振動で「固体」を忘れる物質：流体のように振る舞う新素材

ごく普通のオフィス用ステープル（ホッチキスの針）の詰まった塊を手に取り、引っ張ってみてください。びくともしません。それはまるで鋼鉄の塊のように硬く頑丈で、どれほどの力を加えても抵抗します。しかし、適切な方法で揺らしてみると――特定の調整された振動を与えると――構造全体が崩れ去り、銀色の水流のように指の間をすり抜けていきます。これは手品でも化学反応でもありません。建物やロボット、橋などが、必要に応じてレンガにも液体にもなり得る未来への入り口なのです。

従来の材料は、驚くほど予測可能です。例えば砂の山を想像してください。砂粒は凸型をしており、滑らかで丸みを帯び、本質的に「自分勝手」です。ある砂粒は隣の砂粒が何をしていようと気にせず、ただ滑り落ちるだけです。これが、乾燥した砂で垂直な壁を作れない理由です。砂には「引張強度」がないため、引っ張られても形状を維持できません。小さな部品から頑丈な構造体を作るには、通常、砂の城の水やコンクリートのセメントのような「接着剤」を加える必要があります。しかし、Barthelat Labの研究チームは、この接着剤を完全に取り払うことを目指しました。

凸型粒子の終焉

ステープル状の粒子を山積みにすると、それらはただそこに留まるのではなく、互いに絡み合います。鳥の巣の枝や、ウールのセーターの繊維と同じように、一つの粒子の脚がもう一つの粒子の本体に引っかかるのです。これにより、個々の部品の合計以上の集合的な強度が生まれます。「ピックアップテスト」において、研究者たちは、絡み合ったステープルの塊が単一の頑丈なユニットとして持ち上げられることを発見しました。物理的な形状によって粒子が滑るのを防ぐため、固体のように振る舞うのです。これは本質的に、化学的結合ではなく機械的結合による材料構築と言えます。

これは、「強さ」と「タフさ」という、物理学上の稀なパラドックスを生み出します。材料科学において、この2つの用語は往々にして両立しません。セラミックの皿は強い（大きな重量を支えられる）ですが、タフではありません（ハンマーで叩けば砕け散ります）。輪ゴムはタフですが（エネルギーを吸収して伸びる）、強くはありません。この絡み合ったステープルは、その両方を実現しています。金属のような頑固さで引き離されることに抵抗しつつ、互いにわずかにずれたり滑ったりできるため、破壊されることなく衝撃を吸収するのです。これこそ、エンジニアたちが喉から手が出るほど欲しがる機械的特性です。

橋を液体に変える方法

CU Boulder（コロラド大学ボルダー校）の研究の真の天才的な点は、ステープルが互いにくっつくことではなく、離れるべき時を知っていることにあります。これこそが、NASAから国防省までが注目する「液体金属」的な側面です。研究者は特定の振動パターンを加えることで、材料の「固体性」を実質的に「オフ」にできます。穏やかな振動は、粒子が適切な位置を見つけてより強固に噛み合うのを助け、構造を強化します。しかし、「解除」の周波数を加えると、粒子はその機械的な抱擁から解き放たれます。「固体」の塊は突如として液状化し、新しい型に流し込んだり、完全に除去したりすることが可能になります。

これは、建設の未来に魅力的な問いを投げかけます。災害現場に設置する仮設の橋を想像してみてください。巨大なクレーンや恒久的なボルトが必要な重い鋼鉄の梁の代わりに、これらの絡み合う粒子の「スラリー（泥状の混合物）」をフレームに流し込み、振動させて固体化させれば、その上を歩いて渡ることができます。任務が終われば、「シェイク」ボタンを押すだけで橋はステープルの山へと溶け出し、トラックに積み込んで次の現場で再利用できます。これこそが、究極のリサイクル可能なインフラストラクチャーです。

