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材料工学

材料工学

現代社会が求める新機能をもつ材料を開発

「そのままでは有効活用が難しい」とされている物質でも、加工することによって利用価値の高い「材料」にできます。このように、新たな材料を生み出すことや、それらを活用するための技術を開発・研究する学問が材料工学です。まず、化学、物理、数学といった科目と、材料工学の基礎を学びます。ここで物質の特性をしっかりと理解し、次のステップとして、現在使われている材料について、実験も交えて身につけていきます。金属、無機、有機材料について横断的に学ぶことで理解を深め、専門的な学びや研究へと進んでいきます。卒業後の進路としては、材料系をはじめとするメーカーが挙げられます。また、大学院に進学して研究をつづける人も多いようです。

材料工学の学び方

自然界の物質を加工し、新たな材料を生み出す
天然資源を精製、加工して、必要な性質と機能をもった材料を開発することを目的とした学問です。そのままではうまく利用できない物質でも、手を加えることによって利用価値の高い「材料」にすることができます。例えば、自動車のボディーなどに使われている鋼板も鉄鉱石を加工したものです。まずは原料である鉄鉱石に炭素を混ぜて高温で熱することで還元反応を起こし、どろどろに溶けた鉄だけを取り出します。これを鋳型に流し込んで成形し、さらに熱を加えたり圧延したりすることによって、強度が高く、かつ加工しやすい鋼板となるのです。このように、そのままでは利用価値のない、または利用することの難しい物質でも、加工によってさまざまな材料に変えることができます。 材料工学が探究するのは、こうした材料を生み出すためのあらゆる知識や技術です。具体的には、原料となる物質の特性、原料の加工方法、新しい材料の開発、材料の活用や加工技術といった領域があります。
ものづくりを支える学問
材料は、金属材料、無機材料、有機材料の3つに大別されます。金属材料はステンレスやアルミニウム、鉄など、無機材料はセラミックスやガラスなど、そして有機材料はプラスチックを中心とした高分子物質を指します。それぞれ特性が大きく異なるため、研究するうえではこのいずれかを選択することになります。 材料に関するすべてのことを扱うだけに研究テーマもさまざまです。加圧や加熱、メッキといった、材料を加工・処理する技術や、複雑な化学反応を正確にコントロールするための技術を研究する、あるいは複数の物質を合成することによって新たな材料を生み出す、加工技術を開発することで材料の用途を広げようとするなど、多彩な切り口があります。ほかにも、新たな材料を評価するための分析評価技術や、産業で活用する際の費用対利潤の評価など、材料を実際に有効活用するための手法を確立することも、材料工学の領域の学問と位置づけられています。 世間では新しい製品が次々と開発されていますが、どんなものを作るにも材料は不可欠です。その開発や活用のために技術を探究する材料工学は、ものづくりの根幹をなす学問といえるでしょう。
材料についての知識を基礎から身につける
まず、数学や化学、物理、そして材料工学の基礎に関する科目を履修します。特に、物質を構成している原子・分子、そして電子などの構造やはたらきを理解し、さらに物質そのものの性質を理解するためにも、化学や物理はしっかりと身につけておく必要があります。化学では、無機・有機・物理化学をバランスよく学びます。物理では、量子力学や統計力学を基礎とした物性物理学や、電磁気学を中心に学びます。この段階で重要となるのが、強度や重さといった物質の基本的な性能と、熱や電気の通し方や腐食性、人体への影響といった物質ごとの特性を知ることです。 基礎を固めたら、今あるさまざまな材料について、その理論と実践技術を学んでいきます。材料といってもその数は膨大で、新しいものもどんどん出てきていますから、すべてを学び尽くすことはできません。数ある中から代表的なものについて、実験をしながら理解していくということになります。材料は金属材料、無機材料、有機材料の3つに大別されます。大学の授業では、なんらかの金属材料と、無機材料からはセラミックス、有機材料からはプラスチックを扱う場合が多いようです。各材料を横断的に学ぶことで、材料についての理解を深め、研究の下地を作っていきます。
研究室で専門的な研究を
3年次には研究室に配属され、より専門的な理解を深め、4年次には卒業研究を行います。研究室によって、扱っている材料は異なりますし、専門領域もさまざまです。ゼロから材料を生み出す研究をしているところもあれば、加工技術に重点をおいているところ、合成に力を入れているところもあります。また、すべてのものづくりにかかわり、その発展への期待が大きい学問であることから、企業との共同研究を行っている研究室が少なくないのも特徴です。研究室によってどのような研究ができるのかはまったく違ってきますから、1、2年次の学びはもちろん、大学を選ぶ際にも、自分がどういった分野に携わりたいのか考えておくといいでしょう。
ものづくりや人々の生活を変える可能性のある研究
材料工学はものづくりの基本となる材料にかかわる学問です。また、新たな材料の開発にも取り組みますから、ものづくりをしたい、ものづくりを支えたいという人にとっては選択肢のひとつになり得る学問といえるでしょう。また、工学の中でも化学に関する知識が重要となるため、化学が得意、あるいは化学実験を通じて答えを出すのが好きならば、学びはよりおもしろいものになるはずです。 さらに、新たな材料やそれにかかわる技術の研究は、人々のライフスタイルを大きく変える可能性をもっています。例えば、プラスチックは20世紀に誕生した比較的新しい材料です。ほかの物質と合成することによってさまざまな性質をもつ材料ができるうえに、軽量で成形しやすいと瞬く間に広がり、さまざまな製品に活用されるようになりました。ポリエチレン(PE)やポリプロピレン(PP)、ポリエチレンテレフタラート(PET)は誰でも聞いたことはあるでしょうし、「プラ」のリサイクル表記はあちこちで目にしているはず。それだけ私たちの生活に欠かせないものになっているのです。材料はものづくりの基礎となるものですから、たった1つの材料でも、さまざまな製品に影響を与えられる可能性があります。そんなインパクトのある発明がしたいと考えるなら、材料工学が適しているといえるでしょう。
環境問題の解決に最先端の技術で挑む
今、世界で大きな問題となっていることの1つが、環境問題です。地球温暖化や異常気象、大気や水質の汚染などは、産業の発展とともに引き起こされてきました。当然、こうした問題を解決するためには、産業のあり方を変えていかなくてはなりません。材料工学もこの分野に積極的に取り組んでいます。例えば、環境への影響が少ない加工の方法や、自然界で分解できる材料など、さまざまな角度から研究が進められているのです。もし、環境問題に関心があり、それを最先端の技術をもって解決したいという思いがあるのならば、材料工学を選ぶことで、最適な環境が得られるかもしれません。

