エネルギーの生産と輸送の分野でのより広範な探求への扉が開かれます。

The researchers said the ceramics were fabricated through “an ultrafast high-temperature synthesis technique

研究者らは、セラミックスは「超高速高温合成技術」によって製造されたと述べた。