金ナノ粒子の「光沢」の新たな用途 - 3Dプリントの欠陥検出

金は常に私たちの想像力をかき立ててきましたが、現在この貴金属には新たな用途があります。それは、3D プリントの欠陥検出です。ヴァンダービルト大学の研究者らは、3Dプリントされた部品の内部を「光で照らす」ことで欠陥を明らかにする金を使った技術を開発した。「これは金を使った欠陥検出の初めての応用例の一つだ」と、土木工学の大学院生でこの研究の主執筆者であるコール・ブルベーカー氏は言う。「埋め込まれた金ナノ粒子の光学特性を利用して、肉眼では見えない欠陥を検査・検出することができた。これは非常に重要なステップで、こうして『欠陥がある、ここにある』と判断できるようになった」

研究チームは、実際には暗い栗色に見える非常に小さな金の粒子を使用しました。ナノ粒子は人間の髪の毛の約10万倍の細さだが、製造上の大きな問題を解決する可能性がある。

金は表面だけが輝くのではありません。ヴァンダービルト大学の研究者は、3D プリントされた構造物の内部でも金を輝かせることができるため、印刷プロセスにおける欠陥を迅速に見つけることができます。研究者らは、この新しい設計方法は、自動車や住宅など、より強固な3Dプリント構造物の作成に役立つ可能性があると述べている。
「3Dプリント素材は、日用品や製品から、自動車や住宅の3Dプリントディスプレイまで、日常生活で一般的になりつつありますが、3Dプリント素材の処理にはいくつかの問題があります」と、化学および生体分子工学の学部長兼教授で、論文の共著者でもあるケイン・ジェニングス氏は述べた。「小さな欠陥や印刷層の欠落が発生することがあります。これらの欠陥により、3Dプリント製品の構造的完全性が損なわれ、弱まり、故障の原因となる可能性があります。」

研究者たちは、印刷された材料に金を埋め込んで、それがこれらの欠陥をマークするのに役立つかどうか試してみることにしました。「指輪の金色に似ていますが、時間が経っても色褪せない非常にユニークな光学特性を持っています」とブルベーカー氏は語った。

この革新的な方法では、金ナノ粒子を溶解したプラスチックポリマーと混合し、それを媒体全体に分散させます。乾燥して硬化すると、プラスチックは押し出され、金ナノ粒子を充填したポリマーフィラメントまたは細いチューブに圧縮され、標準的な 3D プリンターで使用できるようになります。

部品が印刷された後、特殊な UV-Vis 分光光度計に入れて欠陥がないかチェックします。「埋め込まれた金ナノ粒子の吸収特性を利用し、サンプルの表面全体に光をスキャンするだけで、内部で吸収が低下する場所を確認できます。これは、その材料の欠陥を示します」とブルベーカー氏は言います。「1 回の非破壊測定で欠陥を見つけることができます。非常に高速で、わずか数秒です。部品全体にセンサーを配置する必要がある大規模なセンサーシステムに頼る必要はありません。」

学際的な研究チームには、土木・環境工学、化学・生体分子工学、化学部門の研究者が参加し、ナッシュビルのフィスク大学に在籍する学部生の協力も受けた。米国海軍研究局の資金提供による。この技術は特許出願中で、研究結果はACS Applied Nano Materials誌（「金ナノ粒子の光学特性を用いた3Dプリント材料の欠陥の非破壊評価と検出」）に掲載されている。

「この技術でできることはたくさんあります」とジェニングス氏は言う。「3Dプリントされた部品が欠陥を自己検出し、自己報告できることはすでに実証済みです。現在、これらのスマート素材でさらに多くのことを実現する可能性を模索しています。」

「私にとって本当にエキサイティングなのは、この技術を幅広く応用できるということです」とブルベーカー氏は言う。「私たちはまだ表面をなぞっているだけです。」

出典: Materials Science Online

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