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何千年も遡って人類の遺伝的痕跡をたどれば、原始的な生物が原始の地球で足場を模索していることに気づくでしょう。他の動物のような自然で物理的な利点がないにもかかわらず、人類が新生代からなんとか脱出することができたのは驚異的です。もちろん、ホモ・サピエンスには他の動物よりも優れた点が 1 つありました。それは、道具を作り、使用する能力です。彼らはライオンの歯や爪、防御用の鹿の角を欠いていましたが、周囲の世界から独自の武器を作ることを学びました。

知られている最古の道具は 260 万年前に遡り、人類がさまざまな作業を行うために成形石を使用していた時代に遡ります 。結局のところ、鋭利な岩は、スライスしたり、刺したり、こすったり、叩いたり、殴ったりする可能性があります。やがて、人類は道具を特殊化し、矢尻から穀物を粉砕するための乳棒に至るまであらゆるものを作成しました。しかし、石は脆く、柔軟性に欠ける媒体です。最終的に、彼らはより耐久性があり展性の高い元素とその合金、つまり最初は銅、次に青銅、鉄を特定することができました。鈍的な力を加えても剥離したり破損したりする代わりに、それらは展性があることが証明されました。

現代社会に最も大きな影響を与えた技術を挙げるとすれば、重金属元素である鉄の精製がその筆頭に挙げられるでしょう。鉄は現代の製品の膨大な量を構成しています。特に炭素が豊富な市販の鉄、これを鋼と呼びます。車、トラクター、橋、電車（およびそのレール）、工具、高層ビル、銃、船はすべて、強度を保つために鉄と鋼に依存しています。鉄は非常に重要であるため、原始社会は鉄を精製する方法を学んだ時点で評価されます。これが「鉄器時代」の分類の由来です。

人間がどのように鉄や鋼を精製しているか考えたことはありますか?鉄鉱石については聞いたことがあるでしょうが、どうやって岩の板をステンレス鋼の手術器具や機関車に変えることができるのでしょうか?この記事では、鉄と鋼についてすべて学びます。

鉄の利点

鉄は非常に有用な物質です。石よりも脆くなく、木材や銅に比べて非常に強いです。鉄は、適切に加熱すれば、簡単な工具を使用して精製するだけでなく、さまざまな形状に成形することも比較的簡単です。そして、それらの道具について言えば、木材とは異なり、鉄は高温に耐えることができるため、火ばさみからかまどまであらゆるものを鉄で作ることができます。ほとんどの物質とは対照的に、鉄も磁化できるので、電気モーターや発電機の作成に役立ちます。最後に、鉄分不足を心配する必要はまったくありません。地球の地殻には鉄が 5 パーセント含まれており、一部の地域では鉄が 70 パーセントも含まれる鉱石にこの元素が集中しています。

鉄や鋼とアルミニウムなどを比較すると、なぜ歴史的にそれが非常に重要であったかがわかります。アルミニウムを精製するには、大量の電力を利用する必要があります。さらに、アルミニウムを成形するには、鋳造するか押し出す必要があります。しかし、鉄は扱いがはるかに簡単です。この元素は何千年もの間人々に役立ってきましたが、アルミニウムは実際には 20 世紀まで意味のある形で存在していませんでした。

幸いなことに、鉄は原始社会で利用できた道具を使って比較的簡単に作ることができます。おそらく人類が技術的に進歩し、鉄がアルミニウム、プラスチック、カーボンやガラス繊維などに完全に置き換わる日が来るでしょう。しかし現時点では、経済方程式により、安価な鉄鋼がこれらのはるかに高価な代替品よりも大きな利点をもたらしています。

鉄と鋼の唯一の問題は錆です。幸いなことに、鉄を塗装、亜鉛めっき、クロムメッキ、または犠牲陽極でコーティングすることによって錆を制御できます。犠牲陽極は、より強力な金属よりも早く腐食します。この最後の選択肢は、大統領の銃弾を撃つためにボディガードを雇うことだと考えてください。活性の低い鉄や鋼がプロセスを開始する前に、活性の高い金属がほぼ完全に腐食する必要があります。

人間は、大工道具や調理器具から複雑な機械や拷問器具に至るまで、鉄の無数の用途を考え出してきました。ただし、鉄をこれらの用途に使用する前に、地面から採掘する必要があります。

鉄鉱石

多くの古代文明が青銅器時代から鉄器時代に移行し始める前に、一部の工具製作者はすでに宇宙源である隕石から鉄製の器具を作成していました。エジプト人によって「黒銅」と呼ばれた隕鉄は、巨大な固まった場所で見つかるような物質ではありません。むしろ、職人たちは、遠く離れた場所に散らばったその破片を発見しました。そのため、この天の金属は主に次のような用途に使用されました。宝飾品や装飾品は鍛冶屋が剣を作るために隕鉄を使用することもありましたが、これらの貴重な武器は通常、7 世紀のカリフなどの強大な権力者に委ねられ、その刃は使われていたと言われています。メッカの聖黒石と同じ素材から鍛造された。

しかし、地球上の鉄の大部分は鉄鉱石の中に存在します。地面から直接採掘された原鉱石は、原石と脈石と呼ばれる緩い土の混合物です。本来の鉱石は、通常、原鉱石を粉砕し、軽い土壌を洗い流すだけで分離できます。ただし、鉱石は炭酸塩、水和物、酸化物、ケイ酸塩、硫化物、およびさまざまな不純物の化合物であるため、鉱石そのものを分解することはさらに困難です。

鉱石中の鉄片を取り出すには、それを精錬する必要があります。製錬では、金属がスポンジ状になり、鉱石内の化合物が分解し始めるまで鉱石を加熱します。最も重要なのは、一般的な鉄鉱石の高い割合を占める鉄鉱石から酸素を放出することです。

鉄を精錬するために使用される最も原始的な施設はブルーマリーです。そこでは鍛冶屋が鉄鉱石と十分な酸素供給（ふいごや送風機で供給）を使って木炭を燃やします。木炭は本質的に純粋な炭素です。炭素は酸素と結合して二酸化炭素と一酸化炭素を生成します（その過程で多量の熱が放出されます）。炭素と一酸化炭素は鉄鉱石内の酸素と結合して運び去られ、鉄金属が残ります。

ブルーマリーでは、鉄を完全に溶かすほど火は熱くなりません。代わりに、鉄は加熱されて、鉄と鉱石からのケイ酸塩を含むスポンジ状の塊になります。この塊 (ブルームと呼ばれます) を加熱してハンマーで叩くと、不純物が押し出され、ガラス状のケイ酸塩が鉄金属に混合され、錬鉄が生成されます。錬鉄は丈夫で加工しやすいため、道具を作るのに最適です。

工具や武器の製造者は、鉄が主要な金属になるずっと前に、銅を製錬する方法を学びました。考古学的証拠によると、中東の鍛冶屋は紀元前 2500 年には鉄を製錬していましたが、鉄がこの地域で主要な金属になるまでには 1000 年以上かかりました。

