第 2部
機能性から物質をみる

物質の機能性とは何か.有用な機能性を取り上げ，物質の構造との関連を学ぶ. ここでは，物質の機能性についての広い視野を養成するとともに ，化学物質と安全に付き合うための方策をも考えよう .

『 物質の機能を使いこなす ~(杉 森 彰 著/裳撃房)

14814物質の力学的特性

原始の人類が生活のために利用した道具は，狩猟のための槍や弓矢，獲物を処理するための刃物， それに日用品や住居を作るための道具であったであろう .やがて農耕が始まると，農機具が重要になる .定住農耕生活の開始以後始まったといわれる戦争では， その勝敗は，武器の質と量とによって決まることが多かったであろう .
いうまでもなしこれらの農機具，武器，住居などの性能は素材に大きく影響される .文明の程度は，素材に依存していたといってもよいであろう .
さてこうした道具，武器などにとって重要なのは，物質の特性のうちでも力学的特性である .本章では， この問題について考える .
なお物質の力学的特性を考えるときは，固体を対象とする場合がほとんどで，気体や液体を問題とすることは少ない. しかし，気体や液体の力学的特性も我々の身の回りで大いに活躍している . これについては 9・1節と 9・
2節で述べた .

14・1 力 学 的 特 性 の い ろ い ろ
物質に外から力を加えたとき，その物質がいかに変形するかというのが力学的特性である.物質の力学的特性には， この力の加え方と変形の仕方の組み合わせによって ，いろいろな種類がある .例えば粘土は力を加えると簡14・1 力学的特性のいろいろ

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単に変形して ， そのままの形で元に戻らないのに ， ゴムは大きく変形しでも，すぐに元の形に戻る"とか， 竹を横に切ることは難しいけれど，縦には簡単に割ることができるまた同じように竹は縦に引っ張ってもびくともしないが，横から力を加 え る と 簡 単 に 曲 が っ て し ま う さ ら に石は押しでも号 ￨っ張ってもびくともしないが，金槌で叩くと割れてしまう"などである . このように ，力学的特性を一言でいうことは難しい.
物質の力学的特性のことを機械的特性 ということもある .とはいえ ， まず力の加え方について整理してみると ，2つの点を考えなければならないことが分かる . 1つは 力を加える方向であり，も う 1つは ， どのような時間を掛けて ， その力を加えるかという点である .前者には縦方向か横方向かという区別 があり ， さらに縦方向の場合には号 ￨っ張 りか押しかという区別がある .後者には，徐々に力を加 えていく場合と ，瞬間的に力を加える場合とがある .
上で述べた ，横方向から力を加えることを曲げという .
変形の仕方という点からは，塑性 と弾性 とに大別される .塑性 とは，外から力を加えて生じた変形が，力を取り去っても元に戻らない性質である .上でいえば，粘土がこの例になる .一方の 弾性 とは塑性とは反対に，力を加 えて生じた変形が，力 を取り去ると元に戻る性質である .上でいえば， ゴムがこの例 である .

4・1にまとめた .
以上述べた物質の力学的特性について ，図 1
またよく耳にする表現であるが，物質の硬さ とは，力 を加えたときに生じる変形のしにくさ ・しやすきを指し ，強さ とは， どれだけの力を加えたときに破壊されるかを表す言葉である .
さて弾性と塑性については，節をあらためて後でくわしく述べることにし，次節ではまず，物質の変形のメカニズムをミク ロな視点、か ら，直観的に理解することにしよう.

