ナノスケール金属3Dプリント技術は、ウイルスと同じくらい小さいが超強力という驚くべき利点をもたらす

この投稿は Bingdunxiong によって 2023-11-6 10:02 に最後に編集されました

はじめに：昨年末、カリフォルニア工科大学の研究者らは、わずか3～4枚の紙ほどの厚さのマイクロ金属部品を印刷する新しい製造技術の開発に成功したと発表しました。現在、研究チームは再び技術革新を遂げ、インフルエンザウイルスの大きさに相当する150ナノメートルという極小の物体を印刷できるようになった。その過程で、研究チームはこれらの小さな物体の内部にある原子が無秩序な状態で配置されていることも発見しました。従来の常識に反して、この原子レベルの無秩序さは実際にこれらの材料の品質を向上させ、より秩序だった原子配列を持つ同様のサイズの構造よりも 3 ～ 5 倍の強度になる可能性があります。

2023年11月6日、アンタークティックベアは、この研究がカリフォルニア工科大学の材料科学、力学、医療工学の専門家であり、フレッチャー・ジョーンズ財団のカブリナノサイエンス研究所所長であるジュリア・R・グリア教授の研究室によって行われたことを知りました。この発見の詳細は、Nano Letters誌の論文に掲載されている。

△論文タイトルは「ナノスケール積層造形による階層的微細構造ナノピラーのサイズ効果の抑制」（ポータル）
この新しい技術は、チームが昨年発表した別の技術に似ているが、各ステップがナノスケールで機能するように再設計されている。しかし、これによって新たな課題も生じます。生成される物体は肉眼では見えないほど小さく、操作が難しいのです。

このプロセスではまず、自重の数倍の物質を吸収できるポリマーであるハイドロゲルを主成分とする光に敏感な「混合物」を準備します。次に、レーザーを使用してこの混合物を選択的に硬化させ、目的の金属物体と同じ形状の 3D 足場を構築します。この研究における対象物は、小さな柱とナノ格子の配列であった。

△ジュリア・R・グリア研究室で開発された新技術を使用して作成されたナノスケールの格子。次に、ハイドロゲルにニッケルイオンを含む水溶液を部分的に注入しました。部品が金属イオンで飽和状態になると、ハイドロゲルがすべて燃え尽きるまで焼かれ、部品は収縮して酸素原子と結合した酸化金属イオンのみで構成されるものの、当初と同じ形状のまま残ります。最終段階では、部品から酸素原子が化学的に除去され、金属酸化物が金属の形に戻ります。

この最終段階の部品は予想外の強さを示しました。

△ナノスケールニッケル柱の不規則な内部構造
異常な微細構造

「このプロセスでは、これらすべての熱的および運動的プロセスが同時に発生し、非常に混沌とした微細構造が生じます」とグリア氏は言います。「原子構造の孔や不規則性などの欠陥が見られますが、これらは一般的に強度を低下させる要因であると考えられています。エンジンブロックなど、鋼鉄で何かを作る場合、このような微細構造は見たくないでしょう。なぜなら、材料を著しく弱めるからです。」

しかし、グリア氏は、全く逆の結果が出たと語った。多くの欠陥は、より大きなスケールでは金属部品を弱めますが、ナノスケールでは強化効果をもたらします。

柱に欠陥がない場合、材料を構成する微細結晶が互いに衝突する、いわゆる粒界で壊滅的な破損が発生します。

しかし、材料に欠陥がたくさんある場合、破損が 1 つの粒界から次の粒界に伝播することは困難です。これは、変形が材料全体に均等に分散されるため、材料が突然破損しないことを意味します。

△機械工学専攻の張文鑫さんはナノファブリケーション研究室で働いている
3Dプリンティングはナノ領域に進出

「通常、金属ナノピラー内の転位または滑りとして知られる変形キャリアは、外表面から脱出できるまで伝播します」と、機械工学の大学院生で本研究の主執筆者であるウェンシン・チャン氏は説明する。「しかし、内部に細孔がある場合、伝播はピラー全体にわたって継続されるのではなく、細孔表面ですぐに終了します。経験則として、変形キャリアを核形成することは伝播させるよりも困難であり、これが現在のピラーが他のピラーよりも強力である理由を説明しています。」

グリア氏は、これがナノスケールの金属構造の 3D プリントの最初の実証の 1 つであると考えています。彼女は、このプロセスは、水素触媒、炭素を含まないアンモニアやその他の化学物質の貯蔵電極、センサー、マイクロロボット、熱交換器などのデバイスの重要な部品など、多くの有用な成分の製造に使用できると指摘した。

「当初、私たちはとても心配していました」と彼女は言う。「この微細構造が何の利益ももたらさないなんて、と私たちは思いました。しかし、どうやら心配する必要はなかったようです。なぜなら、それが害でさえないことがわかったからです。それは実際には機能なのです。」

全体として、このプロセスでは、ナノスケールの材料を準備するために複数の複雑なステップと特定のプロセスが必要であり、これは現在通常の 3D プリンターでは実現できない高度に専門化された作業ですが、将来の潜在的な見通しは非常に大きいです。

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