より高品質の鉄を作るには、鍛冶屋にはより優れた炉が必要です。この技術は何世紀にもわたって徐々に発展してきました。 1300 年代半ばまでに、ヨーロッパの炉は、より高い炉と手動操作のふいごのおかげで、鉄を軟化させるだけでなく、実際に溶かすのに十分な高温で燃焼できるようになりました。

鉄を作る

鉄を製錬するより高度な方法は、溶鉱炉を使用することです。高炉には、鉄鉱石、木炭またはコークス（コークスは石炭から作られた木炭）および石灰石（CaCO ₃ ）が装入されます。炉の底から大量の空気が吹き込まれ、石灰石中のカルシウムがケイ酸塩と結合してスラグが形成されます。液体鉄は高炉の底、スラグ層の下に集まります。鍛冶屋は定期的に液体の鉄を流出させて冷却します。

この時点で、液体鉄は通常、チャネルを通って砂の層に流れ込みます。冷えると、この金属は銑鉄として知られます。 1 トンの銑鉄を作成するには、2 トン (1.8 トン) の鉱石、1 トン (0.9 トン) のコークス、および 0.5 トン (0.45 トン) の石灰石から始めます。火災は5 トン (4.5 トン) の空気を消費します。高炉の中心温度は約 3,000 度 (約 1,600 ℃) に達します。

銑鉄には 4 ～ 5% の炭素が含まれており、非常に硬くてもろいため、ほとんど役に立ちません。これを使って何かをしたい場合、選択肢は 3 つあります。まず、これを溶かし、スラグと混合し、ハンマーで叩いて炭素の大部分 (0.3 パーセントまで) を除去し、強力で展性の高い錬鉄を作成します。 2 番目のオプションは、銑鉄を溶かしてスクラップ鉄と組み合わせ、不純物を溶かし出し、合金を加えて鋳鉄を形成することです。この金属には、2 ～ 4 パーセントの炭素と、多量のシリコン、マンガン、および微量の不純物が含まれています。鋳鉄は、その名前が示すとおり、通常、金型に鋳造されてさまざまな部品や製品を形成します。

銑鉄の 3 番目のオプションは、精錬プロセスをさらに進めて鋼を作成することです。これについては次のページで説明します。

鋼の作成

鉄とは、鉄から不純物をほとんど取り除いたものです。鋼には、全体的に一定の炭素濃度（0.5 ～ 1.5 パーセント）があります。シリカ、リン、硫黄などの不純物は鋼を著しく弱めるため、除去する必要があります。鉄に対する鋼の利点は、強度が大幅に向上していることです。

平炉は銑鉄から鋼を作る方法の 1 つです。銑鉄、石灰石、鉄鉱石は平炉炉に入ります。約 1,600 度 (摂氏 871 度) まで加熱されます。石灰岩と鉱石は表面に浮かぶスラグを形成します。炭素を含む不純物が酸化されて鉄からスラグ中に浮遊します。炭素含有量が適切であれば、炭素鋼が得られます。

銑鉄から鋼を製造する別の方法は、ベッセマー転炉内の溶融鉄に空気を吹き込むことによって銑鉄中の不純物を酸化するベッセマー法です。酸化熱により温度が上昇し、鉄は溶けた状態に保たれます。空気が溶融銑鉄を通過すると、不純物が酸素と結合して酸化物を形成します。一酸化炭素は燃焼し、他の不純物はスラグを形成します。

しかし、現代の製鉄所のほとんどは、鉄を製造するために基本的な酸素炉と呼ばれるものを使用しています。利点はスピードであり、プロセスは平炉炉よりも約 10 倍高速です。これらの炉では、高純度の酸素が溶融銑鉄を吹き抜け、炭素、シリコン、マンガン、リンのレベルを下げます。フラックスと呼ばれる化学洗浄剤を添加すると、硫黄とリンのレベルを下げることができます。

この時点で、さまざまな金属が鋼と合金化されて、さまざまな特性が生み出される可能性があります。たとえば、10 ～ 30 パーセントのクロムを添加すると、非常に錆びにくいステンレス鋼が作成されます。クロムとモリブデンを添加すると、強くて軽いクロムモリブデン鋼が生まれます。

考えてみると、人間のテクノロジーの進歩と繁栄をはるかに容易にした自然災害が 2 つあります。 1つは、鉄鉱石の大量の入手可能性です。 2 つ目は、鉄の生産に必要な大量の石油と石炭の入手可能性です。鉄とエネルギーがなければ、おそらく今日のような進歩はなかったでしょう。

鉄と鋼についてさらに詳しく知るには、次のページのリンクを参照してください。

次回、200ドルの飛行士サングラスをかけるときは、メソポタミア人に感謝してください。そうです、レイバンの小さくて繊細な部分を結合するために使用される金属加工は、そのルーツを古代シュメールの鍛冶屋にまで遡ることができます。

基本的な歴史は次のとおりです。まず、人類は、古代の 7 つの金属である金、銅、銀、鉛、錫、鉄、水銀を含む金属を発見しました。広く使用された最初の 2 つは金と銅で、メソポタミア人、エジプト人、ギリシャ人、 ローマ人はいずれも、柔らかい金属を打ち出して板状にし、食器やカップから宝石や武器に至るまであらゆるものを形作る職人を生み出しました。

これらの職人たちが、単一の金属から作られた単純な物体から、いくつかの部品を組み合わせて作られた複雑な物体に移行するまでに時間はかかりませんでした。たとえば、紀元前 2650 年から 2500 年頃のウルの第一王朝の間に、金属細工師は銅で作られたいくつかの素晴らしい建築装飾を作成しました。アル・ウバイドの寺院を飾ったそのような装飾の 1 つは、ライオンの頭を持つ鷲が尾で 2 頭の雄鹿を掴んでいるのが特徴です。鹿の角は別々に作られ、大きな部分に結合されました。

金属を接合する最も古い方法には、金属シートに開けられた穴に短いピンを打ち込んだリベットが使用されていました。残念ながら、リベット (およびそれに対応する現代のナットやボルト) は時間の経過とともに緩む可能性があり、常に最強の接合が得られるわけではありません。このため、職人たちは金属片を融合する別の方法を模索するようになりました。鉄の普及が進むにつれて、鍛造溶接に依存するようになりました。この溶接では、あらかじめ成形された金属片を過熱してハンマーで叩き、またはプレスして接合する必要がありました。

現在では他の技術が鍛造溶接に取って代わっていますが、それらの技術はすべて機能するために熱を必要とします。これらには、はんだ付け、溶接、ろう付けが含まれます。これらの各方法は、熱を使用して、1 つになる必要がある 2 つの金属の間に形成された隙間にフィラー金属を溶かします。違いは、熱の強さ、充填材の性質、そしてその結果としての接合部の強度と耐久性です。ろう付けでは、温度は溶加材が溶けるほど高温である必要がありますが、接合される金属が溶けないように十分に低温である必要があります。多くの場合、そのフィラーは銀合金であり、これがろう付けの別の一般名である「銀ろう付け」につながります。

