南カリフォルニア大学のヨン・チェンのチームはサイエンス誌に「電界支援によるシェル型スマート構造の3Dプリント」という論文を発表した。

出典: 高分子科学の最前線

軽量で強度の高い構造材料は、航空宇宙、スポーツ、輸送、建設、バイオメディカルなど幅広い用途で使用されているため、ますます注目を集めています。さらに、健康モニタリング用の多機能ウェアラブルセンサーも、その重要な実用的価値により研究のホットスポットとなっています。しかし、ウェアラブル圧電抵抗センサーのほとんどは柔軟性があり、人体を保護することができません。保護特性を備えた多機能ウェアラブルセンサーは、非常に重要な実用的応用価値を持っていますが、その準備が難しい点です。この問題を解決するために、南カリフォルニア大学のヨン・チェン教授のチームとその協力者は、自然から学び、貝殻の層状構造からインスピレーションを得て、電界支援3Dプリントを使用して、保護機能と自己感知機能の両方を兼ね備えた貝殻の微細構造を持つスマートヘルメットを準備しました。「自己検知機能を備えた真珠層にヒントを得た構造の電気支援3Dプリント」と題されたこの論文は、サイエンスの子会社であるサイエンス・アドバンス誌に掲載された。南カリフォルニア大学産業システム工学部のポスドク研究員ヤン・ヤン氏が筆頭著者で、ヨン・チェン教授が責任著者である。共同研究者には、南カリフォルニア大学バイオエンジニアリング部のキファ・ゾウ教授、南カリフォルニア大学土木工学部のキミン・ワン教授、南カリフォルニア大学産業システム工学部の博士課程学生シアンジア・リー氏とジエ・ジン氏、南カリフォルニア大学土木工学部の博士課程学生クンハオ・ユ氏、南カリフォルニア大学材料科学部の修士課程学生ミン・チュー氏とハオファン・サン氏が含まれる。

自然界では、貝殻は柔らかい体を守るために硬い殻を進化させてきました。優れた保護性能の秘密は、軽量設計の基盤となる優れた特徴である、マルチスケールの「レンガとモルタル」構造にあります。 Yong Chen 氏のチームと協力者は、電場支援 3D 印刷技術を使用して、電場を通じて光硬化性樹脂内のグラフェンナノシートの配置を制御し、貝殻を模倣したマルチスケールの微細構造を実現しました (図 1)。

図 1. (A、B) バイオニックシェル構造を作製するための電界支援 3D プリントの概略図、(C、D) 電界によるグラフェンナノシートの配置原理の概略図、(E) 3D プリントされたバイオニックシェルとその微細構造。
この技術は、従来の方法では薄いフィルムや単純なブロック状の殻のような構造しか製造できないという難点を解決します。3Dプリントにより、複雑な形状の3次元構造を製造できるようになります。チームが開発したバイオニックシェル構造は、天然のシェルと同様の靭性と強度を実現しながら、密度が低く、軽量素材のニーズを満たします。微細構造分析により、天然の貝殻で観察されるものと同様の亀裂のたわみが明らかになりました (図 2)。表面処理されたグラフェンナノシートと光硬化性樹脂との強力な接着力により、配置されたグラフェンナノシートはエネルギーを吸収して亀裂を結合する媒体として機能し、亀裂のさらなる拡大を防ぎ、それによって機械的特性を向上させることができます。

図 2. (A、B) バイオニックシェルを作製するための電界支援 3D プリントのフローチャート、(C、D、E) 天然シェルの圧力テスト曲線と破壊微細構造、(F、G、H) 3D プリントされたバイオニックシェルの圧力テスト曲線と破壊微細構造。さらに、グラフェンナノシートは電気伝導性が非常に優れているため、研究チームは機械的、電気的特性に優れた3次元ヘルメットを作製した。スマートヘルメットは、ひび割れの発生や拡大を抵抗の変化を計測して検知し、LED電球の明るさで視覚的に確認して警報を発することで、安全性を高めながら保護機能も備えています（図3）。同時に、3Dスキャンと3Dプリントを組み合わせることで、ヘルメットやその他のスマートウェアラブルデバイスをカスタマイズできるようになります。この新しい製造技術により、軽量で強固かつスマートな構造の設計と製造が可能になります。将来的には、バイオメディカル、航空宇宙、スポーツ、軍事産業の分野で幅広い応用が期待されています。

図 3. (A、B、C) 3D プリントシェルの異方性電気特性と原理の概略図、(D) スマートヘルメットを準備するための 3D プリントのフローチャート、(E、H) 整列していないグラフェンナノシートを含む 3D プリントヘルメットには自己検知機能がありません、(F、I) 電界整列したグラフェンナノシートを含む 3D プリントヘルメットには自己検知機能があります。
出典: 高分子科学の最前線

南カリフォルニア大学のヨン・チェンのチームはサイエンス誌に「電界支援によるシェル型スマート構造の3Dプリント」という論文を発表した。

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