さまざまなメタマテリアルの3Dプリントへの近道

この投稿は Little Soft Bear によって 2017-3-15 17:08 に最後に編集されました。

メタマテリアルは、負の透磁率、負の屈折率、逆ドップラー効果、逆チェレンコフ放射、負のポアソン比、負の熱膨張など、天然素材にはない多くの特別な特性を持つ、人工的に設計された複合構造または複合材料です。メタマテリアルの基本的な物理的特性は、それが構成する材料の限界を打ち破り、その基本的な物理的特性は、メタマテリアル自身の微細な幾何学的構造、すなわち微細構造単位の特性と微細構造単位の空間分布に依存します。

メタマテリアルの概念は、1967 年に旧ソ連の科学者ベセラゴが提唱した「左利きの物質」にまで遡ることができます。通常の媒体は誘電率と透磁率がともに正の値であり、その中の電磁波の伝播は「右手の法則」を満たすため、「右手系物質」と呼ばれます。ベセラゴは、誘電率と負の透磁率が同時に負である物質の電磁気的性質を理論的に研究し、その物質内の電磁波の伝播が「左手の法則」を満たすことを示し、それらを「左手系物質」と呼んだ。しかし、実験的検証が不足していたことと、当時機能性材料が開発の初期段階にあったことから、人々はベセラゴの発見に十分な注目を払わなかった。 2001年、スミス氏とカリフォルニア大学サンディエゴ校の他の物理学者は、ロンドン大学インペリアル・カレッジのジョン・ペンドリー教授が提案した左手系物質を構築するための独創的な設計法に基づいて、銅ベースの複合材料を使用して、マイクロ波帯域で負の誘電率と負の透磁率を持つ材料を初めて作成し、左手系物質の存在を証明しました。 2002年にMITの孔金翁教授は左手系物質の存在の合理性を理論的に証明し、この人工媒体は電磁波の不可視性などに利用できると述べた。

メタマテリアルの発見は、材料設計の分野に新たなアプローチをもたらし、その重要な科学的意義と幅広い応用の見通しは、将来の科学、経済、社会の発展に極めて重要な影響を及ぼすでしょう。 2010年、アメリカの雑誌『サイエンス』は、メタマテリアルを21世紀最初の10年間における自然科学分野における10大ブレークスルーの1つとして挙げました。メタマテリアルの微細構造加工技術は、メタマテリアルが産業化に向かうかどうかの鍵となります。現在、メタマテリアルの加工方法には、レーザー直接描画、電子ビーム露光、イオンビーム露光、紫外線露光などのマイクロナノ加工技術が主に含まれています。 2011年、コーネル大学のウリ・ウェスラー氏が率いる研究チームは、化学的手法を用いてブロック共重合体を自己組織化してナノ構造を形成するという、3Dメタマテリアルを製造する新しい方法を提案した。近年、積層造形技術や3Dプリント技術は、デジタルかつ直接的な製造技術として、形状、材料のデジタル複合または組み合わせ、スケールの面ではナノスケールからメートルスケールの構造までの製造において「望むものが手に入る」ことを実現し、メタマテリアルの処理と実現のための高速チャネルを提供しています。この記事では、デジタル積層造形プロセスに基づく「メタマテリアル」の作成に関する研究事例に焦点を当て、3D プリントとメタマテリアルの統合開発の重要な価値を明らかにします。

熱力学的メタマテリアルの3Dプリント

固体材料は通常、温度変化によって膨張したり収縮したりしますが、材料の熱膨張と収縮により、精密部品の構造安定性と安全性の信頼性が低下し、材料の機能特性が破壊されることもあります。光学機器、マイクロエレクトロニクスデバイス、航空宇宙などのハイテク分野では、部品の寸法安定性、精度、長寿命を確保するために、温度によって形状やサイズが変化しない構造が緊急に必要とされています。ゼロ膨張、ほぼゼロ膨張、および負膨張の材料は、材料科学の重要な分野となり、材料科学の主要な研究ホットスポットとなっています。

