バージニア工科大学のXiaoyu Zhengチームが結晶構造の限界を打ち破り、圧電スマート材料を3Dプリント

文/志社学術サークル

圧電材料は、圧力が加えられると 2 つの反対面の間に電圧を生成する結晶材料です。圧電材料はさまざまな既存のセンサーに存在し、トランスデューサー、センサー、アクチュエーター、ソナー、携帯電話、ロボットに広く使用されています。

1880 年、フランスの物理学者兄弟 P. キュリーと J. キュリーは、水晶の上に重い物を置くと水晶の特定の表面に電荷が発生し、その電荷の量は圧力に比例することを発見しました。圧電材料のこれらの特性を利用して、機械振動（音波）と交流電流の相互変換を実現できます。ライターの点火装置は、圧力をかけた圧電セラミックの先端の放電によって生成されます。

圧電効果は、外部条件の影響下で単位セル内の正イオンと負イオンの相対的な変位によって引き起こされ、正電荷と負電荷の中心が一致しなくなり、結晶の巨視的分極が生じます。圧電電荷の流れの方向は、セラミックおよび結晶材料の格子配列に依存し、それに従います。その電圧出力特性と圧電係数は圧電材料自体の空間格子配置に制限されます。すべての圧電センサーは、シート状に加工するための特定のプロセスを必要とし、その後、シート状になったシートをアレイ状にして、検知する必要がある物体の表面に設置します。そのため、圧電材料の加工の難しさ、脆さ、重量、設計、操作がこの分野における大きな課題となっています。

上記の課題に対処するため、米国東部のバージニア工科大学の研究室に所属する鄭暁宇（レイン）教授と博士課程の学生チームは、この限界を初めて打ち破り、任意に設計して迅速に印刷できる圧電三次元材料を提案しました。これにより、電圧を任意の方向に増幅、低減、反転することができます。この成果は、Huachen Cui、Ryan Hensleigh、Desheng Yaoらによって、2019年1月21日にNature Materialsに「設計された異方性と方向性応答を備えた圧電材料の3次元印刷」と題する論文として発表されました。

彼らの設計は、圧電効果によって生成される格子原理に基づいており、格子の限界を打ち破っています。3次元幾何学構成の投影を2次元投影面に分散させることで、あらゆる方向に異なる圧電出力を持つ人工圧力感知構造を巧みに設計しました（図1）。デザインコンセプトは、おなじみの影絵ゲームと巧みに関連付けられています。このユニット人工格子構造は、配置と組み合わせにより、立体的なトラス状の構造を形成します。設計と電気機械結合有限要素計算により、3 つの座標方向で異なる対称性が実現され、任意の圧電係数の空間方向テンソルが生成され、結晶自体の対称分布をはるかに超える対称分布が実現されます。異なる接続度を持つ設計ユニットを組み合わせることで、異なる剛性と強度特性を同時に持つ完全な構造を作ることができ、電気機械多機能圧電結合材料を実現します。

図1(a)

図1(b)
図1. 3次元投影法を用いた圧電テンソル方向の設計

図2: 高感度圧電材料の合成と積層造形

1 多機能でフレキシブルなウェアラブルスマート素材

チームは、電圧によって活性化されるさまざまな新しいスマート材料を設計し、製造しました。この 3 次元材料は、任意の形状と任意の内部構造の複雑さを持つことができ、材料自体の各ノード、ユニット、および任意の部分に圧電センシング機能があり、追加のセンサーなしで電圧出力を実現できます。研究チームはこの材料のさまざまな潜在的用途を開発しました。柔軟な圧電材料を作成し、その材料を曲面に貼り付けて圧力を検出したり、指を曲げる力を感知するリングに材料を印刷したりしました。同時に、軽量で硬いエネルギー吸収材料を印刷しました。圧電材料は表面への衝撃を感知し、吸収されたエネルギーをリアルタイムで検出できます。

図3: ウェアラブルフレキシブル圧電材料が動圧をリアルタイムで検出

2 自己感知エネルギー吸収材料と装甲

このスマート材料のすべての部分に圧電センサーが備わっているため、これによって印刷された 3 次元構造には追加のセンサーは必要なく、どの位置でも圧力や振動を検出できます。この機能を実現するために、チームは追加のセンサーなしであらゆる場所の障害や衝撃を敏感に検出できるスマートな橋梁構造を設計しました。既存のセンシング技術や構造損傷検出では、これを実現するために、さまざまな場所に多数の圧電センサーを配置する必要があります。既存のセンサー技術では、複雑な構造を測定するには、最終的にセンサーアレイのレイアウトを決定するために、複雑なアルゴリズムの最適化計算を使用する必要があります。この自己センシング3次元材料は、任意の位置に圧電構造材料を使用することで、この問題を初めて解決します（図4）。