次の数ページでは、ろう付けがどのように機能するのか、そしてなぜ溶接ではなくこの技術を選択するのかを理解するために、ろう付けを詳しく見ていきます。まずは、2 つの金属が結合したときに形成される境界を顕微鏡で見てみましょう。

ろう材

ろう付けには、接合される金属に加えて、金属フィラーとフィラーを溶かすための熱源という 2 つの重要な要件があります。フィラーメタルから始めて、それぞれを詳しく見ていきます。

ろう付け材は、銀、アルミニウム、金、銅、コバルト、ニッケルなどの一般的な主金属の 1 つから始まります。これらの主要な金属は、他の金属と混合または合金化されて、特性が改善または微調整されます。たとえば、マンガンは融点抑制剤として機能します。これは、主要な金属が溶ける温度を下げることを意味します。クロムはろう付け接合部の強度を高めます。また、ホウ素は耐腐食性を高めるのに役立ちます。添付の表は、ろう付けに使用される一般的な合金をいくつか示しています 。

最終的に、金属加工者はフィラーメタルを選択する際に、多くの考慮事項のバランスを考慮する必要があります。合金は純粋な金属とは異なる動作をします。後者は単一の温度で溶けます。この温度になる前は固体ですが、その後は液体になります。対照的に、合金は固体から液体に直接変化しません。代わりに、それらは固体であると同時に液体である「どろどろ」段階を通過します。金属労働者はこれを有利に利用できます。隙間が狭い接合部をろう付けする場合、ろう付け範囲が狭いフィラーを選択すると、ギャップ内にフィラー金属が「活発に」流れます。より広いクリアランスを持つ接合部をろう付けする場合は、より広いろう付け範囲を持つフィラーを選択する可能性があり、その結果、ギャップを適切に埋めることができる「緩慢な」流れが生じます。そしてもちろん、フィラーに使用される合金に関連する危険性を常に認識していなければなりません。たとえば、カドミウムガスは有毒であるため、カドミウムフィラーを使用したろう付けは、適切な換気をしながら行う必要があります。

最後に、金属加工者はプロジェクトに適した充填材の形状を選択する必要があります。これの一部は、フィラーの適用方法によって異なります。場合によっては、加熱する前に接合部に充填材を入れることもあります。また、加熱中にフィラーを手動で供給する場合もあります。いずれにせよ、彼には幅広い選択肢があります:

• 粉末 — フィラーは乾燥した球状粒子の形をしています。各粒子には、合金を構成する元素が適切な割合で含まれています。
• ペースト — ペーストは合金粉末と中性バインダーを組み合わせて、接合部に押し出すことができるフィラーを作成します。結合剤は水または有機化合物であり、ろう付け接合部の乾燥時間に影響を与える可能性があります。
• テープ — メーカーはバインダーを使用してろう付け金属の薄いリボンを粘着性の裏紙に貼り付け、丸めて出荷できます。多くの場合、寸法 (幅と厚さ) が金属加工者の正確な仕様に適合するようにテープを切断します。
• フォイル — ろう付けフォイルは、薄いですが純粋な金属合金のシートです。断片や形状に切断し、積み重ねて、さまざまな厚さのフィラーを製造できます。
• ロッド — ろう付けロッドの直径は 0.3125 ～ 0.375 インチ (0.7938 ～ 0.9525 センチメートル) の範囲です。ホイルと同様に、ロッドには合金を構成する元素のみが含まれており、結合剤は追加されていません。

ろう付け用熱源

工業用金属加工品について考えるとき、おそらくトーチ、フルフェイス バイザー、そして地面に降り注ぐ火花を想像するでしょう。これは、アセチレン トーチを使用して 2 つの金属を融合するのに必要な熱を生成するガス溶接のかなり正確な画像です。多くの場合、炎をより激しくするために純酸素がガスに混合されます。これらのオキシアセチレン トーチは、空気とガスの混合物から生じる炎のほぼ 2 倍の高温の炎を生成できます。

ろう付けは溶接よりも低い温度で行うことができますが、オプションとしてガス トーチがなくなるわけではありません。実際、トーチろう付けは、銅または銀のろう材を使用してチューブをフィッティングに接合するなど、特定の用途では依然として一般的です。ガスにはアセチレン、水素、またはプロパンが含まれており、金属加工業者はプロジェクトに適した熱源を選択する際にある程度の注意を払う必要があります。

たとえば、配管工が 2 つの銅管を接合したいとします。彼は、銅が華氏 700 度 (摂氏 371 度) で焼きなましまたは軟化し始めること、および焼きなましによって金属が弱くなる可能性があることを知っていたでしょう。これらすべてが興味深いジレンマを生み出します。定義上、ろう付けは華氏 840 度まで行われないため、配管工は作業に最適なトーチを選択する際に、接合部の強度とアセンブリ全体の強度という 2 つの重要な要素のバランスをとらなければならないことは明らかです。オキシアセチレンの炎は華氏 6,330 度 (摂氏 3,499 度) で燃焼します。これは、銅をより高度に焼きなますことを意味します。空気と混合したプロパン炎はわずか 3,630 度 (摂氏 1,999 度) で燃焼するため、この用途には最適です。

幸いなことに、トーチろう付けが唯一の選択肢ではありません。コイルに電気を流すことで熱を発生させる誘導ろう付けは、金属を確実に接合するもう 1 つの方法です。この技術を使用して、金属加工者は一連の誘導コイルの間にアセンブリを保持し、高周波電流を流し始めます。コイルに電流が流れると電気抵抗により発熱し、金属部品やろう材の温度が急激に上昇します。フィラーが溶けたら、電流を止めてアセンブリ全体を冷却します。高品質の誘導システムは、狭い製造公差内で非常に小さな領域を加熱できます。また、熱を正確に制御できるため、このプロセスによってろう付けされる母材の特性が変化することはありません。

アセンブリ全体の加熱が許容される限り、炉は最終的なオプションを提供します。この場合、加熱プロセスの前にフィラーメタルを適用する必要があります。次に、コンベアベルトが部品を炉に運び、そこでろう付けが行われ、冷却のために反対側から出ます。標準的な炉では銀および銅ベースのフィラーが最も一般的に使用されますが、加熱環境から酸素を排出できる真空炉はプロセスの柔軟性を拡張し、高温で酸化されやすい合金のろう付けを可能にします。気温。炉は、連続運転で複数の部品が予熱、加熱、冷却の段階を通過できるため、自動化にも適しています。

ろう付け手順

ろう付けされた接合部は信じられないほど強力です。ほとんどの場合、接合される金属よりも強いのですが、これは金属加工者が適切なろう付け手順に従っている場合に限られます。溶接工と同様、ろう付け技術を実践する職人は、認定プログラムのトレーニングを受けることがよくあります。これらのプログラムは、参加者がろう付けの品質に影響を与える変数と、コストとパフォーマンスに基づいて解決策を評価する方法を理解するのに役立ちます。

