「不完全な」完璧さ：ネイチャー誌が、損傷に強い構造の「超結晶」の 3D プリントを報告

出典: X-MOL情報

従来の固体材料において、固体の代わりに格子構造を使用すると、従来の固体では実現できない特性（負のポアソン比など）を持ち、より軽量な新しいメタマテリアル（設計された材料）を得ることができます。構造化材料は、周期的に配置されたノードと支柱で構成され、通常は同じ方向を持つ同一の構造単位で構成され、単結晶の「単位格子」に非常に似ています。その結果、構造材料が降伏点を超えて荷重を受けると、局所的に高応力帯が発生し、材料の機械的強度が壊滅的に低下します。この「降伏後崩壊」現象は、金属単結晶の転位滑りに伴う急激な応力低下に似ています。多結晶材料では、原子面の配置はランダムであるため、せん断力によって 1 つの結晶の亀裂が別の結晶にぶつかると、原子の配置が異なるため、亀裂の伝播が遅くなったり停止したりします。この多結晶材料の特性は、損傷に強い構造材料を設計するための参考として役立ちます。

最近、インペリアル・カレッジ・ロンドンのミン・ソン・ファムなどの研究者は、結晶材料に見られる硬化メカニズムを利用して、結晶材料の微細構造（粒界、析出、相など）をシミュレートし、3D プリントによって、強くて耐久性があり、損傷に強い構造材料を準備しました。このような結晶性メソ構造の設計で得られる自由度は、金属合金の滑りなどの複雑な冶金現象を研究するための代替アプローチも提供します。また、多結晶材料を使用して格子を作成すると、メソスコピックスケールの構造格子内の原子格子や、多結晶のようなメソ構造内の多結晶微細構造など、多層構造材料を生成できることも示しました。さらに、この材料の特性は、マイクロスケール、メソスケール、マクロスケールの格子のさまざまな組み合わせによって簡単に調整できます。

図 1. 3D プリントされた構造化メタマテリアルのモデル。画像出典: インペリアル・カレッジ・ロンドン
著者らはまず結晶性材料の構造から始め、結晶性材料が外部のせん断力にどのように反応するかを段階的に説明します。原子の整然とした配置は格子と呼ばれ、結晶全体の対称性を記述する最小単位である単位セル (図 2a) によって定義されます。単結晶の場合、塑性変形中に単一の滑りモードが現れ (図 2b)、局所的な歪みが生じ、さらなる変形に必要な応力が減少します。多結晶の場合、粒界での格子配向の変化により、ある粒から別の粒への転位の移動が妨げられるか、または阻止され (図 2c)、それによって塑性変形が防止されます。結晶内の析出物と相も結晶内の滑りを制御します。結晶微細構造にヒントを得て、著者らは金属や合金の結晶微細構造をシミュレートする格子を構築することを思いつきました。この格子は、柱（原子結合に相当）で接続された整然と並んだノード（原子に類似）で構成されており（図 2d）、これにより構造化材料の性能が向上します。

図2 格子構造と変形挙動画像出典: Nature
単結晶と単一配向格子構造の類似性を考慮して、著者らは、粒界硬化、析出硬化、多相硬化など、結晶材料に見られるものと同様の硬化メカニズムを導入することで、損傷に耐性のある構造材料を開発できるはずだという仮説を立てました。材料の損傷耐性を高めるには、微細構造内の隣接する粒子間の境界を増やす必要があると研究者らは考えています。彼らは、双晶境界によって分離された「メタ粒子」を含む構造化材料を設計し、3D プリントしました (図 3a/3b)。著者らは、形成されたせん断帯が双晶境界を挟んで対称的であることを観察し、双晶超結晶粒内のせん断帯の挙動が結晶双晶内の滑り活動に似ていることを確認した。著者らはまた、有限要素モデル (FEM) を使用して、せん断帯形成の初期段階をシミュレートしました。シミュレーション結果は、実験で観測された準双晶のせん断帯をよく予測しています（図3c）。外力が加えられると、粒界の配向の変化によってせん断帯の伝播が効果的に制御されます (図 3d/3e)。最も重要なのは、構造化材料の降伏強度は超結晶粒サイズの減少とともに大幅に増加することです (図 3f)。単一配向格子の場合、亀裂が発生し、マクロ格子全体に急速に伝播し、早期かつ急速な破壊につながります (図 3g、破線)。不整合な高角粒界を持つ 8 つの超粒子を含む構造化材料の場合、内部格子配向の回転により、自由表面上の格子が不完全になり、単一配向格子に比べて降伏点が低くなります。亀裂は不連続な高角粒界で止まり、急速な脆性破壊を防ぎます（図3g、実線）。

図 3. 結晶および構造化格子の変形挙動における格子配向の役割。画像出典: Nature
粒界硬化に加えて、析出硬化と多相硬化も冶金学において高性能合金の設計と製造に広く使用されています。著者らはこれらの原理を利用して、損傷に強い構造材料を 3D プリントしています。これらの冶金原理は構造材料の設計にも応用できることがわかりました。

図4. 構造材料における析出硬化と多相硬化。画像出典: Nature

著者らは、上記のすべての戦略を組み合わせて結晶のようなメソ構造を含む構造化材料の特性を制御することで、軽量で累積的な損傷に耐性のある新しい材料を設計できると考えています。実験により、巨視的結晶の中に微結晶を含んだ構造材料である「メタマテリアル」の設計と製造に成功したことが示されました（図5）。たとえば、ミリメートルサイズの面心立方構造材料 (図 5e) には原子面心立方格子 (図 5g) が含まれており、センチメートルサイズの構造化された多粒子マクロ構造 (図 5d) はオーステナイト系ステンレス鋼のミクロンサイズの固有の多粒子微細構造で構成されています。同様に、ニッケル超合金を使用して、ニッケル超合金に見られる γ/γ' 超格子を模倣した構造化されたメソスコピック格子を作成することにより、マルチレベル超格子を生成することができます。このマルチスケール、マルチレベルの結晶構造は自然界には存在しません。つまり、この構造化された材料はメタマテリアルであり、著者らはこれを「メタ結晶」と呼んでいます。

図5. 軽量で損傷に強い構造材料。画像出典: Nature
原子構造をコンピューターでモデル化し、拡大し、多結晶材料に基づいてメソスコピック構造を作成することで、エンジニアは材料の設計方法を変え、「超結晶」と呼ばれる新しい材料を生み出しています。ファム博士はメディアのインタビューで、「今ではより強力な複合材料を印刷することができます。例えば、私たちの方法は車両や建物の建設に使用できます。磁性材料などの機能性材料の組み込みと組み合わせることで、可能性は無限です」と述べました。また、「このスーパークリスタル法は、マルチマテリアル3D印刷技術の最新の進歩と組み合わせることができ、軽量で機械的強度の高い新しい先進材料の開発のための新しい研究分野を開拓し、将来の低炭素技術を進歩させる可能性を秘めています」とも述べました。

出典: X-MOL情報

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