ハーバード大学は3Dプリントを使用して液晶エラストマー材料を制御し、ソフトロボットなどのアプリケーションに新たな道を切り開きます。

2025年2月6日、アンタークティックベアは、ハーバード大学の研究者が3Dプリント技術を使用して、液晶エラストマー（LCE）と呼ばれる合成ソフトマテリアルの特性を制御していることを知りました。液晶エラストマーは、神経系からの信号に応じて筋肉が収縮したり弛緩したりするのと同様に、熱に応じて形状を変えることができます。これらの材料を 3D プリントすることで、ソフトロボットや義肢から圧縮繊維に至るまで、さまざまな用途に新たな道が開かれます。

材料の特性を制御するには、3D プリンターのノズルからエラストマー形成インクを押し出す必要があります。これにより、インクの内部構造が変化し、分子レベルで剛性の構成要素 (メソゲンと呼ばれる) が配置されます。しかし、これらの形状変化材料において特定の目的に沿った配置と結果として得られる特性を実現するには、これまでは印刷条件を完全に最適化するために広範囲にわたる試行錯誤が必要でした。

新たな研究において、ハーバード大学ジョン A. ポールソン工学応用科学大学院 (SEAS)、プリンストン大学、ローレンス・リバモア国立研究所、ブルックヘブン国立研究所の研究者らは、毎回予測可能かつ制御可能な配置 (したがって特性) を持つ LCE を印刷する計画を策定しました。研究者らは、印刷プロセス中にX線特性評価法を使用することで、マイクロスケールでのメソ結晶の配置を定量化し、マルチスケールの迅速な設計と製造を導く基本的な枠組みを確立しました。
マイクロスケールのノズル設計、印刷速度、温度を調整することで、望ましい分子スケールの配置を誘発することができ、それがマクロスケールで所定の形状変形と機械的動作につながります。
△赤は高度に整列した分子で構成され、黒は整列が不十分な分子で構成されています。この研究は、米国科学アカデミー紀要に「印刷された液晶エラストマーの空間的にプログラムされた整列と作動」と題された論文として発表されました。主任著者は、ハーバード応用科学工学大学院のハンスイェルク・ヴィース生物学インスパイア工学教授であるジェニファー・ルイスです。ルイスの研究室は、新しい機能性材料の開発のための 3D プリントインクの分子およびナノスケールの設計において数十年の経験を持っています。この研究は、ハーバード大学の元博士研究員で現在はプリンストン大学の教員であり、設計、ナノスケールの組み立て、X線特性評価、ソフトマテリアルの3Dプリントを専門とするエミリー・デイビッドソン氏が共同で主導した。
△論文リンク: https://doi.org/10.1073/pnas.2414960122
LCE は、液晶部分を構成する個々の鎖が互いに整列しているときに、最適な変形と機械的特性を示します。研究者らは、これらの液晶鎖を細いノズルを通して印刷し、流れ誘起の配列を駆動しました。
「このプロジェクトが始まったとき、押し出しベースの 3D 印刷中に液晶の配列を正確に制御する方法がまったくわかりませんでした」と、SEAS の大学院生で学術パートナーシッププログラム研究員であり、ローレンスリバモア国立研究所の協力者である筆頭著者のロドリゴテレス氏は語ります。「しかし、配列の度合いによって、加熱時の作動と収縮の度合いが異なります。」
△円錐形（上）と双曲線形のノズルを通るインクの流れのシミュレーション印刷プロセス中の分子の配置を研究するために、研究者は円錐形と双曲線形の異なる形状のノズルを使用しました。ノズルの形状はインクの流れ方に影響し、それが分子の配列を制御します。押し出し速度とノズルの形状を変えることで、整列の整った分子の外層が整列の整っていないコアを取り囲むフィラメントと、全体が均一に整列したフィラメントの 2 種類のフィラメントを作成することができました。
彼らの計算と実験により、ノズル内の流れの種類と速度分布によってフィラメントの種類が決まることがわかりました。多くの要因が重要であるが、研究者らは、それらのほとんどをワイセンベルク数と呼ばれる単一のパラメータに組み合わせて、さまざまな印刷条件が分子をどのように配置するかを説明できることを示した。
「3D プリンティングコミュニティのほとんどの人は、比較的少数の市販のプリントヘッドを使用しています」と Davidson 氏は言います。「この研究は、ノズルの形状と流れの詳細に注意を払うことが重要であり、それらを使用して材料の特性を制御できることを示しています。」
研究チームは、米国エネルギー省ブルックヘブン国立研究所の広角X線散乱ビームラインの研究者と協力し、3Dプリントプロセス中の詳細なX線測定を実施した。このアプローチにより、ノズル内部を観察し、さまざまなノズル形状と流れ条件を使用して LCE 配置を視覚化できるようになりました。 X 線測定により、ノズル内の任意の位置における液晶分子の正確な配列度合いを判定することができ、調整可能なノズル設計と印刷パラメータに関連する流れ誘起配列のロードマップが得られました。結果は、双曲型ノズルが従来のノズルよりも優れた均一な位置合わせを実現することを示しています。
△エミリー・デイビッドソンとロドリゴ・テレス（右端）と、ブルックヘブン国立研究所の元および現在の研究者がX線装置のそばにいる。左から右へ: ベンジャミン・ヤヴィット、ルッツ・ヴィーガート、ギヨーム・フレイシェ、ミハイル・ジェルネンコフ。出典：ハーバード大学。
この研究は、適応構造や人工筋肉などの用途に使用できる、プログラムされた形状変形と機構を備えた LCE 構造を製造するための新たな道を開きます。
「広角X線散乱測定を使用することで、液晶エラストマーを『見て』、印刷プロセス中にその配列を顕微鏡レベルで定量化することができ、初めてその処理・構造・特性の関係に関する基本的な枠組みが得られた」とルイス氏は述べた。
この研究の支援者には、国立科学財団（ハーバード材料研究科学工学センターを通じて）と米国陸軍研究局の学際的大学研究プログラムが含まれます。追加の資金は、ローレンス・リバモア国立研究所が主導する、応答性エラストマーの構造形状変化の研究開発プロジェクトから提供されます。研究者らは、ブルックヘブン国立研究所の国立シンクロトロン光源 II にあるエネルギー省の資源を活用した。

ハーバード大学は3Dプリントを使用して液晶エラストマー材料を制御し、ソフトロボットなどのアプリケーションに新たな道を切り開きます。

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