ほぼすべてのコースでは、「ろう付けの 6 つの基本」、つまり正しく従えば高品質の接合を一貫して製造できる 6 つの重要な手順を取り上げています。ここでこれらの手順を見直して、金属加工者がろう付け接合をどのように実行するかを見てみましょう。

1. 素晴らしいフィット感: 前に説明したように、ろう付けは毛細管現象に依存しており、接合する金属間のスペースが特定の範囲 (0.001 ～ 0.005 インチ (0.0025 ～ 0.0127 センチメートル)) にある場合に毛細管現象が最もよく機能します 。金属労働者は、工場に入る前に、エンジニアリング仕様を作成するために時間を費やす必要があります。彼女はプロジェクトの構造要件を理解し、最終アセンブリが適切に機能することを確認するためにジョイントを設計する必要があります。彼女は、ラップ ジョイント(2 つの金属片が重なる場合)、バット ジョイント(2 つの金属片が端と端で嵌合する場合)、またはティー ジョイント(2 つの金属片が直角に接続される場合) を選択できます。次に、使用されている金属の特性を考慮する必要があります。すべての金属は加熱すると膨張するため、ろう付け手順ではこれを考慮する必要があります。そうしないと、ジョイントがきつすぎたり幅が広すぎたりして、結果として必要以上に弱くなる可能性があります。
2. 白紙の状態: ジョイント内の汚染物質は良好な毛細管現象を妨げる可能性があります。たとえば、熱によりオイルやグリースが炭化し、フィラー メタルの流れを妨げる膜が形成される可能性があります。これを避けるためには、表面にほこり、グリース、油、錆などが付着していない必要があります。スチールブラシは汚れや酸化汚染物質を取り除くことができ、溶剤は油を溶かすことができます。
3. 炎の前のフラックス: 金属表面を加熱すると、金属原子が酸素と結合する化学反応が始まります。これにより酸化物が生成され、溶加材が接合面を濡らすのを妨げる可能性があります。特定の化学物質のコーティングを適用すると、酸化プロセスをブロックまたは中和することができます。これらの化学物質はフラックスとして知られており、ろう付け条件に応じて化学組成が変化します。多くのフラックスはペースト状で提供され、刷毛または浸漬によって手動で塗布できます。自動化された生産環境では、スプレーガンを使用して乾燥フラックスパウダーを表面に塗布することがあります。
4. クランプとサポート: 2 つの金属片を接合する場合は、ろう付けプロセスが完了するまで位置合わせを維持する必要があります。ほとんどのプロジェクトでは、重力によって、ろう付け接合部が冷えるまで部品を保持するのに十分な力が得られます。それ以外の場合は、クランプやバイスが役立つ場合があります。複雑なアセンブリにはサポート固定具が必要になる場合があります。サポート固定具は、ろう付けが完了するまで複数の金属片を正確な構成で支持する装置です。金属加工業者は通常、ステンレス鋼またはセラミック製の治具を探します。これは、熱伝導率が低く、卑金属から熱をあまり奪えないためです。
5. 燃え尽きろ！ジョイントにフラックスを塗布し、ピースをクランプした後、加熱します。ろう付けでは、金属加工者はフィラーに直接熱を加えません。代わりに、ベース金属の温度をフィラーの融点に達するまで上昇させます。小さい場合はアセンブリ全体を加熱できます。大きい場合は、接合部の周囲の金属の広範囲を加熱することができます。均一な加熱が重要であるため、金属加工者は部品の基本構造を認識しておく必要があります。たとえば、金属の厚い部分は薄い部分よりも多くの加熱を必要とします。同様に、熱伝導率が異なる金属は異なる速度で温める必要があります。アセンブリがろう付け温度に達したら、金属加工者は熱源を取り外し、フィラーを導入します。最も基本的なテクニックでは、ロッドまたはワイヤーを関節表面に接触させる必要があります。高熱により棒が溶け、毛細管現象により溶けた金属が母材間の隙間に引き込まれます。液化した充填剤が接合部に流れ込まずに金属表面を流れる可能性があるため、接合部からあまり離れたところに充填剤を塗布しないように注意する必要があります。
6. 白紙の状態、パート 2 : アセンブリの温度が下がると、フィラー メタルが固まり、個々の部品が固定されます。最後のステップはフラックス材料を除去することです。フラックス材料を除去しないと、接合部が腐食して弱くなる可能性があります。一般的な手法では、構造全体を熱湯浴に浸します。これにより、加熱プロセス後にガラス状になったフラックス材料に亀裂が入ったり、剥離したりすることがあります。接合部をブラシやスチールウールでこすると、金属表面に付着したフラックスを取り除くことができます。

1965 年、エンジニアのゴードン ムーアは、マイクロプロセッサの前身である集積回路上のトランジスタの数が約 2 年ごとに 2 倍になるだろうと予測しました。今日、私たちはこの予測をムーアの法則と呼んでいますが、実際にはまったく科学的な法則ではありません。ムーアの法則は、コンピューター業界に関する自己成就的予言のようなものです。マイクロプロセッサのメーカーは、予測を達成しようと努めています。そうしないと、競合他社が現れるからです。。

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チップ上により多くのトランジスタを搭載するには、エンジニアはより小さなトランジスタを設計する必要があります。最初のチップには約 2,200 個のトランジスタが搭載されていました。現在、単一のマイクロプロセッサ チップ上に数億個のトランジスタを搭載できるようになりました。それでもなお、企業はより小型のチップにさらに多くのトランジスタを詰め込んで、ますます小型のトランジスタを開発しようと決意している。ナノスケールのトランジスタを備えたコンピュータチップはすでに存在しています (ナノスケールは 1 ～ 100 ナノメートルで、1 ナノメートルは 10 億分の 1 メートルです)。将来のトランジスタはさらに小さくする必要があるでしょう。

驚くべき長さ対幅の比を持つ構造であるナノワイヤーの登場です。ナノワイヤは信じられないほど細い場合があります。エンジニアや科学者は幅 30 ～ 60 ナノメートルのナノワイヤを扱う傾向がありますが、直径わずか 1 ナノメートルのナノワイヤを作成することも可能です。科学者たちは、ナノワイヤを使用してこれまでで最も小さなトランジスタをすぐに作成できるようになることを期待していますが、その道にはいくつかのかなり困難な障害があります。

この記事では、ナノワイヤーの特性について見ていきます。エンジニアがナノワイヤをどのように構築するか、そしてナノワイヤ トランジスタを使用して電子チップの作成に向けた進捗状況を学びます。最後のセクションでは、医療用途など、ナノワイヤーの潜在的な用途のいくつかを見ていきます。

