香港大学物理学・分子生物学ジャーナル：クイーンコンク貝にヒントを得たヘテロ構造の機械的メタマテリアル

出典: MF High Precision

軟体動物の殻は、高度に鉱物化されているにもかかわらず、亀裂の伝播や剪断帯などの他の種類の局所的な変形を効果的に制御する構造設計のおかげで、驚くべき強度と靭性を発揮します。クイーンコンク貝を例に挙げてみましょう。その殻の内部にある交差積層構造は、3次元配置で組み立てられた4つの異なる層の薄板構造で構成されており、並外れた強度と靭性で有名です。クイーンコンク貝の幾何学的設計原理に基づいて、改良されたメタマテリアルは、強度と導電性、および強度と密度の間の典型的なトレードオフを回避できると期待されています。研究者たちは、クイーンコンク貝の交差積層微細構造の3次元の層状かつインタラクティブな構造コンセプトにヒントを得て、新しいタイプの生物にヒントを得た機械的メタマテリアルを設計しました。この革新的な設計により、多数の制御されたせん断帯の発生を可能にし、それらを限られた空間領域内に限定する優れた破壊メカニズムが実現され、メタマテリアルの機械的完全性と全体的なひずみの均一性が大幅に向上します。これらの結果は、強くて丈夫なメタマテリアルを設計するための新たな視点を提供します。

図1. クロスレイヤー構造の概略図。 (a) 生物に着想を得た交差層構造デザインの概略図。 (b) クイーンコンク標本の電子顕微鏡写真。 (c) クイーンコンク貝の5段階の階層構造。 (d) バイオインスパイアードメタマテリアルの5段階の階層構造。スケールバーは上から下にそれぞれ 50 μm、25 μm、200 nm です。
クイーンコンクの内部交差層構造を示す顕微鏡画像。その全体構造は 0o- 90o - 0o の層で構成され、各層は +/- 45o の方向を持つ小さなサブ層で構成され、各サブ層は小さなサブ層の集合体であり、最終的にこれらのサブ層は個々のアラゴナイト結晶の集合体です。そのため、その内部の多層構造には、数十ナノメートルから数センチメートルに及ぶ 4 つの異なるスケールの特徴的な構造が含まれています。この構造からヒントを得て設計されたヘテロ構造メタマテリアルも、基本的な細胞単位から薄いシート、プレート、層、そして最終的に本体まで広がる多層構造を持っています。異なるクロスシート方向を持つシートが構造内で交互に配置され、全体的な周期性と地域的な特異性を組み合わせた新しい構成が作成されます。これは、通常は均一な内部構造を持つ従来の格子メタマテリアルとは大きく異なります。ラメラ間のこの回転は交差積層構造を模倣しており、これがせん断帯抑制の重要な特徴です。

実験者は、7 つの異なるヘテロ構造メタマテリアル構成を確立し、精密に開発された表面投影マイクロステレオリソグラフィー (PμSL) 3D 印刷技術 (nanoArch® S140、精度: 10 μm) を使用して、メタマテリアルサンプルの高解像度の準備を実現しました。実験結果によると、交差層設計のバイオインスパイアメタマテリアルは、圧縮テストで機械的特性の大幅な改善を示しました。たとえば、Hex (6 層) サンプルは Mono サンプルと比較して機械的特性において大幅な改善が見られ、弾性率、降伏強度、流動応力 (30% ひずみ時)、比エネルギー吸収はそれぞれ 64%、25.9%、35.8%、36.4% 増加しました。これらの実験結果は、交差層メタマテリアルが圧縮試験において機械的特性の大幅な改善を示すことを示しており、その中でも内部せん断帯の間隔分布と空間領域の制限がこれらの性能改善を達成するための鍵となっています。この機械的特性の記述の改善は、無次元パラメータ 1/√(h/L) を導入することによってさらに達成されました (ここで、L はサンプルの特性長さ、つまり、原位置圧縮試験におけるサンプルのゲージ長、h はサンプルの最大単層厚です)。この無次元パラメータと弾性率、降伏強度、流動応力、靭性の間には線形相関が見られました。これらのパラメータの相関関係は、設計された交差積層微細構造がバイオインスパイア材料の機械的特性の改善に重要な役割を果たすことを示しています。

図 2. 異なる構造的離散性を持つバイオインスパイアードメタマテリアルのせん断帯分布。 (a) 層の厚さが等しい 5 つのバイオインスパイアードメタマテリアルの構造の概略図。 (b) 2つの特定のひずみにおけるモノサンプルの原位置変形と、対応するデジタル画像相関(DIC)の結果。 (c) 2つの特定のひずみにおけるTriサンプルの原位置変形と対応するDIC結果。 (d) 2つの所定のひずみにおけるHexサンプルの原位置変形と対応するDIC結果。スケールバーは5mmです。
その後、著者らは実験と有限要素シミュレーション (FEM) を使用してメタマテリアルの体系的な比較研究を実施しました。絡み合った層の数が増加すると、メタマテリアル内のせん断帯の数が大幅に増加し、その分布がより均一になります。異なる方向の構造を交互に配置することで、各階層構造内のせん断帯を効果的に制限します。これらの交差ラメラと不均質な配置によるせん断帯の制限により、メタマテリアルの機械的特性が向上し、強度と靭性が向上します。この自己強化応答は、構造の相対密度の増加を犠牲にして実現されるものではありません。デジタル画像相関分析により、ラメラ交差と不均一な配置によって、限られた空間領域で制御された多数のせん断帯が形成されることがさらに検証されました。これらの結果は、交差ラメラと不均一な配置により、降伏強度、流動応力、弾性率、靭性が大幅に向上することを示しています。

図3. バイオインスパイアードメタマテリアルのシミュレーション結果。 (a) 2つの特定のひずみにおけるBiおよびQuadサンプルの原位置変形挙動と最長単一せん断帯、および対応するシミュレーション結果。 (b) Triサンプルの原位置変形挙動と対応するシミュレーション結果。 (c) Triサンプルの切断部分のシミュレーション結果。（d）切断部分の位置の模式図。 (e) プレート間領域とプレート間要素のシミュレーション結果。 (f) 中間層部分のシミュレーション結果。 (g) 細胞間部分のシミュレーション結果。スケールバーは5mmです。
この成果は、香港研究助成委員会、四川省科学技術局、香港イノベーション・テクノロジー委員会、ヒューストン大学のトーマス・ローラ・スー教授職の支援を受けて達成されました。この成果は、「Strombus gigas の殻にヒントを得たヘテロ構造の機械的メタマテリアル」というタイトルで、固体力学のトップジャーナル「Journal of the Mechanics and Physics of Solids」に掲載されました。

オリジナルリンク:
https://doi.org/10.1016/j.jmps.2024.105658

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