東呉大学の江、メリーランド大学:バイオニックグラフェン材料を3Dプリント、より軽く、より強く!

東呉大学の江、メリーランド大学:バイオニックグラフェン材料を3Dプリント、より軽く、より強く!
出典: 高分子科学の最前線

マルチスケールの多孔質構造(例えば、Elytrimus vulgarisの茎のマクロ的な中空構造とミクロ的なハニカム構造)を持つ生体材料は、非常に低い密度で優れた機械的特性を示し、軽量で機械的性能の高い先進的な生体材料の設計と製造に優れた参考資料を提供し、材料科学分野の研究のホットスポットになりつつあります。しかし、ほとんどのバイオニック材料は単一スケールでのバイオニック構造設計に限定されており、材料の機械的特性の改善が制限されています。 3 次元グラフェン材料のユニークな特性により、エネルギー貯蔵と変換、電子デバイス、環境工学における幅広い応用が期待されています。しかし、不十分な機械的特性や三次元の複雑な構造を作製することの難しさなどの主要な問題により、三次元グラフェン材料の実用化の可能性は制限されています。マルチスケール有限要素解析により、マルチレベルのバイオニック構造の構築は、3次元グラフェン材料の機械的特性を最大化する上で大きな可能性を秘めているが、同時にその製造方法にも大きな課題があることが示されています。

この記事では、3D プリント技術を使用して、極めて高い弾性と剛性を備えた超軽量の生体模倣グラフェン材料 (BHGM) を製造する方法について報告します。著者らは、マルチスケール有限要素解析を組み合わせ、3Dプリントマクロ多孔質構造と氷結晶テンプレート誘導マイクロ多孔質ハニカム構造を総合的に採用し、マルチスケールバイオニック多孔質構造を設計・構築した。マクロ的な中空構造とミクロ的な多孔質ハニカム構造により、BHGM は極めて低い密度、超高弾性、および最大 95% の圧縮歪みに対する安定性を実現します。マルチスケール有限要素解析により、BHGMバイオニックマルチレベル構造のマクロおよびミクロ多孔質構造が効果的に歪みを吸収および分散し、大きな歪み下での材料構造の損傷を効果的に軽減し、材料の強度と圧縮弾性を大幅に向上できることが示されました。さらに、このインクベースの 3D 印刷戦略には、次のような複数の利点があります。
(i)印刷プロセスは柔軟かつ制御可能であり、迅速かつ大規模な製造に適している。
(ii)マイクロスケールからマクロスケールまでのマルチスケールバイオニック多孔質構造を同時に構築することができる。
(iii)印刷手順を調整することで、マクロ形状とサイズを簡単に制御できます。このマルチスケール多孔質バイオニック構造の設計コンセプトと 3D 印刷戦略を拡張して、他の 2 次元機能性材料の 3 次元バイオニック構造を構築すると、高剛性、超弾性、低密度を必要とするアプリケーションで大きな可能性が生まれます。

グラフィックガイド:
図 1: ウィアーグラスと 3D プリントされた生体模倣多層グラフェン材料。
図 2: 3D プリントされた階層的グラフェン構造におけるマクロスケールからマイクロスケールまでの変形と圧縮ひずみのマルチスケール有限要素解析。
図 3: 3D プリントされたマルチレベル グラフェン材料と生体模倣マルチレベル グラフェン材料の構造と圧縮特性の比較。

図 4: ナノジェネレータの圧縮性電極として 3D プリントされた生体模倣多層グラフェン材料。

論文リンク:
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.201902930

生物学

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