次のセクションでは、ナノワイヤの特性を調べます。

ナノワイヤーの特性

ナノワイヤーは、その原料に応じて、絶縁体、半導体、または金属の特性を持つことができます。絶縁体は電荷を運びませんが、金属はよく電荷を運びます。半導体はこの 2 つの中間に位置し、適切な条件下では電荷を運びます。半導体ワイヤを適切な構成に配置することで、エンジニアはスイッチまたはアンプとして機能するトランジスタを作成できます。

ナノワイヤが持ついくつかの興味深い、そして直感に反する特性は、そのスケールが小さいことに起因します。ナノスケール以下の物体を扱うとき、量子力学の領域に入り始めます。量子力学は、その分野の専門家にとっても混乱を招く可能性があり、多くの場合、古典物理学 (ニュートン物理学としても知られています) に反するものです。

たとえば、通常、電子は絶縁体を通過できません。ただし、絶縁体が十分に薄い場合、電子は絶縁体の一方の側からもう一方の側に通過できます。これは電子トンネリングと呼ばれていますが、その名前からはこのプロセスがどれほど奇妙なものであるかはわかりません。電子は、実際に絶縁体自体を貫通したり、絶縁体の内部の空間を占有したりすることなく、絶縁体の一方の側からもう一方の側に移動します。それは一方の側からもう一方の側にテレポートすると言うかもしれません。電子は非常に短い距離しか移動できないため、より厚い絶縁層を使用することで電子のトンネリングを防ぐことができます。

もう 1 つの興味深い特性は、一部のナノワイヤが弾道導体であることです。常電導体では、電子は導体材料内の原子と衝突します。これにより、電子の移動速度が低下し、副産物として熱が発生します。弾道導体では、電子は衝突することなく導体中を移動できます。ナノワイヤーは、副産物として激しい熱を発生させることなく、効率的に電気を伝導することができます。

ナノスケールでは、元素は私たちが期待するものとは大きく異なる特性を示す可能性があります。たとえば、金の融点はバルクで摂氏 1,000 度を超えます。バルクの金をナノ粒子のサイズに縮小すると、その融点が下がります。粒子をナノスケールに縮小すると、表面積と体積の比率が大幅に増加するためです。また、金はナノスケールでは半導体のように動作しますが、バルクの状態では導体です。

他の元素も同様にナノスケールで奇妙な動作をします。アルミニウムはバルクでは磁性を持ちませんが、アルミニウム原子の非常に小さなクラスターは磁性を持ちます。私たちが日常の経験でよく知っている元素の特性、およびそれらがどのように動作すると予想されるかは、これらの元素をナノメートルのサイズまで縮小すると当てはまらない可能性があります。

私たちはナノスケールでのさまざまな元素のさまざまな特性についてまだ学習中です。シリコンなどの一部の元素は、ナノスケール レベルではあまり変化しません。このため、トランジスタやその他のアプリケーションに最適です。他のものはまだ謎に包まれており、現時点では予測できない特性を示す可能性があります。

次のセクションでは、エンジニアがナノワイヤをどのように作成するかを見ていきます。

トップダウンでナノワイヤーを構築

ナノサイエンスの専門家は、ナノスケールで物を構築するための 2 つの異なるアプローチ、つまりトップダウン アプローチとボトムアップ アプローチについて話します。トップダウンのアプローチとは、基本的に、ナノワイヤーに使用する予定の材料を大量に取り出し、適切なサイズになるまで削り取ることを意味します。ボトムアップ アプローチは、小さな粒子が結合して大きな構造を形成する集合プロセスです。

どちらのアプローチを使用してもナノワイヤを構築できますが、大量生産を可能にする方法は誰も発見していません。現時点では、科学者や技術者は、マイクロプロセッサチップに必要な数のナノワイヤを作成するのに多くの時間を費やす必要があります。さらに大きな課題は、ナノワイヤが構築された後にそれを適切に配置する方法を見つけることです。スケールが小さいため、トランジスタを自動的に構築するのは非常に困難です。現在、エンジニアは通常、強力な顕微鏡ですべてを観察しながら、ツールを使用してワイヤを所定の位置に操作します。

トップダウンアプローチの一例は、科学者が光ファイバーナノワイヤーを製造する方法です。光ファイバー ワイヤーは、情報を光の形で運びます。光ファイバーナノワイヤーを作成するには、エンジニアはまず通常の光ファイバーケーブルから始めます。光ファイバーケーブルをナノスケールまで縮小するには、いくつかの異なるアプローチがあります。科学者は、サファイアで作られたロッドを加熱し、ケーブルをロッドに巻き付け、ケーブルを引っ張って薄く伸ばし、ナノワイヤを作成することができます。別の方法では、サファイアの小さな円筒から作られた小さな炉を使用します。科学者は光ファイバーケーブルを炉内に引き込み、細いナノワイヤーに引き伸ばします。フレームブラッシングと呼ばれる 3 番目の手順では、科学者が光ファイバー ケーブルを引き伸ばしながら、光ファイバー ケーブルの下で炎を使用します 。

次のセクションでは、科学者がナノワイヤーをボトムアップで成長させる方法を見ていきます。

ナノワイヤーの成長

化学蒸着(CVD) はボトムアップ アプローチの一例です。一般に、CVD は、気相から固体が形成される一連のプロセスを指します。科学者は、基板と呼ばれる基盤上に触媒(金ナノ粒子など) を堆積します。触媒は、ナノワイヤ形成のための誘引サイトとして機能します。科学者は、シリコンなどの適切な元素を含むガスが入ったチャンバーに基板を置き、ガス中の原子がすべての作業を行います。まず、ガス内の原子が触媒内の原子に結合し、次に追加のガス原子がそれらの原子に結合し、というように連鎖またはワイヤーが形成されます。言い換えれば、ナノワイヤは自ら集合する。

ナノワイヤを構築する新しい方法は、ナノワイヤを適切な基板に直接印刷することです。チューリッヒの研究者チームがこの方法を開発しました。まず、シリコンウェーハを彫刻して、ウェーハ上の隆起部分がナノワイヤの配置方法と一致するようにしました。彼らはウエハーをスタンプのように使用し、 PDMSと呼ばれる合成ゴムに押し付けました。次に、コロイド懸濁液と呼ばれる、金ナノ粒子が充填された液体をPDMS全体に引き込みました。金粒子は、シリコンウェーハスタンプによって形成されたチャネルに沈降しました。 PDMS は、金ナノワイヤの「プリント」を別の表面に転写できる型になりました。 PDMS モールドは繰り返し使用でき、将来的にはナノワイヤ回路の大量生産に役割を果たす可能性があります 。

いくつかの研究室がナノワイヤを使用してトランジスタを作成しましたが、その作成には多くの時間と人手が必要です。ナノワイヤ トランジスタは、現在のトランジスタと同等かそれ以上の性能を発揮します。科学者がナノワイヤ トランジスタを効率的に製造して接続する方法を設計する方法を見つけることができれば、より小型で高速なマイクロプロセッサへの道が開かれ、コンピュータ業界がムーアの法則に従うことが可能になります。コンピューターのチップは今後も小型化、高性能化が進むでしょう。