材料科学と凝縮物質物理学の研究によると、材料の熱膨張特性は通常の格子振動によって決まりますが、他の物理的効果によっても影響を受けることが分かっています。他の要因によって温度が上昇するにつれて単位格子の体積が収縮し、その影響が通常の原子非調和振動の影響よりも大きい場合、材料は負の熱膨張特性を示します。科学者たちは継続的な研究の結果、ジルコニウムタングステン（ZrW2O8）シリーズの負熱膨張材料、ユークリプタイト（LiAlSiO4）、リン酸ジルコニウムナトリウム（NaZr2P3O12）など、さまざまな低熱膨張材料と負熱膨張材料を次々と報告してきました。しかし、異常熱膨張材料の熱力学的特性に関する研究は比較的少なく、熱膨張係数を調整できる材料を合成して準備することは困難です。 2016年10月25日、米国ローレンス・リバモア国立研究所（LLNL）は研究成果を発表しました。同研究所のエンジニアは、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と協力し、3Dプリント技術を初めて使用して、図1に示すように、加熱すると収縮するメタマテリアル構造を作製しました。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。

負の膨張係数メタマテリアルの微細構造を図2に示します。微結晶構造の設計上のヒントは、八面体原子構造と連動した運動メカニズムを備えた負の膨張係数材料から得られました。立体的な星型は、梁とフレームの2つの部分で構成されています。梁は銅ナノ粒子を添加した樹脂で作られ、フレームは樹脂で作られています。加熱すると、柔らかい樹脂が最初に伸び、強化された梁も引っ張られ、接続点が内側に伸び、格子構造全体が内側に伸びるため、独特の熱収縮特性を示します。この研究成果は、洗練された構造を設計し、適合する材料成分を選択することで、負の膨張係数を持つ材料を作成するための新しい道を開くものであることは間違いありません。

図 1 負の膨張係数のメタマテリアル図 2 負の膨張係数のメタマテリアルの微結晶構造設計された負の膨張メタマテリアル構造を製造する際に、MIT の研究者は投影型マイクロステレオリソグラフィー (PμSL) 3D 印刷技術を使用しました。その原理を図 3 に示します。作業時には、まず異なる材料の液滴を透明な窓にスプレーし、次にデジタルプロジェクターを介してパターンを液滴の背面に投影して固化させます。光で照らされた領域は固体シート構造を形成し、サンプルホルダーに取り付けられます。露出していない窓上の液滴は除去されます。このプロセスを繰り返して、目的の複合材料を取得します。

図3 投影型マイクロステレオリソグラフィー3Dプリントの原理弾性メタマテリアルの3Dプリント

一般的な弾性体のポアソン比は一般にν=0.3～0.5であり、つまり材料は伸ばされると横方向に収縮します。負のポアソン比効果とは、材料が伸ばされると弾性範囲内で横方向に膨張し、圧縮されると横方向に収縮することを意味します。自然界には負のポアソン比を持つ物質が存在しますが、例えば黄鉄鉱、ヒ素、カドミウム、牛の乳首の皮などは、自然界に存在する負のポアソン比を持つ物質です。しかし、負のポアソン比を持つ材料を設計可能な構造材料として開発できるのは、1987年に米国アイオワ大学のレイクスが、通常のポリマーフォームを加工して特殊な微細構造を持つ負のポアソン比を持つ材料を初めて得るまで待たなければなりませんでした。この分野の研究が盛んになり始めました。

負のポアソン比を持つ材料は、通常の材料とは異なる独特の特性を持ち、他の材料にはない多くの点で利点があります。まず、負のポアソン比効果により、せん断弾性率、破壊靭性、熱衝撃強度、耐圧痕性などの材料の機械的特性が向上します。第二に、材料のポアソン比は応力波の伝達と反射、応力の除去、亀裂付近の応力分布に影響を与えるため、ポアソン比が負の材料はファスナーやシートベルトの製造に適しています。外力を受けると、材料の横方向の膨張によって外力の影響を相殺できるため、これらの部品の耐荷重性が向上します。さらに、負のポアソン比人工血管や負のポアソン比脈動拡張器などの負のポアソン比材料を医療分野に使用すれば、動脈硬化や血栓症などの疾患による人体への危険性を大幅に軽減できることが予測される。負のポアソン比フォームは特殊な弾力性と吸音能力も備えており、防音材の製造にも使用できます。