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第 14章

物質の力学的特性
変形

カのかけ方

特性

破壊に至るまでの力

変形の程度

ヲ￨
っ張るて一一一一7
可 逆 的 「 づ 小 さい(硬い)てーーゥ大きい(強い=強度が大)(圧縮する) ¥ 、 ど / ' 型 地)V¥/

ずりの力を ι 一一一主 非 可 逆 的 ム ム 大 き い ( 軟 か い : ム ム 小 さ い
かける(曲げ る 塑 性 弱 い = 強 度 が小 さい)
徐々に力 を強くする
急に力をかける
力をかけたり ，ゆるめたりを繰り返す
l 国体の力学的性質
図14・14・2

ミクロから見た変形のメカニズム

14・2 ・1 変 形 の モ デ ル
物質の変形を ， ミクロの視点から見るとどうなるであろうか.物体に生じた変形は，原子や分子のレベルでも影響を生じている .
以下では，8・3・1項の議論も同時に参照してほしい.
例 えば物体が外からの力によってヲ ￨っ張られて伸びるとき ， ミクロな レベ
ルでは，原子や分子の聞の距離が伸びなければならないことは容易に想像で2ページで述べたことを思い出してほしい . 9
2ペー
きるであろう ， ここで 9ジでは分子をモデル的に ，2つの原子がパネで結合されたものと考えた . ここではもっと一般的に ，化学結合を原子どうしを結びつけるパネと考えることにする .パネと同じように ，伸ばしたり縮ませたりすると元に戻ろうとする力が働く . 結合が強い" とは， このパネの伸び縮みが容易に生じないことに対応する .
つまり物体の変形は ， ミクロなレベルでは， こうしたパネの変形と解釈できる .変形しにくいとは，このパネが大きな復元力を持っていて ，容易にパ14・2 ミクロから見た変形のメカニズム

151ネの伸び縮みが生じないということである .
もう少し具体的に見てみよう. 一般に，共有結合は金属結合に比べて強しミ

したがって共有結合のパネは金属結合のパネに比べて伸び縮みしにくく， つまり共有結合でできた物質は変形しにくいということになる .全体が共有結合でできたダイヤモンドや水晶が硬いのは， このためである .
また物体の変形のうち，曲げとは，原子の結合角が変化するようなことである. つまり，パネがぐにやりと曲がることに対応する .共有結合には方向性があり， このため結合角の変化に対して復元力が働く .すなわち，常にパネが元に戻ろうとする . したがって共有結合でできた物質は曲げに対して比較的強く ，変形を生じにくい.一方，方向性のないイオン結合でできた物質は，曲げに対して比較的弱い.
しかし ，この方向性を別にすれば，イオン結合は強い結合であるので， その物質は変形しにくく，引っ張りや押しに対しては強い.

14・2 ・2 格子欠陥の存在
ところで前項のようなモデルを精密化すれば，物質の変形のしやすさを，原子や分子の結合の強さから理論的に計算によって導き出すことができそうである.例えば号 ￨っ張り強度は 図 14.2に示すように，破断面について，全ての結合を切断するのに要する力として求めればよいであろう.
実際に，原子や分子の結合の強さに基づいて号 ￨っ張り強度などを計算する‑ M ‑ M ‑ M ‑ M ‑ Mー
MM‑M‑M‑M
結合の切断‑M‑M‑M‑M‑M‑‑ M ‑ M ‑ M一 M ‑ M図14・2 ミクロに見た破断の模式図

152

第 14章 物 質 の 力 学 的 特 性

図14・3 格子欠陥ことは可能である .し かし計算によって得られる値は，実測される号 ￨っ張り
強度の 10倍から 100倍も大きな値であることが多い.これは材料が，物質本来の力を発揮していないことを意味する.
材料が，ミクロな構造から予測される力学的強度の 1/10以下程度しか発揮できないのは，物質中の原子配列に乱れがあって ，すなわち原子が多すぎたり ，少 なすぎたりするなどして ，結合がうまくできていない箇所があるからである . このような箇所を 格子欠陥， あるいは転位 という .図 14・3に示した，このような構造や結合の乱れが，力学的強度を小さくすることは容易に想像されるであろう .
しかし格子欠陥の数は，正常な配列をしている原子の数に比べて非常に少ない. このようなわずかな格子欠陥が，材料全体の力学的強度を 1/10から1/100にしてしまうのはなぜであろうか.
それは，格子欠陥は 1箇所に止まっているわけではないからである .格子欠陥の周りでは原子が動き，結合を変え ， その結果，格子欠陥は動き回ることになって，たくさんの結合を弱めるのである .電子顕微鏡の発達により ，格子欠陥の動く様子を実際に観察することができるようになった .