ナノワイヤ製造の研究は世界中で続いています。多くの科学者は、ナノワイヤとナノワイヤ トランジスタを大量生産する実行可能な方法を誰かが思いつくのは時間の問題だと考えています。願わくば、その時点に到達したら、ナノワイヤーを希望どおりに配置して、ナノワイヤーの可能性を最大限に活用できるようにする方法も得られることを願っています。

次のセクションでは、ナノワイヤ技術の潜在的な応用について学びます。

ナノワイヤーの応用

おそらくナノワイヤの最も明白な用途はエレクトロニクス分野でしょう。一部のナノワイヤは非常に優れた導体または半導体であり、その極小サイズは、メーカーが単一のマイクロプロセッサにさらに数百万個のトランジスタを搭載できることを意味します。その結果、コンピュータの速度は劇的に向上します。

ナノワイヤは量子コンピュータの分野で重要な役割を果たす可能性があります。オランダの研究チームはインジウムヒ素からナノワイヤーを作成し、それをアルミニウム電極に取り付けました。絶対零度に近い温度では、アルミニウムは超伝導体になり、抵抗なしで電気を通すことができます。ナノワイヤも近接効果により超伝導体になります。研究者らは、ナノワイヤーの下の基板にさまざまな電圧を流すことで、ナノワイヤーの超伝導性を制御することができた。

ナノワイヤは、ナノロボットなどのナノサイズのデバイスでも重要な役割を果たす可能性があります。医師はナノロボットをがんなどの病気の治療に使用できるかもしれません。一部のナノロボット設計にはオンボード電源システムがあり、電力を生成および伝導するためにナノワイヤのような構造が必要になります。

ナノ科学者は、圧電材料を使用して、運動エネルギーから電気を生成するナノワイヤーを作成することができます。圧電効果は、特定の材料が示す現象です。圧電材料に物理的な力を加えると、電荷が放出されます。これと同じ物質に電荷を加えると、振動します。圧電ナノワイヤは将来、ナノサイズのシステムに電力を供給する可能性がありますが、現時点では実用化されていません。

エレクトロニクス分野では、他にも何百もの潜在的なナノワイヤ応用が存在します。日本の研究者は、いつか電子機器の半導体スイッチに置き換わる可能性のある原子スイッチの研究に取り組んでいます。国立再生可能エネルギー研究所の科学者らは、同軸ナノワイヤが太陽電池のエネルギー効率を向上させることを期待している。私たちはナノワイヤやその他のナノスケール構造の特性についてまだ学習中であるため、まだ検討すらしていない何千もの応用例が存在する可能性があります。

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蒸気の驚異的な力を目撃するには、間欠泉の噴出や、溶岩が海に達するときに起こるガスの爆発以外に見る必要はありません。初期の人類はそのような光景を目の当たりにし、基本的なやかんから蒸気機関車、そして現代の原子力発電所に至るまでの技術を通じて、蒸気の生の力を制御することを長い間模索してきました。

関連する技術のレベルに関係なく、蒸気動力は 1 つの基本原理に帰着します。水が蒸発する点まで加熱されると、蒸発した水は液体の水よりも多くのスペースを占有します。これは、固体、液体、気体がそれぞれ異なるレベルの分子力によって結合されているためです。固体では分子はコンパクトです。液体中ではさらに離れます。そして、蒸気のような気体では、両者はさらに離れます。

スープの缶を火で加熱すると、内容物の液体が蒸発し、最終的には缶が爆発して内部の圧力が解放されるまで膨張します。この圧力を使用して特定のタスク (タービンを回す、やかんを鳴らすなど) を実行する場合、蒸気技術は蒸気の力を利用します。蒸気の加熱、封じ込め、導入、使用の方法は変わりましたが、基本原理は同じままです。

蒸気の力を活用する方法を学ぶには長いプロセスがかかりました。ギリシャの数学者ヘロは、1 世紀後半に蒸気技術の使用を理論化しました。しかし、蒸気機関車の発明の先駆けとなる最初の実用的な蒸気エンジンが誕生するまでには、1,600 年以上かかりました。蒸気エンジンを動力源とするこれらの機関車は、蒸気のエネルギーを利用して長距離を列車を推進しました。

初期の蒸気の歴史

蒸気技術に関する最も古い記録は、西暦 75 年のアレクサンドリアにまで遡ります。「ヒーロー」または「サギ」としても知られる数学者のヒーローは、力学と空気の性質に関する 3 冊の本を書き、単純な蒸気エンジンの計画を提示しました。

ヒーローのデザインでは、曲がったチューブが両側から現れる中空の球体が必要でした。次に、この機構に水を満たし、火の上に取り付けました。熱により球体の内部の水が蒸発すると、蒸気が 2 つのチューブから強制的に排出されました。この蒸気による推進力により、ボトルロケットによって回転する車輪のように、球体が回転しました。

蒸気の力を運動に変換するヒーローの方法は、後の蒸気技術の基礎となりました。しかし、彼の蒸気タービンの背後にある概念が実用化されるまでには、多くの科学的進歩が必要でした。レオナルド・ダ・ヴィンチのような人々は蒸気動力のアイデアを試しましたが (発明者は 1495 年に蒸気動力で発射体を発射できると示唆しました)、工学の進歩と温度と時間のより正確な測定は、来たるべき蒸気の時代への道を切り開くのに役立ちました。

1606 年、ナポリのジョヴァンニ バッティスタ デッラ ポルタは、真空を作り出す際の蒸気の役割についての理論を記録しました。彼は、密閉された容器内で水が蒸気に変化すると圧力が上昇し、密閉された室内では蒸気が水に凝縮して圧力が低下するという理論を立てました。蒸気に対するこの新しい理解は、将来の開発において重要な役割を果たしました。

1679 年、フランスの科学者で数学教授のドニ・パパンは、驚くべき国内プロジェクト「骨を柔らかくする消化器またはエンジン」を通じて、デラ・ポルタの理論を現実にすることに成功しました。密閉調理鍋は本質的に最初の圧力鍋でした。パパンは、水で満たされた閉じたシリンダーの上部にスライドピストンを追加することで、この装置を拡張しました。加熱されると、膨張した蒸気がピストンを押し上げます。蒸気が冷えて再び液体になると、結果として生じる真空がピストンを押し下げます。

最初の蒸気エンジン

17 世紀後半、イギリスは造船と薪が森林を消費し、木材危機に直面しました。船は貿易と防衛に必要でしたが、石炭は薪の代替品として適していました。しかし、より多くの石炭を生産するには、より深く炭鉱を掘る必要があり、炭鉱に水が浸透する可能性が高くなります。突然、鉱山から水を汲み出す新しい方法の緊急の必要性が生じました。