現在、負のポアソン比材料の製造方法は、主に2つのタイプに分かれています。1つは、正のポアソン比材料を変形させて合理的な方法で敷設することで、負のポアソン比効果を得る方法です。もう1つは、革新的な材料構築方法と技術によって、負のポアソン比材料を直接製造する方法です。現在の製造技術は実験室での研究に限られており、材料や構造は理想的な条件下でしか製造できず、実際の工学材料構造の製造には程遠い状況です。しかし、3D プリント技術の応用は、このギャップを縮める上で前例のない助けとなったことは間違いありません。

ジョージア工科大学の Wang K 氏と他の研究者は、図 4 に示すように、引張メタマテリアルを設計しました。ビームアーム部分は剛性材料で作られ、ビームアームヒンジは弾性材料で作られています。この物理オブジェクトは、Objet Connex350 3D プリンターで作成されました。

図 4 (a) デュアルマテリアル引張膨張モデル、(b) 3D プリントされたオブジェクトドイツのマックスプランク研究所のマークと他の研究者は、張力下での正のポアソン比の材料と負のポアソン比のメタマテリアルの反対の収縮と膨張の特性を利用して概念的なパイプラインロボットを設計し、3D プリント技術を使用して印刷しました (図 5 を参照)。中間空気圧装置の伸縮運動により駆動され、上部の負のポアソン比メタマテリアル部分と下部の正のポアソン比マテリアル部分が交互に移動またはロックし、ロボットの前進運動を実現します。

図5 負のポアソン比メタマテリアル特性に基づくロボット用電磁メタマテリアル3Dプリントの概念図

電磁メタマテリアルは、誘電率と透磁率が正、ゼロ、負のいずれかになる人工複合材料であり、負の屈折、逆ドップラー、逆チェレンコフ放射、エバネッセント波増幅などの効果があります。電磁メタマテリアルは従来の天然素材とは異なる電磁媒体を備えているため、負の屈折率を持つ素材、人工磁性、完全レンズ、透明マントなど、現実世界での多くの応用が生まれています。電磁メタマテリアルは通常、基本的な共振ユニット（電気共振器や磁気共振器など）で構成されています。ユニットの共振特性を設計することで、特定の周波数帯域でメタマテリアルの等価電磁パラメータを効果的に制御できます。

西安交通大学の田暁勇らは、勾配屈折率メタマテリアル構造に基づいて、「カーペット型透明カバー」や「電磁ブラックホール」などのデバイスを設計しました。彼らは、製造方法として光硬化3Dプリント技術を使用し、マトリックス材料として感光性樹脂を使用して、これらの複雑な構造の3D電磁デバイスを製造しました。図6に示すように、「カーペット型ステルスカバー」の電磁波透過機能は、中央の凸部による入射電磁波の散乱現象を変化させ、突起部内の物体に対する電磁波の検出効果を隠すことです。実験結果によると、単位構造の特性パラメータを変更し、単位セルの等価誘電率と屈折率を制御可能な設計にすることで、電磁波の制御可能な伝播を実現し、電磁気的不可視性を実現できることがわかりました。

図6 3Dプリントで製造された電磁波「カーペット型ステルスカバー」メタマテリアルは、設計材料科学の観点から、創造活動における「天然素材の特性」の制約から人類を大きく解放しました。 3Dプリント技術は、設計と製造科学の観点から、創造活動における「伝統的製造方法」の制約から人類を解放しました。両者の相互統合アプリケーションは、間違いなく大きな価値と力を発揮します。特に注目すべきは、2017 年 1 月にハーバード大学の Katia Bertoldi 氏とその共同研究者が Nature 誌に研究論文を発表したことです。彼らは、メタマテリアルの開発と設計の基本フレームワークを確立し、メートルスケールからナノスケールまでの複雑な形状を持つ再構成可能な薄壁構造を構築し、エンジニアが形状と機能を変更できるメタマテリアルを作成できるように支援しようとしました。計算モデルに基づいて、科学者たちは数百万の異なるパターンを迅速に検討し、デザインが選択されると、マルチマテリアル 3D プリンターとレーザーカットされた段ボールや両面テープなどの材料の組み合わせを使用して、メタマテリアルのプロトタイプを作成できます。

著者: 胡富文博士、華北理工大学准教授

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