液体金属は、常温や比較的低温で液体状態を保つ金属や合金の総称であり、その特性から多くの分野で注目されている材料である。近年は半導体の冷却材としても利用されており、例えば家庭用ゲーム機PS5の冷却システムに採用されたことで身近な存在になった。

液体金属は高い熱伝導性や電気伝導性を持ち、電子部品やエネルギー分野での用途が拡大している一方、腐食性やコストの高さといった課題も抱えている。そのため液体金属の特徴を理解し、用途に応じて適切に活用することが重要である。

本記事では液体金属の基礎から特性、用途、さらには種類や取り扱い上の注意点まで体系的に解説する。液体金属に関心を持つ技術者や研究者だけでなく、最新の材料動向を知りたい読者にとっても有益な情報となるだろう。

液体金属とは？

液体金属とは、常温や比較的低温で液体の状態を保つ金属や合金の総称である。代表例として水銀が広く知られており、体温計やスイッチに利用されてきた。近年ではガリウムやその合金が注目されており、環境負荷が低く安全性の面からも研究が進んでいる。

液体金属は水のような高い流動性を持ちながら、熱伝導性や電気伝導性にも優れており、さらに磁場や外部環境の影響を受けやすい特性がある。このため、半導体の冷却材や電子デバイスの接合材として活用が広がっている。

液体金属は従来の冷却や伝導材料では得られない柔軟性や効率性を備えており、次世代のエネルギー機器や高性能デバイスにおいて欠かせない存在となりつつある。

液体金属の歴史

液体金属の歴史は、常温で液体となる水銀の発見と利用に始まる。水銀は紀元前2000年頃にはすでに人類に使用されていたとされ、古代中国やインドでは薬剤や顔料として、後には体温計や灯具など実用的な用途に広がった。

しかし、水銀は強い毒性を持つため、環境や人体への影響が問題となり、近代以降その利用は大きく制限されている。その後、1875年にメンデレーエフが周期表を発表し、未知の元素として予言したガリウムをポール・ボアボードランが発見し、水銀に代わる低融点金属として研究が進められた。

20世紀には鉛・ビスマス合金などが原子力発電の冷却材として実用化され、21世紀に入ると半導体の冷却材や電子デバイス用途として、より安全で高機能な液体金属の研究と応用が活発化している。

液体金属の特性

液体金属には、固体金属には見られない独特の性質が数多く存在する。その中でも特に注目すべき5つの特性を紹介する。

流動性

液体金属は水のように自由に流れる高い流動性を持ち、細かい隙間や複雑な形状にも容易に広がることができる。この特性は、半導体や電子機器の冷却材として活用されており、熱を効率的に移動させると同時に部材に密着して隙間を埋める効果を発揮する。また、柔軟に形状に沿うため、冷却効率を高め安定した動作環境を実現する用途で利用されている。

熱伝導性・電気伝導性

液体金属は、固体金属と同様に高い熱伝導性と電気伝導性を持つ。熱伝導性とは熱を速やかに移動させる性質であり、電子機器の冷却材として発熱を効率的に拡散する用途に活かされている。また、電気伝導性とは電流を流しやすい性質を指し、液体金属は配線やフレキシブルエレクトロニクスの導電素材として研究が進んでいる。この二つの特性は、高性能デバイスや次世代エネルギーシステムにおいて重要な役割を果たしている。

低融点

液体金属の大きな特性の一つに低融点がある。低融点とは、物質が固体から液体に変化する温度が比較的低いことを指す。液体金属の代表例であるガリウムは約30℃で融解し、常温に近い環境でも液体として利用できる。この特性により、高温を必要とせずに成形や加工が可能で、エネルギー消費を抑えられる利点がある。さらに電子デバイスや冷却材として応用され、柔軟な回路形成や高効率な放熱技術を実現する材料として注目されている。

可鍛性と柔軟性

可鍛性（かたんせい）とは、外部から力を加えても割れずに変形できる性質を指す。また、この柔軟性を活かして繰り返し形状を変えても性能を損なわない特性を持つ。こうした特性は、ロボットなどの開発に利用されており、可動部品に電気的な接続を維持しながら自在に動作させることを可能にしている。

高い表面張力

液体金属は高い表面張力により、液体でありながら球状にまとまろうとする性質がある。そのため基板上でも「にじみ出ず、しっかりした粒」として扱えるため、微小領域への配置や取り扱いが比較的容易である。微小流路内でも散らばらず、球状や柱状の形を保ちやすいため、MEMS（微小電気機械システム）で安定した動作が可能となる。

