テーブルの上の花瓶が、
滑り落ちたりせずにとどまっていられるのは、
摩擦があるからです。
2つの物質が接する表⾯には必ず「摩擦」が発⽣し、
摩擦のあるところでは材料が「摩耗」します。
そして、摩擦や摩耗を減らすためには
「潤滑」の⼯夫が⽋かせません。
この、「摩擦・摩耗・潤滑」を取り扱うのが、
ここでご紹介する「トライボロジー」という学問です。
⼯学部 機械⼯学科 坪井涼先⽣
スキーを楽しむには、スキー板がよく滑ってくれなければ――つまり、板底⾯と雪⾯との「摩擦」が⼩さくなければ困ります。反対に、雪の積もった歩道を歩く際には滑りにくい靴、雪⾯との摩擦が⼤きな靴底が安⼼です。このように、2つの物体が接し、擦れ合って動く表⾯に起こるさまざまな現象を研究する学問が「トライボロジー」です。
⾃動⾞のエンジンでいえば、ピストンリングとシリンダー内壁との接⾯。あるいは、ピストンの往復運動を伝達するコネクティングロッドと、回転運動に変換するクランクシャフトをつなぐ滑り軸受け。このような、⾼温・⾼速・⾼圧⼒で擦れ合って動く部品同⼠の表⾯では、摩擦をいかに⼩さくするかが重要課題です。エンジン寿命や動⼒性能、エネルギー消費量などに直結する問題だからです。その⼀⽅で、摩擦が⼤きくないと困る⾃動⾞部品もあります。何だかわかりますか？ その代表格は、タイヤとブレーキです。――今回は、トライボロジーの基礎研究を推進する⼤同⼤学⼯学部機械⼯学科の坪井涼先⽣の研究室を訪ねました。
坪⽣先⽣が協同研究を進める企業が
試作した表⾯テクスチャリングの⾒本。
坪井先⽣の専⾨研究分野は、「表⾯テクスチャリングを⽤いた摺動特性の改善」。材料の表⾯に微細な凹凸加⼯を施すことで、より滑りやすくしようとする研究です。「表⾯がツルツルの⽅が滑りやすいのでは？」と尋ねると、先⽣が取り出したのが右のサンプル。表⾯に⼩さな⽳が並んでいるのがわかりますか？ この⽳が重要なのです。材料が摩耗することで発⽣する“摩耗粉”は、さらに摩耗を促進する厄介者ですが、⽳の中に取り込んでしまえば、その影響は抑えられます。また、擦れ合うにつれて減っていく潤滑油をストックしておく場所としてもこの⽳が役⽴ちます。さらに⽳の配置により潤滑油の圧⼒が⾼まって材料が浮く作⽤が⽣じ、より強い⼒に耐える効果もあるとのこと。
先⽣は、材料や潤滑油の種類、摺動の速度や⽅向などに応じて、どのような表⾯テクスチャが効果的かを、コンピュータシミュレーションによって明らかにしようとしています。「トライボロジーは総合科学であり、その研究には多くの知識が必要です。対象とする機械は何か、材料は接しているか浮いているか、材料や潤滑油の種類・特性は、化学反応は起こるのかなど、結果に影響する要素は限りなくあります。困難は尽きませんが、明らかになった知⾒は産業界で直接役⽴つことも多く、それが研究のおもしろさと⾔えます」と坪井先⽣は語ります。
表⾯に付与する形状「テクスチャリング」で潤滑油の流れ⽅が
異なることが分かります。
坪井先⽣の研究は基礎研究が中⼼のため、そのアプリケーション（応⽤）については企業や業界団体といった研究パートナーの存在が重要になります。「私の研究の⼀部は、『⾃動⾞⽤内燃機関技術研究組合（AICE）』との共同研究であり、⾃動⾞の燃費改善が主な⽬的となります」。このほかにも坪井研究室では、⾃動⾞・⼯作機械・切削刃物・漁具などのメーカーと協同研究を進めており、その研究に学⽣が参加できるよう配慮しています。
さらに先⽣の夢は、中部のものづくり企業と⼤同⼤学とでコンソーシアム（産学共同体）を作ることだそう。「⼤⼿企業との共同研究だけでなく、ものづくりの問題に直⾯して困っている地域の中⼩企業との共同研究を推進したい。産業界の切実なニーズに応えることは⼯学部の役割であり、学⽣にとっては研究成果が⾝近で⾒えやすいというメリットもあります。この取り組みを通じ、学⽣の研究・教育・就職に関わる協⼒体制がつくれたら、と考えています」。
