社会の課題を解決する金属材料を生み出す

東北大学金属材料研究所准教授の山中謙太先生。金属材料を研究しており、医療分野で利用される人工関節などにも関わってきました。どんなことを目指し、普段どのような研究を行っているのか。お話を伺いました。

どんなイノベーションを目指しているか

社会の課題解決につながる材料の開発

東北大学金属材料研究所の加工プロセス工学研究部門に所属しています。私が研究している対象は金属です。金属には強度は高いか、よく延びるか、さびにくいか…などの特徴があります。このことを「特性」といいます。地球上の金属には鉄、銅、ニッケルなど様々ありますが、「特性」は金属の種類によって違います。私たちは最終的によい特性を出すために、金属を組み合わせ、よい材料（合金）を作ることを目指しています。

私たちは基礎研究から実用化・応用研究まで幅広く研究しています。ある意味、基礎研究と応用研究を分けて考えていません。また扱う対象も鋳造といった伝統的なところから３Dプリンターを用いた最新の技術まで幅広い製造方法を研究しています。

私たちの研究室の一つの成果は、コバルト・クロム・モリブデンという3つの金属を組み合わせて作ったコバルト合金「コバリオン」です。金属材料研究所で開発した合金を、岩手県釜石市の企業と連携して作ってもらっています。研究室を立ち上げた千葉晶彦先生の長年の基礎研究があったからこそ誕生した材料で、人工股関節・人工膝関節などの医療機器に使われています。従来の医療用のコバルト合金よりも耐久性が強く長持ちする素材です。高齢化社会に進む中で長く使っていただくためにも、耐久性に優れた素材というのはとても重要だと考えています。

このコバルト合金の研究を進める中で新たに研究に取り入れたのが、3Dプリンターです。実はコバルト合金は非常に硬い金属で、従来は金型といわれる金属の型を使って高温に加熱してで加工（鍛造）することで成形したり、鋳造により溶けたコバルト合金を直接流し込み、成型して作っていました。ただこれらの方法をとると、コバルト合金が固いので金型の方が壊れてしまうということがありました。これだけコバルト合金が硬いため機械加工により削ることも難しいということも課題でした。

そこで2010年に3Dプリンターを導入。金属の粉末を用意して、そこに電子ビームを当てて、溶かしたり、固めたりを繰り返しながら形を作っていく方法で、より自由に材料を作ることができるようになりました。電子ビームを当てれば、一瞬で高温になりますし、一瞬で冷えます。ある意味、金属自身も経験したことのない温度変化です。この3Dプリンターを使えれば、新しい材料をつくれる可能性があると考えています。金属の粉末を扱いますから、非常にミクロな部分から基礎研究を重ねる必要があります。

研究しているのは医療用に使われる生体材料や航空宇宙産業や自動車の材料です。特に生体材料は体内に入れる金属になりますから当然安全性も求められますし、劣化しにくい強度の高い材料を作る必要があります。

材料を作るときに必ず意識しているのが、「何が課題になっていて、何のために作るのか」ということです。最終的には実用化まで目指していますので、「何が求められているのか」を強く意識するようにしています。社会のいろいろな課題をとらえて、使われる材料を作っていきたいと考えています。

これまでの歩み

大学時代から東北大学で過ごし、修士課程から金属材料研究所に所属しています。コバルト合金を研究していた千葉晶彦先生の研究室が新しくできるタイミングで、「新しい研究室が面白そうだ」ということで研究室に入りました。修士課程を卒業して、一度企業に就職して研究開発部門に所属していましたが、もっと研究がしたくて博士課程から千葉先生の研究室に戻り、そのままスタッフとして在籍してきました。私がコバルト合金の研究を始めたのは約20年前になります。当時、コバルト合金はほとんど研究されていない分野で、世界を見渡しても研究論文がほとんど見当たらないようなテーマでした。

ただ、コバルト合金は当時すでに医療分野では活用されており、人工関節などに使われていました。ただ強度が弱く、前述のように加工性が悪いため、製造過程で割れてしまう恐れがありました。また、不純物や添加元素としてニッケルが含まれているので、金属アレルギーを起こしてしまうという課題もありました。実際に社会で使われてはいるものの、安全性や耐久性には課題があったのです。

そこからは基礎研究の出番です。実験を繰り返し、コバルト合金の特性をよりよくするための方法を考えてきました。実用材料として使用するためには乗り越える課題はたくさんありました。例えば、アレルギーの原因となるニッケルを取り除いてみたのですが、今度は加工がしにくくなる。「トレードオフ」といわれますが何かをよくすると何かが悪くなる、ということは材料研究においてはよくあることです。多くの特性を一気に改善する方法を考えられれば、それはよい材料づくりにつながります。 試行錯誤を繰り返したことで強度が高いコバルト合金が完成し、「コバリオン」を製品として社会に送り出すことができました。今は金属アレルギーの懸念がほとんどないことからジュエリーなどにも使われています。

アイデア・技術を実現するために

コバリオンをなぜ実現できたのか？と聞かれることがあるのですが、その理由は2つあって、1つは「実用化しようと思ったから」。そして「実用化するまで続けたから」。当初から必ず実現しようという覚悟のようなものがあったと思います。気持ち・思いの部分は非常に重要です。金属は産業に密接にかかわりますので、最後は実用化して世の中に出していこう、というゴールをしっかりと持ったうえで研究をしています。研究室には私を含め企業経験のある者も多く、「実用化」というゴールは共通意識として持っています。

個人的に心掛けているのは他分野とのつながりです。金属材料研究所の中でも様々な分野を研究している方もいますので、化学分野で何か可能性がないかサンプルを作ってもらうこともあります。また、生体材料を扱っていますから、医学、歯学、生物学の知識も持っておく必要があります。その点東北大学は総合大学で、医学部があり医工学を研究している方もおりますから恵まれた環境です。

企業とのつながりも大切です。金属材料研究所は伝統的に企業との共同研究が盛んですし、いろいろな依頼を頂きます。「論文を見ました」と大手企業から依頼を頂くこともあります。

未来へ向けて・高校生へのメッセージ

全く新しい材料を創造し、東北大学発、金属材料研究所発という材料を世の中に出していきたいと考えています。新しい材料はどんどん生まれていきますので、新しい知識を取り入れていくことが大切です。金属資源も限られていますから、例えばプラスチックと組み合わせてみたり、アルミや鉄のような異なる金属を組み合わせてみたり、新しい材料を生み出すための様々な工夫が必要だと考えています。

師である千葉先生や企業時代の上司に同じ言葉をかけられたことがあります。それは、「まずはいい材料を作りなさい」。いい材料さえ作ればあとはそこからいろいろな応用や基礎研究ができると考えています。高校生のみなさんには、個人的には狭い世界にこだわらずに広い視野を持ってほしいなと思います。ぜひ色々なことに興味を持って、広い世界を見てほしいなと考えています。

編集後記

様々なことに興味・関心を持っているということがインタビュー中も伝わってくる取材でした。そんな山中先生おすすめの本は「まずイシューからはじめよ」（安宅和人）。「何が問題で、何が目的なのか」という視点を考えるのに参考になった一冊とのことです。