液体金属の課題

液体金属は優れた特性を持つ一方で、実用化にはいくつかの課題が存在する。ここでは代表的な4つの課題を紹介する

腐食性と金属脆化（ぜいか）

液体金属は一見安定しているように見えるが、鋼やアルミニウムなどと接触すると腐食や侵食を引き起こす性質を持つ。また、液体金属が金属内部に浸透して結晶粒界を弱める金属脆化（ぜいか）が生じると、材料の延性や強度が急激に低下し、破断に至る危険がある。そのため、液体金属を利用する際には材料の選択や表面処理による対策が不可欠である。

コストが高くつく

液体金属は材料自体が高価であり、特にガリウムやインジウムといった希少金属を主成分とする合金は調達コストが高く、供給も不安定である。また、腐食や漏洩を防ぐために特殊な容器や装置を用いる必要があり、その導入や維持にもコストがかかる。加えて、使用後のリサイクルや回収が難しく、ライフサイクル全体での費用負担が大きいことから、コスト面は大きな課題となっている。

長期使用による劣化

液体金属は長期使用において酸化や不純物との反応により組成や物性が変化し、熱伝導性や電気伝導性が低下することがある。また、高温環境下では蒸発や蒸気圧の変動によって性能が不安定となり、寿命が短縮する場合も多い。これらは長期使用時に避けられない劣化の課題であり、安定運用を難しくする要因となっている。

毒性のリスクがある

最後は、毒性のリスクである。液体金属の中には鉛や水銀のように強い毒性を持つものがあり、誤って吸入や皮膚から取り込まれると中枢神経系や肝臓、腎臓に深刻な障害をもたらす危険がある。また環境中に漏出した場合は水質や土壌を汚染し、生態系に長期的な影響を及ぼす可能性が高い。そのため取り扱いには密閉設備や防護具の使用が必須であり、適切な管理体制が欠かせない。

主な液体金属の種類

液体金属には常温で液体となるものから特殊合金まで多様な種類が存在する。ここでは代表的な液体金属を8つ紹介する。

水銀（Hg）

水銀（Hg）は常温で液体状態を保つ唯一の金属元素であり、古代から知られてきた液体金属である。比重が大きく電気や熱を通しやすい特性を持つため、温度変化に応じて体積が変化する性質を利用し、かつては体温計や気圧計などの測定機器に広く使用されてきた。

また、スイッチやリレーなどの電気部品にも用いられ、工業的にも重要な役割を果たしてきた。しかし、揮発性が高く毒性も強いため、吸入や皮膚から体内に取り込まれると中枢神経系や臓器に深刻な影響を与えることが知られている。このため現在では安全性の観点から多くの用途で使用が制限され、代替材料の開発が進められている。

それでもなお、その独特の物性から研究や一部産業分野での利用は続いている。

ガリウム（Ga）

ガリウム（Ga）は融点が約29.8℃と低く、手のひらの温度でも容易に溶ける特性を持つ金属である。銀白色の外観をもち、化学的に安定で揮発性や毒性が低いため、液体金属の中でも安全性が高いとされている。熱伝導性と電気伝導性を兼ね備えており、半導体分野では特に重要な材料である。

代表的な用途として、ガリウムヒ素（GaAs）や窒化ガリウム（GaN）といった化合物半導体の基材に利用され、LEDやレーザーダイオード、高周波デバイスなどの電子部品の製造に欠かせない存在となっている。また、ガリウムは熱媒体や冷却材としても研究が進められており、次世代の放熱技術やエネルギー機器に応用される可能性を持つ。そのため、液体金属の中でも最も広範に産業利用されている元素の一つである。

ルビジウム（Rb）

ルビジウム（Rb）はアルカリ金属の一種で、融点が約39℃と低く、比較的容易に液体状態を得られる金属である。化学的には非常に反応性が高く、空気中や水と接触すると激しく反応し発火する危険があるため、取り扱いには厳重な管理が必要である。

そのため実用利用は限られるが、特定の研究分野では重要な役割を担っている。主な用途としては、原子時計の基準元素として利用されており、高精度な時間計測技術に不可欠である。また、ルビジウム蒸気はレーザー冷却や量子光学の実験に用いられるなど、研究・先端技術に応用が広がっているが、実用化は依然として限定的である。

セシウム（Cs）

セシウム（Cs）はアルカリ金属の一種で、融点が約28℃と非常に低いため、常温に近い環境でも容易に液体状態をとる特性を持つ。ルビジウム（Rb）と同様に極めて反応性が高く、水や酸素と激しく反応するため、通常は不活性ガス中や真空中で管理される。

用途としては、原子時計に利用されることで知られており、セシウム原子の振動を基準にした「セシウム原子時計」は国際的な標準時の基礎となっている。また、光電効果を利用した光電子増倍管や赤外線検出器の材料としても重要であり、精密計測や観測機器の分野で活躍している。なお、特定の合金材料や推進剤としての研究用途もあるが、その高い反応性から工業的利用は限定的であり、安全管理が欠かせない金属である。