1698 年、軍事技術者トーマス セイヴァリーは蒸気ポンプの特許を取得し、耳を傾けてくれる人に向けて「鉱山労働者の友人」を売り込み始めました。この装置は、蒸気を第 2 の容器に導く沸騰室で構成されており、そこから逆止弁を備えたパイプが除去する必要のある水の中に下降していました。蒸気の入った容器に冷水を注ぎ、内部の水蒸気が液体状態に冷却されると、結果として生じる真空が下から水を吸い上げました。吸い上げられた水は逆止弁を通って逆流できず、別のパイプから排水された。

Savery にとって残念なことに、蒸気ポンプは鉱山業界で彼が期待していたほどの成功を収めることができませんでした。彼の売り上げのほとんどは、余剰水を排水して家庭や庭のニーズに再利用したいと考えていた私有地向けに行われました。蒸気室の加熱と冷却は手動で管理する必要があるため、エンジンはやや実用的ではありませんでした。また、エンジンは限られた深さからしか水を汲み上げることができません。深い鉱山では、さまざまなレベルに設置された一連のエンジンが必要でした。

しかし、1712 年に、鍛冶屋のトーマス ニューコメンと、ガラス吹き職人であり配管工であった助手のジョン キャリーが、より効果的な蒸気動力のポンプ システムを作成しました。ニューコメン エンジンは、セイヴェリーのボイラーと蒸気シリンダーの分離とパパンの蒸気駆動ピストンを組み合わせたものです。

セイヴェリーは従来の馬駆動ポンプをエンジンに置き換えようとしたが、ニューコメンは馬の仕事に蒸気駆動ポンプを使用しようと考えた。 Newcomen のエンジンは Savery のエンジンと似ていました。これには、蒸気で満たされたチャンバーが含まれており、冷水を素早く注入して冷却し、真空を引き起こす大気圧の変化を引き起こしました。

しかし今回は、真空の力によってピストンが引き下げられ、チェーンが引っ張られて、吊り下げられた梁のもう一方の端にあるポンプが作動しました。ピストンシリンダー内の水が再び蒸気に変わると、ピストンが押し上げられ、ビームの反対側にある重りがポンプをリセットしました。

ワットと蒸気機関

Newcomen Engine と Savery の “Miner’s Friend” は確かに蒸気技術を採用していましたが、蒸気エンジンは一般に、ジェームズ ワットという 1 人の人物の作品であると信じられています。

ロンドンで楽器製作者として訓練を受けたワットは、最終的にスコットランドのグラスゴー大学の近くで職を見つけました。大学のニューコメン エンジンの 1 つが修理が必要になったとき、ワットは蒸気技術の内部構造に深く関わっていることに気づきました。ワットはすぐに基本的な設計上の欠陥に気づきました。ピストン シリンダー内で加熱と冷却の両方が行われることで、時間、蒸気、燃料が無駄になったのです。

ワットは別個のコンデンサーを作成することで問題を解決しました。彼はシリンダーとは別にチャンバーを追加し（これも断熱しました）、そこで蒸気を冷却して必要な真空を作り出します。この分離により、ピストンシリンダーと内部の水を加熱するエネルギーを無駄にすることなく、ピストンシリンダーを入ってくる蒸気と同じ温度に保つことができました。さらに、別個の凝縮器をはるかに低い温度に保つことができ、冷却の必要性も少なくなります。

マシュー・ボールトンと提携した後、ワットは別個のコンデンサーを使用して、より高速で燃料効率の高いエンジンを製造しました。成功したエンジンの新たな用途を見つけようとする二人の試みは、複動エンジンとフライボールガバナーという 2 つのさらに重要な発明につながりました。

フライボールガバナは、ピストンへの蒸気バルブを自動開閉する方法を開発しました。太陽歯車と遊星歯車は車輪駆動シャフトに固定されていました。蒸気の力でロッドが回転すると、2 つのボールがシャフトから外側に回転しました。それらが最高点に達すると、蒸気バルブが閉じられました。回転が遅くなると、ロッドに向かって回転して戻り、バルブが再び開きました。これにより、蒸気エンジンの動きが前後の往復運動から車輪の操作に必要な円運動に変わりました。

複動エンジンは、以前はアイドル状態だった蒸気の力を利用してピストンを押し下げることで、蒸気エンジンの効率を向上させました。

コーニッシュエンジン

ジェームズワットの蒸気エンジンとその他の技術革新は、18 世紀後半の繊維産業に始まる産業革命の舞台を整えました。人々は長い間羊毛を手作業で加工してきましたが、その後は水車の助けを借りて加工するようになりました。しかし、すぐに多くの新しい発明により、蒸気を動力とする工場が登場しました。

ボールトンとワットのエンジンは信じられないほど成功しましたが、他の発明者たちは依然として技術の改良に熱心でした。しかし、ボールトンとワットは、自社のエンジンが厳格な特許によって保護されていたため、蒸気エンジン事業の独占権を掌握しました。

鉱山会社は特許使用料に多額の費用がかかります。発明家リチャード・トレビシックは故郷コーンウォールの鉱山の窮状に気づき、ボールトンとワットの特許技術を回避するエンジンの開発に着手しました。トレビシックは、高圧蒸気を使用することで、ワットの別個の凝縮器を廃止したエンジンを作成できると信じていました。

高圧蒸気の使用は理論化されていましたが、うまく実行されていませんでした。 18 世紀のボイラーは長期間の高圧に耐えることができませんでした。しかし、19 世紀初頭、皮肉なことに、ちょうどワットの特許が期限切れになっていたとき、トレビシックは、現代のボイラーがより高い圧力に耐えられるようになったということを発見しました。同時に、アメリカの発明家オリバー・エヴァンスも同様の成果を経験しました。

トレビシックの新しいコーニッシュ エンジンは、ボールトンとワットのエンジンよりも安く、軽く、小型でした。アーサー・ウルフは 1804 年に高圧蒸気の使用をさらに改善しました。ロンドンのビール醸造技術者は、コンパウンディングというアイデアを実現しました。これは、1 つのピストンからの過剰な蒸気が 2 番目のピストン、次に 3 番目のピストンを噴射する方法です。この方法により、熱損失が少なくなります。

蒸気機関車

1600 年代後半に最初の蒸気ポンプが微調整されたときも、発明家たちは蒸気動力の自動車の設計に取り組んでいました。フェルディナンド・ヴェルビエストが 1672 年に実用的な蒸気自動車を作成したと信じている人もいますが、より多くの証拠は、フランスの発明家ニコラ・ジョゼフ・キュニョーが 1769 年に最初の蒸気自動車を製造したことを示唆しています。最も成功したのは、レールに取り付けられた蒸気機関車の形でした。

コーニッシュ エンジンの開発者であるリチャード トレビシックも、蒸気機関車の開発における重要な人物でした。 1770 年代にはイギリスのさまざまな工業地帯に鉄道の線路がすでに存在していたことに注意することが重要です。馬が石炭を積んだ荷車を引くために、路面電車と呼ばれる鉄で補強された木製のレールが建設されました。 1804 年、トレビシックは 10 トンの鉄を 16 マイル運ぶことができる蒸気動力のエンジンを発表しました。 1808 年、トレビシックのポータブル蒸気エンジンがロンドン中心部の円形軌道上に展示されました。