図4 インテリジェント圧電橋梁トラス構造

3 ベクトルセンシングフィールド

人工格子設計によって作られた圧電メタマテリアルは、ベクトル検出センシング機能を巧みに実現できます。事前に設計された圧電係数を配置して組み合わせることで、チームはさまざまな電圧シンボルを QR コードとして使用し、任意の場所の機械的波と力の大きさと方向を測定できます (図 5)。チームはさらに、圧電メタマテリアルの機能設計と、自走式圧力センサーの機能実証を実証しました。チームは、ベクトルセンサー、水中検出、生物および自動車の安全保護センサーにも使用できると想定しています。

図5

4 付加製造とメタマテリアル

マイクロ構造メタマテリアルは、2014年からの新しいタイプの材料分野です。材料のマイクロナノ3次元幾何学構造を設計し、高精度の3Dプリントを使用して超軽量材料を作ることで、その密度は水の密度の100分の1以下です。同時に、グラフェンエアグルーやカーボンナノチューブエアグルーよりも数桁高い硬度を持っています。 2014年には早くも、米国エネルギー省ローレンス・リバモア国立研究所に勤務していた鄭暁宇氏が、MITのクリストファー・スパダチーニ氏、ニコラス・ファン氏、および彼らの協力者とともに、超軽量かつ超剛性のメタマテリアルを開発しました（Zheng, X, et al., Ultralight Ultrastiff Mechanical Metamaterials、Science、2014年6月20日）。

彼らは、3Dプリントと光硬化を利用して、マイクロ構造材料を金属、セラミック、有機材料に変え、その超軽量かつ超硬質の特性を実証しました。この研究は、2015年にMITテクノロジーレビューによってトップ10の技術革新の1つに選ばれました。

2016 年、鄭暁宇はバージニア工科大学に加わり、メタマテリアルを大面積およびマルチスケールの分野に拡大しました。彼は、大面積積層造形によるマルチレベル金属メタマテリアルを開発し、スケール範囲を 7 桁に拡大し、数百万のマイクロナノ格子単位をカバーしました。その成果は 2016 年に Nature Materials に掲載されました。 Zheng, X, et al., マルチスケール金属メタマテリアル、Nature Materials、2016 年 7 月 18 日

本論文では、鄭暁宇教授のチームが初めて機械的メタマテリアルにインテリジェンスを与え、その機械的特性すべてを電圧出力に変換し、新しい電気機械結合メタマテリアルを開発しました。

ジョージア工科大学機械工学部の教授であるH. ジェリー・チー氏は次のようにコメントしています。

「著者らは、圧電活性ナノ複合材料、付加製造、メタマテリアルを巧みに組み合わせ、感度が高く制御可能な新しい軽量スマート材料を実現しました。これらのスマート材料は、スマート構造、新しい防具、インテリジェントなウェアラブル材料などの将来のアプリケーションに大きな可能性をもたらします。」

MIT機械工学教授のニコラス・シュアンライ・ファン氏は次のようにコメントした。

この研究は、微細構造機能性圧電セラミック材料の画期的な進歩を示しています。エネルギー収集デバイスや個人用超音波アクチュエータなど、幅広い用途で高性能かつコンパクトな圧電トランスデューサーに革命を起こす可能性を示しています。

ケンブリッジ大学（英国）の材料工学教授であるヴィクラム・デシュパンデ教授は次のようにコメントしています。

この研究は、電磁メタマテリアルの概念と機械メタマテリアルの概念を組み合わせて、応答性の高い圧電材料を作成します。圧電異方性を変更する新しい方法を提供し、スマート材料設計の新しい概念を表しています。

ペンシルベニア州立大学材料科学工学部の教授兼研究担当副学長であるシャシャンク・プリヤ氏は次のようにコメントしています。

「望ましい機械的、電気的、熱的特性を実現できる能力は、実用的な材料の開発に必要な時間と労力を大幅に削減します。」

研究グループ紹介

Xiaoyu Zheng 博士の研究グループは、高度な積層造形とメタマテリアルの設計と開発に取り組んでいます (https://www.raynexzheng.com/)。2017 年と 2018 年に、米国空軍基礎科学部門 (AFOSR YIP AWARD) 若手教授賞と海軍研究局若手教授賞 (ONR YIP AWARD) を受賞しました。

この論文の主な著者は、ライアン・ヘンスリー・ズオ、シャオユ（レイン）・ジェン（責任著者）、フアチェン・クイ（第一著者）、デシェン・ヤオである。

左から：崔華塵、姚徳勝、鄭暁宇、ライアン・ヘンスリー
文/志社学術サークル

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