フランシウム（Fr）

フランシウム（Fr）はアルカリ金属元素のひとつで、周期表の中でも最も希少で不安定な元素のひとつである。天然ではウラン鉱石中に極微量存在するといわれているが、その量は地球全体でも数十グラム程度と推定されており、単体や化合物を秤量できる量で取り出すことは事実上不可能。また、半減期が極めて短いため実用的な用途は存在しない。

ガリンスタン

ガリンスタンは、ガリウム、インジウム、スズを主成分とする合金であり、常温付近で液体状態を保つことができる液体金属である。最大の特徴は水銀の代替材料として開発された点であり、毒性がなく環境や人体へのリスクが小さいことから幅広い用途で利用が進んでいる。

例えば、従来水銀が使用されていた体温計や医療用センサーに応用されており、安全性の高い測定装置の実現に寄与している。また、高い熱伝導性と電気伝導性を活かし、冷却材や電子デバイスの接点材料としても研究が進んでいる。

さらに、低い蒸気圧や安定性を持つため長期的な使用にも適しており、近年ではマイクロ流体デバイスやソフトロボット工学の分野でも注目されている。こうした特性から、ガリンスタンは次世代の機能性液体金属として重要な役割を果たしつつある。

NaK合金

NaK合金は、ナトリウム（Na）とカリウム（K）を主成分とする液体金属合金であり、両元素を特定の比率で混合することで常温付近でも液体状態を保つことができる。高い熱伝導性と優れた流動性を兼ね備えており、冷却材としての利用価値が高い。

特に原子炉や宇宙開発における熱交換システムでは、限られた空間で効率的に熱を移動させる必要があり、NaK合金はその特性を発揮する。また、電気伝導性を利用して発電や実験用材料としても用いられてきた。ただし、ナトリウムとカリウムはいずれも水や空気と激しく反応し、発火や爆発の危険を伴うため、取り扱いには高度な安全管理が求められる。そのため実用には制約が多いものの、高性能冷却材や特殊研究用途として重要な存在である。

鉛・ビスマス合金や鉛・カリウム合金など

鉛・ビスマス合金や鉛・カリウム合金は、比較的低融点で液体状態を保ちやすい特性を持つ液体金属である。特に鉛・ビスマス合金は融点が約125℃と低く、耐食性や安定性にも優れることから、冷却材として原子炉や加速器のターゲット材に利用されてきた。

一方で鉛・カリウム合金は、鉛の高密度とカリウムの特性を組み合わせることで熱的・電気的特性を調整できる点が特徴である。これらの合金は熱交換効率が高く、エネルギー分野や研究用の特殊装置で活用される。ただし、鉛由来の毒性リスクや環境負荷、ビスマスやカリウムのコストや供給面の課題もあるため、取り扱いや利用範囲には制約が存在する。

液体金属の主な用途

液体金属はその独特な特性を生かし、多様な分野で応用されている。ここでは電子機器から医療、さらには環境技術まで、代表的な5つの用途を紹介する。

電子部品や電子デバイス

液体金属は、優れた熱伝導性と電気伝導性を兼ね備えていることから、電子部品や電子デバイスの分野で広く利用されている。例えば半導体素子では、発熱が性能低下の大きな要因となるため、液体金属は高効率な冷却材としてCPUやGPUなどの熱対策に活用されている。

また、ハンダの代替材料としても注目されており、液体金属を利用することで従来の鉛フリーはんだよりも低い温度で部品を接続できる。これにより製造時の熱負荷を軽減し、精密デバイスの信頼性を高めることが可能となる。さらに、柔軟な配線や再構成可能な回路形成にも応用が進んでおり、次世代のウェアラブル機器やフレキシブルエレクトロニクスの開発に欠かせない素材として期待されている。

エネルギー・原子力

液体金属はエネルギーや原子力分野において、冷却材としての利用が注目されている。従来の原子炉では水が冷却材として用いられるが、液体金属は水より高温での運転が可能であり、効率よく熱を移動させることができる。その結果、より高い出力を安定的に得られる利点がある。実際に原子力潜水艦などで採用された例があり、コンパクトな設備で大きな出力を確保する用途に適している。

しかしながら、液体金属は腐食性や金属脆化を引き起こす可能性があり、配管や設備の劣化を早めるリスクがある。さらに、運転中に放射性同位体が生成されることもあり、安全性や処理の面で課題が残る。加えて、点検や修理の際には取り扱いが難しく、高度な技術とコストを要するため、実用化には慎重な設計と厳格な管理が不可欠である。

体温計や医療センサー

体温計や医療センサーの分野では、かつて水銀が広く用いられていたが、その毒性による健康や環境へのリスクから使用が制限されるようになった。その代替として登場したのがガリンスタンである。ガリンスタンは常温で液体状態を保ち、水銀と同様に膨張率の変化を利用して温度測定が可能であるが、無毒かつ環境負荷が小さい点で優れている。