14・2 ミクロから見た変形のメカニズム

153

さて ， このように考えてくると ，格子欠陥のない材料を作り出せば，理論によって期待される大きな力学的強度を持った材料を作り出せるはずである.実際に ， これは実現している . ウイスカー"と呼ばれる髭状の細い形状ではあるが，格子欠陥のない鉄が作り出され，期待通りの大きな力学的強度が得られている .

14・2 ・3 ゴ ム が 示 す 弾 性 の メ カ ニ ズ ム
よく知られているように ， ゴムは力を加えると伸びたり縮んだり ，曲 がったりなど，大きく変形する .し かし力を取り去ると ，すぐに元の形に戻る .
このような優れた弾性が注目され自動車のタイヤなど， その他 にも衝撃を緩和する目的で様々に利用されている .
ゴムの代表はやはり天然ゴムであるが， これ以外にも ，同様の弾性を示す合成高分子化合物が得られており，天然ゴムにはない，優れた'性質を示すものもある . これらは，それぞれの特性に応じて利用されている .
ここでは， こうしたゴムが示す弾性のメカニズムを ， ミクロな分子のレベルから考えることにする .
4に示すように ，天然ゴムの分子は二重結合を持っている . そして ，
図 14・

この二重結合を した炭素から 出 る炭素の鎖が，分子の同じ側 にあるという構

たて ぐ7l信長[c=引っ張る分子構造

力を抜く

4 ゴム分子の化学構造
図14・

第 14章 物質の力学的特性

154

造をしている . このようなことから ， ゴム分子全体は丸まっている . ポリエ
チレン分子が細長いのとは対照的である .
上のように，分子の同じ側に炭素の鎖が出ている構造をシス構造という .
さてここで，ヲ￨っ張りの力がゴムに加 えられると ，丸まっていたゴム分子はまっすぐに伸びる . こ れ に は あ ま り 力 は 要 ら ず， ゴム全体は大きく 伸 びる.やがて力が取り去られると分子は元の丸まった状態に戻り ， ゴム全体は縮んで元の形に戻ることになる .以 上 が， ゴムが示す弾性を分子のレベルから眺めたものである .
ゴムが示す弾性は熱力学的に見た場合，他の物質が持つ伸び縮みのメカニズムとは異なっている.ゴムが伸びるとき ， ミクロなレベルでは，分子が丸まった乱雑な状態"から，分子の方向が揃った秩序の高い状態"になる .

いいかえると ，エントロビーの高い状態からエントロピーの低い状態になるのである .エントロビー とは 乱雑さ"を示す指標で，物理学や化学において重要な概念であるばかりでなく ，最近は経済学などにおいてもよく聞かれる言葉になっている .さて自然現象は，秩序の高い状態か ら乱雑な状態になる方向へと進む.すなわち，エントロビーが増大する方向に進む.ゴムを伸ばすことはエントロビーを減少させたことになるので，カを取り去ると ，エン トロピーの高い乱雑な状態になろうとして ，ゴムは縮むことになる .

14・3 弾性弾性 とは，物体に力を加えて生じた変形が，力を取り去ると元に戻る性質をいう .
さて ， いま 図 14・5(b) に示すように，物体に ，縦方向に号 l
っ張りの力を加 えたとき物体が変形し ，伸びが生じたとする . このときの，力の大きさと伸びの関係を 図 14・6に示す.
図14・5(b)で生じた変形を，一般に垂直ひずみという .