しかし、難点もあります。機械的な絡み合いを大規模に利用することは、現時点では高コストであり、完全にシミュレーションすることも非常に困難です。コンピュータモデルで1,000本のステープルの挙動を予測することはできても、10億本のステープルが走行中の大型トラックの重みにどう反応するかを予測するのは全く別の問題です。また、「疲労」の問題もあります。この材料が小さな金属の脚の引っ掛かりに依存している場合、1,000回目の「融解」サイクルの後にその脚が曲がったり折れたりしたらどうなるのでしょうか。研究チームは、犬の毛に付着するトゲのある草の実のように、より多くの脚を持つ粒子など、より永続的でフェイルセーフなロック機構を備えた高度な設計をすでに検討しています。

自然界の複雑なルールブックの書き換え

CU Boulderのステープルは、物理学におけるより広く、奇妙なトレンドの一端を担っています。私たちは、学校で習った単純な「固体、液体、気体」の図が、大部分において嘘であることに気づき始めています。Barthelat氏がマクロスケールのステープルで実験を行っている一方で、他の物理学者たちは原子レベルで同様の「奇妙な」挙動を発見しています。手の中で溶ける金属として有名なガリウムに関する最近の研究では、その液体状態は私たちが疑っていたよりもはるかに構造化されており、「固体に近い」ものであることが示されています。ガリウムは単なる無秩序な原子のスープになるのではなく、流れている最中でさえ結晶構造の幻影的な記憶を保持しているのです。

さらに深く踏み込むと、グラフェンや超流動体を扱う研究者たちは「量子ピンボール」状態を観測しています。これらのシステムでは、電子を「凍結」させて固体のように見えて液体のように振る舞うパターン、あるいはその逆のパターンを作ることができます。私たちは、材料の「相」が固定されたアイデンティティではなく、一時的な気分のようなものである時代に突入しています。オフィス用のステープルであれ、原子のシートであれ、ルールは同じです。幾何学とエネルギーを制御できれば、物質を思いのままに操ることができるのです。

ここで話は『ターミネーター2』のT-1000に戻ります。あなたの義理の母親の姿を模倣できるようなシェイプシフティング（変身）する暗殺者を作る段階にはまだ至っていませんが、CU Boulderのチームは、当面の未来はスワームロボティクス（群ロボット工学）にあると考えています。トースターより賢くない小さな単純なロボットが1,000台集まり、互いに連結してレンチや梯子のような固体の道具を形成する様子を想像してください。作業が終われば、それらは絡まりを解き、小さな箱の中に流れ込んで収納されます。これは「ハード」なロボット工学から、環境に適応できる「ソフト」なシステムへの転換です。

シェイプシフターの代償

しかし、なぜこれがすでに私たちの家庭に普及していないのでしょうか。その壁は、いつものように物理世界の厄介な現実です。材料が真に役立つためには、信頼性が不可欠です。もしこれらのステープルで椅子を作った場合、近くを大型トラックが通過したり、大音量の低音スピーカーが鳴ったりした拍子に「融解周波数」に達し、床に金属の山となって崩れ落ちないという保証が100%必要です。「オフスイッチ」を、偶然には作動しないよう十分に特定できるように設計することが、次の大きなハードルとなります。

また、背後には規制という悪夢も待ち構えています。現在の建物や機械の安全基準は、固体は固体であるという前提に基づいています。崩れ落ちるように設計された橋を、どうやって認定すればよいのでしょうか。理論上は排水溝に流し込めるような構造物に対して、どうやって建築基準法を策定するのでしょうか。これらは、最先端の物理学が旧態依然とした官僚主義とぶつかる摩擦点です。

こうしたハードルにもかかわらず、その勢いは否定できません。私たちは、静止したブロックから物を作る世界から、材料自身がその機能の能動的な参加者となる世界へと向かっています。通常は数枚の紙をまとめるために使われる平凡なオフィス用ステープルは、図らずも、より流動的な未来のための設計図を私たちに示してくれました。世界を変えたいのであれば、必ずしも新しい元素や革命的な化学物質は必要ありません。ただ、物事をうまく絡み合わせるための、より優れた方法が必要なだけなのです。

次にステープルの箱を床にぶちまけ、10分かけて絡まりをほどこうとするとき、怒ってはいけません。あなたは散らかったゴミを見ているのではありません。私たちがこれまでに構想した中で、最も強く、最もタフで、最も適応力のある建築材料を見ているのです。ただ、それを従順にさせるための適切な周波数を、まだ見つけていないだけなのです。