最古の機関車

もう一人のイギリス人エンジニア、ジョージ・スティーブンソンは、20年後にトレビシックが中断したところから仕事を引き継ぎました。スティーブンソンは、石炭を輸送するための効率を高める蒸気エンジンの開発に取り組んだ結果、ダラム炭田とストックトンの積出港の間に鉄道を建設するという決定につながりました。スティーブンソン氏は、この計画ではエンジンによる乗客の輸送も許可すると提案した。 1825 年、スティーブンソンは貨物と推定 600 人の乗客を運ぶロコモーション 1 号の最初の旅行を実施しました。

ロバート・スティーブンソンもこの時代で重要な役割を果たしました。彼はロケット機関車の建設に協力し、1829 年に蒸気機関車の公共交通機関の実現可能性を証明して賞を受賞しました。

これも注目すべき初期の機関車です。米国では、1830 年にピーター クーパーによって製造されたこの列車が、最初に成功した蒸気機関車となりました。トム・サムは、そのコンパクトなサイズからそのように名付けられ、小型の垂直ボイラーと単気筒エンジンを搭載し、ボルチモア・オハイオ鉄道でデビューしました。

その直後、マティアス ボールドウィンによってフィラデルフィアに設立された が、アメリカの機関車製造における有力な勢力として台頭しました。ボールドウィン機関車は米国の鉄道発展の代名詞となり、全米の鉄道網の拡大に重要な役割を果たしました。

蒸気機関車の部品と運転

蒸気機関車は、通常は石炭や木材などの燃料を燃焼させて発電します。初期の機関車は、水を加熱するための高温ガスを運ぶ管のネットワークを特徴とする火管ボイラーを使用していました。バルブギアは、シリンダーへの蒸気の流入と放出を制御します。

この高圧蒸気がシリンダー内に送られると、ピストンを押して機械的な動きを引き起こします。蒸気が膨張して仕事をするにつれて、圧力とエネルギーが失われます。ボイラー圧力は蒸気機関車の性能と効率に直接影響します。

蒸気はシリンダー内で仕事を終えた後、排気蒸気としてシリンダーから機関車の煙突または煙突に排出または放出されます。排気蒸気は蒸気エンジンからエネルギーと廃熱を奪い、大気中に放出します。

排気蒸気の排出は、機関車シリンダー内の圧力バランスを維持するのに役立ち、蒸気の生成、膨張、排気の連続サイクルを可能にします。

蒸気機関車と第二次世界大戦

蒸気機関車は第二次世界大戦中に重要な役割を果たしました。これらは、兵士や軍事装備をさまざまな場所に輸送するために、また兵士に食料、弾薬、燃料、原材料を届けるための主要な供給ラインとして使用されました。戦時中はライフラインでしたが、蒸気機関車からディーゼル機関車への転換も遅れました。

テクノロジーの進歩

その後 100 年間、蒸気自動車の開発は単なる科学的好奇心のままでしたが、蒸気機関車が普及しました。エンジンは蒸気駆動のピストンによって回転する車輪システムで作動しました。エンジニアは、蒸気圧力を高め、配合を適用し、ホイールを追加することにより、システムの改善に継続的に取り組みました。

鉄道は産業革命の重要な部分であることが判明し、陸地を越えて貨物を輸送する方法を変え、遠く離れた住民を結び付けました。 20 世紀にディーゼル エンジンと電力が最前線に登場するまでは、蒸気が鉄道に動力を供給していました。

蒸気パワーの危険性

蒸気エンジンの高圧と高温を考慮すると、この技術の開発中に爆発事故が頻繁に発生したことは驚くべきことではありません。このため、単純な圧力鍋から発電所に至るまで、ボイラーには何らかの安全弁が装備されています。

ボイラー内の圧力が高くなりすぎると、爆発を防ぐために余分な蒸気がバルブから放出されます。これらの装置は通常、重りまたはバネの力で作動し、バルブを開くには設定レベルの圧力が必要です。しかし、それでも事故は起きます。

安全弁の意図的または偶発的な停止による爆発は、19 世紀にはかなり頻繁に発生しました。このような事件による悪い報道は、当時の蒸気機関の開拓者や発明家にとって障害となっていました。

20 世紀で最も注目すべき蒸気関連の事故の 1 つは、スリーマイル島原子力発電所で発生しました。事故は蒸気発生器に冷水を供給するポンプが停止し、蒸気圧力が上昇したことで始まった。これによりプラントの放出弁が作動したが、弁が閉まらず炉心自体が過熱した。

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小さな炎がわずか数秒で激しい住宅火災に変わる可能性があります。これは主に、家具や壁紙に含まれる可燃性の合成素材が原因です。

アンダーライターズ・ラボラトリーズ（UL）の消費者安全担当ディレクター、ジョン・ドレンゲンバーグ氏は、「現在、家の中に合成素材が普及しているため、居住者が外に出るまでにかかる時間はおよそ2～3分となっている」と述べた。

しかし今回、中国の研究者らは、燃えず、一定の温度閾値に達すると警報を発する、毒性のない新しい「スマート」壁紙を開発した。この研究は、中国科学院上海陶磁器研究所の Ying-Jie Zhu 氏が主導し、ACS Nano の 2018 年 3 月 13 日号で発表されました。

研究者らは、プリンター用紙ほどの厚さのナノワイヤーのメッシュを構築した後、耐火性を高めるためにガラス繊維を追加し、その織った材料を製紙機に通して滑らかで柔軟な壁紙を作成しました。

次に、ナノワイヤ繊維は、インクとして作られ、壁紙の裏側に印刷された酸化グラフェンと水の混合物に結合されます。酸化グラフェンは、壁紙の熱を感知する能力の鍵となります。温度が華氏 264 度 (摂氏 129 度) を超えると、酸化グラフェンが電気を通し始め、接続された火災警報器や警告灯に信号を送ることができるようになります。

耐火性インクが警報を鳴らすのに十分な高熱に耐えられるようにするために、ポリドーパミンと呼ばれる保護化学物質でコーティングされています。このコーティングにより、インクは火災に耐えて分解するまで最大 5 分間耐えることができます。

この新しい種類のナノ注入壁紙は、植物繊維由来の可燃性の天然素材であるセルロースで作られた通常の壁紙に取って代わる日が来るかもしれません。しかし、批評家らは、紙の製造費は安くはなく、研究者は消費者にとって魅力的なコストで材料を生産する方法を決定する必要があると述べている。耐火性壁紙の開発中に、Zhu 氏のチームは 1 つの壁 (約 54 平方フィート、つまり 5 平方メートル) を覆うのに十分なナノ材料を作成しました。スマート壁紙がいつ市場に投入されるかについてはまだ発表されていないが、その利点は「人命を救い、火災による財産の損失を軽減する」可能性がある、と Zhu 氏は言う。