「熱膨張と収縮」の原理を覆し、3Dプリントは負の熱膨張メタマテリアルを生成する

2018年2月25日、アンタークティックベアは、2016年にトップ物理学ジャーナル「PHYSICAL REVIEW LETTERS」に、高温に加熱すると収縮する3Dプリントメタマテリアル構造を紹介する研究論文が掲載されたことを知りました。この現象は、私たちが中学・高校で習った「熱膨張と収縮」という物理学の常識を完全に覆すものです。現在、この微細構造 3D 印刷技術は、深セン Mofang Materials Co., Ltd. によって国内で産業化されています。

科技日報がこれを報じた。この研究は、ローレンス・リバモア国立研究所（LLNL）、マサチューセッツ工科大学（MIT）、南カリフォルニア大学、カリフォルニア大学ロサンゼルス校の科学者らによって実施された。加熱すると収縮する新しいメタマテリアルが初めて3Dプリントされた。この新しい構造は、冷却後に元の体積に戻り、繰り返し使用可能であり、マイクロチップや高精度光学機器など、温度変化の大きい環境で要求される精密作動部品の製造に適しています。

従来の大容量材料の熱力学的特性は、加熱すると膨張し、冷却すると収縮するというものだったが、今回得られたメタマテリアルはまさにその逆で、加熱すると収縮する。この材料は、樹脂とナノ銅粒子を添加した別の樹脂で印刷されたマイクロ格子構造で、梁と中空格子の 2 つの部分で構成されています。異なる材料は加熱時に異なる相対変位を持つため、接続ポイントが内側に伸び、格子構造全体が内側に伸びるように駆動され、独特の熱収縮特性を示します。

MIT機械工学部のXuanlai Fang教授が率いる研究チームが、この研究の3Dプリント部分を担当した。方玄来教授は科技日報との電子メールインタビューで、インクジェットプリンターとデジタル露光機を組み合わせたような顕微鏡立体造形3D印刷技術を使用したと語った。まず、さまざまな材料の液滴を透明な窓に吹き付け、次にデジタルプロジェクターを通じて、固める必要のある液滴の裏側にパターンを投影します。照射された領域はサンプルホルダーに取り付けられた固体シート状の構造を形成し、ウィンドウ上の露出されていない液滴は除去されます。このプロセスを繰り返して、目的の複合材料を得ます。

方玄来教授は、各ユニットの観点から見ると、新しい構造は斜張橋の設計に似ているが、弾性のある鋼棒が比較的柔らかい樹脂に置き換えられ、剛性のある横梁が銅ナノ粒子を添加した樹脂に置き換えられている点を紹介した。加熱すると、最初に柔らかい樹脂が伸び、その後、補強ビームも引っ張られ、アンカーの位置に対して回転します。全体的に見ると、中空格子構造全体が縮小しているように見えます。

この新しい構造は、熱膨張や収縮による焦点のずれを回避する光学レンズ、長時間にわたって熱を発生しても安定性に影響を与えないマイクロチップ、太陽エネルギーの利用効率を高めるデバイス、高温の食品にさらされても本物の歯と完全に一致する歯科用充填材、さらには太陽の強い熱を通過する人工衛星など、温度変化の大きい環境で精密部品を製造するのに適しています。

今日、南極熊は、MITのXuanlai Fang教授の技術が、マイクロナノ印刷システムと精密光学機器の研究開発と生産に注力する深センMofang Materials Co., Ltd.によって中国で産業化されたことを知りました。 BMF Materialsが独自に開発したnanoArchM300マルチマテリアル3Dプリントシステムは、高精度のマルチマテリアル3Dプリントを実現できます。M300は、複雑な構造のサンプルで複数の樹脂材料の同時印刷をサポートしており、基礎理論の検証や原理革新の研究に適しています。主に格子構造材料、機能傾斜材料、メタマテリアル、複合材料、複雑なマイクロ流体、マルチマテリアル 4D プリントなどに使用されます。

nanoArch M300 システムでは、さまざまな材料を液体の形で混合し、塗布した後、UV 光源を使用して硬化させて微細なパターンを形成できます。この方法を使用すると、研究者は、分子構造を変更して新しい材料を形成するのではなく、特定の角度で物体の微細構造内にビームを整然と配置することができます。この新素材は、構成材料が異なるため、加熱時に機能単位ごとに膨張率が異なります。その結果、加熱しても物体全体が膨張するのではなく、内側に収縮し始め、従来の熱膨張・収縮の原理を完全に覆します。

チップ加工などの精密製造分野と同様に、超高精度3Dプリントは複雑なシステムエンジニアリングプロジェクトです。まず、最先端の技術と安定した品質を備えた設備が必要です。ただし、設備は機能プラットフォームにすぎません。破壊的な結果を継続的に生み出すには、印刷材料、印刷ソフトウェア、印刷プロセス、後処理プロセスなどの面で継続的な革新とブレークスルーが必要です。もちろん、これには長期間の基礎研究とプロセス探索が必要です。下の写真は、モロッコの研究開発チームが超高精度印刷技術を使用して印刷したマイクロスプリング構造の顕微鏡写真です。この国際的にトップレベルの精密加工により、この技術の産業化がさらに促進され、その用途が広がります。このような精度と構造を持つ材料は、表面メタライゼーションなどの他のプロセス技術と組み合わせることで、将来的に新しいセンサーの研究開発と生産に使用でき、MEMS分野での応用の見通しがあります。南極熊によると、この2つのマイクロスプリングサンプルは、Mofang Materials社の超高精度単一材料印刷システムnano Arch P110で印刷された。この印刷システムは、XY印刷精度が2μm、印刷層の厚さ精度が5μmである。また、独自のプロセスとソフトウェアアルゴリズムを備えており、マイクロスプリング、メタマテリアル、マイクロ流体などの3次元複雑構造材料デバイスを印刷できる。

出典: 科学技術日報編集者: 南極ベア

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