そのため、現在の非デジタル式体温計の多くに採用され、医療現場でも安全性が高く評価されている。また、導電性と安定性を活かし、皮膚に直接触れて微弱な生体信号を捉える医療センサーにも応用されており、非侵襲的で高感度な診断技術の基盤となっている。

ロボティックス

液体金属は、その柔軟性や高い熱伝導性、電気伝導性を活かしてソフトロボティックスの分野で注目されている。従来の金属材料では実現が難しい伸縮性や可変形性を備えているため、人工筋肉や柔軟な配線として利用され、形状を自在に変えるロボットの実現に寄与している。

また、人と直接接触する医療ロボットや介護ロボットにも応用され、衝撃を和らげつつ安定した動作を可能にする点で有用である。さらに、体内での診断や治療を目的としたマイクロロボットへの利用も研究が進められており、液体金属の自己修復性や柔軟な導電特性が次世代の医療技術を支える可能性がある。このように液体金属は、ロボットの性能向上だけでなく、人と調和した安全で高度なロボット開発を推進する重要な素材となっている。

海水淡水化・資源回収

液体金属は海水淡水化や資源回収の分野でも応用が進められている。東京科学大学の研究グループは液体錫を利用し、海水から淡水と金属資源を同時に得る技術を開発した。具体的には、約300℃に加熱した液体錫に濃縮海水を噴霧し、蒸留により淡水を生成すると同時に、ナトリウムやマグネシウム、カルシウム、カリウムなどの金属を錫に溶解させる。

その後、錫を冷却する過程でこれらの金属を析出させて回収する仕組みである。この方法はヒ素を含む汚染水の浄化にも応用できる可能性が示されており、持続可能な水資源確保と資源循環を同時に実現できる点で注目されている。将来的には実用的なプラントの建設や長期的な連続運用を目指して研究が進められており、環境と資源の両面で革新的な技術となる可能性が高い。

液体金属を取り扱う際の注意点は？

液体金属を安全に扱うには細心の注意が必要である。ここでは注意すべき3つのポイントを紹介する。

アルミ素材の侵食

1つ目は、アルミ素材の侵食に特に注意が必要である。ガリウムやインジウムを含む液体金属は、アルミニウムに容易に浸透し、結晶粒界を破壊して強度を急速に低下させる。この現象は液体金属脆化と呼ばれ、短時間で亀裂や破断を引き起こす危険性がある。

アルミは軽量で広く用いられる素材であるが、この特性のため液体金属との併用は極めて危険である。そのため、液体金属を扱う装置や配管、容器にはアルミを避け、ステンレス鋼や耐食性に優れた特殊合金を使用することが必須である。

導電性によるショート

2つ目に、液体金属の多くは極めて高い導電性を持つため、取り扱いにはショートの危険性を常に考慮する必要がある。例えばガリウムや水銀は電気をよく通すため、もし配線や基板上にこぼれると、意図しない経路で電流が流れ、回路の焼損や機器の誤作動を引き起こす恐れがある。

特に精密電子機器や半導体実験などの環境では、わずかな漏れであっても重大な事故につながる可能性が高い。そのため、液体金属を扱う際は絶縁性の高い容器や器具を使用し、作業環境も漏洩防止を前提に設計することが必須である。

漏れのリスク

3つ目に、液体金属は水のように高い流動性を持つため、わずかな隙間からでも容易に漏れ出す危険がある。特にガリウム合金のように常温で液体状態を保つものは、密閉性が不十分な容器ではすぐに外部へ浸出し、機器内部や実験装置を汚染する恐れが大きい。

漏れ出した液体金属は単なる汚染にとどまらず、接触する部材を化学的に侵食したり、周辺環境に悪影響を及ぼす可能性があるため、取り扱いに際しては漏洩防止を前提とした設計が求められ、専用の耐食性容器や適切なパッキンの使用が不可欠である。

まとめ

液体金属は、常温または比較的低温で液体状態を保つ特殊な金属や合金であり、その流動性、熱伝導性や電気伝導性の高さ、低融点、柔軟性、高い表面張力といった特性から、多様な分野で注目されている。実際に電子部品や半導体の冷却材、医療機器のセンサー、エネルギー分野における冷却材、さらにはロボティックスや海水淡水化技術にまで用途が広がっている。

一方で、腐食や金属脆化、コストの高さ、長期使用に伴う劣化、毒性リスクといった課題も依然として存在し、安全性や経済性の観点から克服すべき問題が多い。現在はガリウムやガリンスタンなどの新素材が実用化されつつあり、水銀に代わる選択肢として医療や産業分野で普及が進んでいる。

液体金属は特性を活かせば従来の材料では難しかった革新的な応用が可能であり、その課題解決に向けた研究開発が今後の産業や社会に新たな価値をもたらすと考えられる。