材料工学 学びのフィールド

材料工学は、その名のとおり材料に関するあらゆることを研究する学問です。自然界の物質の特性を知り、それを加工することで新しい材料を作り出したり、今ある材料に化学的な変化を加えたりほかの材料と組み合わせたりすることで別の特性を付加したり、また、生み出した材料を大量生産したり、実際に活用したりするための技術も研究します。 また、機械工学や電気・電子工学、建築学や医用工学といった、工学系の学問すべての基礎でもありますから、「材料工学がなくては、工学は存在できない」といっても過言ではありません。一方で、材料工学が目指すのは、必要とされる材料の開発とその利用技術の研究です。強くて軽く、成形しやすい材料、通電性に優れ、酸化に強い材料、従来のものよりも環境への影響が少ない材料など、ものづくりに関するさまざまな声を実現するために研究はどこまでも尽きることはありませんし、大きな期待も寄せられています。そういった意味では、ほかの工学系の学問分野が、材料工学の発展の原動力となっているといってもいいでしょう。

<物性・機能研究>
●金属材料
銅や鉛などの金属の精製・加工や、超伝導合金やアモルファス合金、形状記憶合金、ファインスチールなどの新素材を創ったり、そのための技術を開発する。
●無機材料
セラミックス材料を中心に、半導体やシリコン、ファインセラミックス、セラミックスペーパーなど、最先端技術に欠かせない無機の注目材料について学ぶ。
●有機材料
分子量の大きな高分子材料を中心に、新しい性質や機能をもつ材料を創るための研究をする。タンパク質、セルロースなどの天然高分子と、プラスティックや合成繊維など化学合成による石油化学系の材料について学ぶ。
●複合材料
金属、セラミックス、高分子のふたつ以上を混ぜ合わせた新材料や、混合を分子や原子レベルで行うハイブリット材料について学ぶ。
<加工・処理、生産工学>
●加工・処理
材料の腐食防食や、微細加工、レーザー加工など、加工や処理の方法について研究する。
●生産工学
材料の効率的な精製や結晶の育成、省エネルギーでの生産など、生産手法について研究する。
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