序言
說到磁鐵,大家腦中會浮現小學自然科教材,有U字形(馬蹄形)磁鐵和棒狀磁鐵。走一趟超市或購物中心的文具區,還可以找到U字形磁鐵和棒狀磁鐵,但這些磁鐵現在只當作教材使用。現在產業用的強力「釹磁鐵」,形狀不再這麼彎曲。釹磁鐵大多以各種形狀埋入產品之中,用來提升產品的機能、性能。因此,高性能磁鐵幾乎都在人看不到的地方運作,可說是「無名英雄」。
例如,現在的混合動力車、電動車,平均1台使用了100個馬達、感測器,這些零件都使用了永久磁鐵,因此可說,混合動力車是磁鐵的集合體。
磁鐵也有很多種類。若不要求高輸出功率,可以使用「鐵氧體磁鐵(Ferrite magnet)」;若需要小型、高機能,則可以使用被稱為最強磁鐵的「釹磁鐵」。除了汽車之外,日本在許多電器中都不吝於使用高性能磁鐵,這正是「日本電器小而安靜」理由。來自海外的研究專家無不感到佩服:「日本連空調都使用了釹磁鐵!」
超越釹磁鐵……
未來大量需要的是,使用在混合動力車等驅動馬達上的高性能磁鐵。雖然目前使用釹磁鐵,但一般的釹磁鐵在超過200℃的高溫下驅動,會失去其磁性。釹磁鐵不耐熱。因此,我們會搭配特別的元素——鏑,但這個元素是非常稀有的資源。我目前從事的研究就是,「不使用鏑等資源有限的元素,以更為一般常見的元素替代,生產現在混合動力車、電動車用的磁鐵。」
這項研究,投入了龐大的國家經費。研究最大的目標是,在「元素戰略」國家計畫下,以一般常見的元素替代稀少特定的元素,表現出特定的機能。
的確,想要產品表現出優異的特性,很多情況都需要稀有元素。例如,媒介需要高價的鉑,強力磁鐵需要稀土元素(rare-earth element)釹、鏑等。而「元素戰略」目標就是不使用這些稀少高價的元素,也能表現催化機能、磁鐵特性。在「現代鍊金術」標語下,現在需要更多研究專家接受國家研究的贊助。
到底說來,「元素戰略」本來就是2004年由JST(日本科學技術振興機構)召集知名科學家、研究專家所提倡的概念,受到玉尾皓平先生、村井真二先生、細野秀雄先生等傑出人才的協助,2007年,文部科學省、經濟產業省分別對「元素戰略計畫」和能應用於產業的「稀少金屬替代材料開發計畫」公開招募研究。
我自己有幸參與這兩項計劃,以釹磁鐵的細微構造和磁力特性的基礎研究,推展最高水準「奈米解析技術」。
再來,文部科學省於2012年時成立元素戰略的〈研究部門〉,針對元素戰略中對日本產業最為重要的「永久磁鐵」、「電磁觸媒」、「電子材料」、「結構材料 」等四個領域,設立開發目標,推進基礎研究。
幸運的是,以永久磁鐵為研究對象的「元素戰略磁性材料研究部門(ESICMM)」,設立於我所屬的物質材料研究機構(NIMS)中,與東北大學、產業技術綜合研究所(AIST)、東京大學、大阪大學、京都大學、高能量加速器研究機構(KEK)、高輝度光科學研究中心(JASRI)、名古屋工業大學等機構攜手合作,致力於結合「理論、解析、創造」次世代磁鐵開發基礎研究,以及培育次世代磁鐵研究的人才。
這個部門除了研究不使用鏑的磁鐵開發之外,也致力於全新磁鐵材料的探索。然而,近半個世紀以來,稀土磁鐵全方面的研究探索幾近飽和狀態,繼釹磁鐵後來想要有進一步的突破,理論、計算研究的引進是不可或缺的,所以我們也將磁性化合物的理論研究列為重要課題。
今日,我國許多材料系、物理系、化學系的研究專家都參與這些計劃,致力於次世代的磁鐵研究。在這樣的背景下,日本加速整頓優異的磁鐵研究環境,現在的研究等級絕對是世界第一。當然,新材料的發現並非易事,但想要找到突破口,從不同領域研究專家的視點切入相同的研究課題,也是非常重要的事情,至少日本具有這樣的環境。
為什麼要寫一般大眾閱讀的「磁鐵書」呢?
本書除了磁鐵的基本機制之外,避開艱澀的概念,以簡單易懂的筆觸,將令人驚豔的最尖端磁鐵研究傳達給一般大眾認識。
例如,本書的背景設定是「公司新進員工拜訪我的研究室,向我詢問關於磁鐵的問題,同時學習磁鐵的用途以及研究狀況」,登場人物以對話的方式進行解說。認識我的人大概會感到驚訝吧,「平常總是用專業術語說些不明所以的研究專家,怎麼能寫出這樣簡單易懂的書籍呢?」沒錯,本書的完成多虧了共同作者兼科學寫手本丸諒的努力結果。
推進元素戰略的JST,每年都會舉辦「元素戰略」成果發表會。2013年舉辦的成果發表會上,於本書屢次登場的釹磁鐵發明者佐川真人先生進行中心思想的演說,分享自己開發釹磁鐵的經過,我也進行了研究主題成果發表。在發表會上,聽聞我發表內容的本丸先生,走到我的座位旁,向我提出邀約:「以最尖端磁鐵研究專家的身分,簡單易懂地向一般大眾解說研究內容,你有意願出版這樣的書籍嗎?當然,除了磁鐵的機制、用途之外,研究專家朝著目標,會進行什麼樣的研究?——希望本書也包含這樣的內容。」這就是本書誕生的契機。
雖說如此,我身為研究專家,研究和原創論文已使我忙得焦頭爛額,所以,「我沒有時間寫一般大眾啟蒙書。」拒絕了邀約。但是,本丸先生提問,我口頭回答,再由他寫下內容,最後由我來修稿——本丸先生提出這樣的共同創作方式。這樣,我不會壓迫到本業,也能夠著手進行出版,於是我接受了提案。
然而,實際上,我每天都忙於研究活動,幾乎撥不出時間,但最後還是努力完成了這本書。從開始到結束花不到兩年的時間完成本書,真的是一個奇蹟。
重新翻閱本書,內容超乎我想像的容易理解,我也受教不少。這是「解說寶野、編整本丸」的一部合作大作。
以我為首,一些研究專家拿著國民稅金,作為資金進行研究。對於這些研究專家來說,向一般大眾解說自己研究意義的「推廣」活動,也是非常重要的事情。對研究專家來說,JST的各種計劃給予了他們推動大規模研究的機會。同樣地,我所屬NIMS的元素戰略材料研究部門,向世人說明研究內容,也是責無旁貸。
作為元素戰略上研究磁鐵的研究專家,本書是否也盡了一份推廣活動的義務呢?完成本書的現在,我感到安心了。
2015年6月 著作代表人 寶野和博