3Dプリントされた多環式ポリマー（PAM）がサイエンス誌の表紙に登場、流体と固体の二重特性を示す

2025年1月、アンタークティックベアは、米国カリフォルニア工科大学の研究者が、新しいタイプの材料であるポリカテネート建築材料（PAM）を開発したことを知りました。これは、3D構造を形成するために個別の連結リングまたはケージ状の粒子で構成されており、刺激に反応する材料、エネルギー吸収システム、変形可能な建物の開発の可能性を提供します。研究プロセス全体を通じて、研究者らは 3D プリント技術を使用してさまざまな種類の PAM サンプルを製造し、粒子の形状、サイズ、空間配置を正確に制御しました。彼らの研究はScience 誌に掲載され、表紙を飾りました。研究タイトルは「3D ポリカテネート構造材料」です。

背景伝統的な建築材料は、内部構造要素の幾何学的配置を設計することで特定の特性を実現するタイプの材料です。これらの材料の設計は、全体的な機械的動作を制御するために連続した構造コンポーネントに依存しており、通常は、堅固に接続されたトラス、プレート、またはシェルの格子構造で構成されます。周期的に繰り返される単位セルまたは無秩序な構造から効果的な全体特性を得ることができ、高強度、軽量、負のポアソン比などの主要な特性を示すことができます。

しかし、このような材料は境界制約がない場合には粒子間に接着結合が存在せず、したがって張力下での抵抗がないため、「凝集性」が欠如する傾向があります。さらに、鎖かたびらなどの 2 次元の連結織物は、調整可能な剛性と制御可能な形態変化をサポートできますが、3 次元の位相連結構造は十分に研究されていません。

カリフォルニア工科大学の研究では、3D ネットワーク構造を形成する個別の連結リングまたはケージのような粒子で構成される、新しいクラスの材料であるポリカテネート構造材料 (PAM) が紹介されています。 PAM は、せん断減粘やせん断増粘応答などの非ニュートン流体挙動を示し、大きなひずみ条件下では格子やフォームと同様の非線形応力 - ひずみ関係を示します。マイクロスケールでは、PAM は静電気に応じて形状を変えることもできます。この新しい素材は、刺激に反応する素材、エネルギー吸収システム、形状を変える建物の開発の可能性を開きます。

研究内容 研究チームは、任意の結晶ネットワークを連結粒子と幾何学的形状に変換して 3D PAM を作成できる一般的な設計フレームワークを提案しました。このプロセスには次の手順が含まれます。

△PAM設計戦略

●連続グラフトポロジから PAM への変換:結晶ネットワークを選択し、ノードの対称性を識別して、対応する対称性を持つ粒子を整列させ、これらの粒子を隣接する粒子に接続して、元のネットワーク接続を複製します。

●指定された粒子形状に基づいて 3D PAM を生成する:指定された粒子形状 (例: 立方八面体) の複数の対称軸に基づいて、これらの連動環境を単独または組み合わせて使用して、異なるグローバルトポロジを持つ PAM を作成します。

●命名規則:識別を容易にするために、Xn-abc という 3 つの部分からなる命名法が使用されます。ここで、「X」はネットワークトポロジ、「n」は粒子あたりのインターロックの数、「abc」は粒子の形状を表します。

研究者らは、準静的一軸圧縮試験、単純せん断試験、レオロジー試験などの機械的特性評価実験を実施しました。彼らは、PAM の非線形応力-ひずみ挙動、荷重-除荷ヒステリシス、およびエネルギー吸収特性を観察しました。

付加製造技術は新しい材料の開発に役立ちます<br /> 研究の過程で、研究者らはマルチリンクフレーム材料を製造するために、積層造形法、つまり 3D プリントを使用して、これらの複雑な 3 次元連結構造を構築しました。具体的には、研究チームは、マクロスケールとミクロスケールの両方を含むさまざまな種類の PAM サンプルを設計し、3D プリントしました。 3D プリンティングにより、粒子の形状とサイズ、および空間配置を正確に制御することが可能になり、望ましい機械的特性を実現するために重要になります。さらに、研究者らは、マイクロスケールの PAM については、静電気を加えると急速かつ可逆的に形状を変化させる能力があることも実証しました。これは、3D プリントがこれらの複雑な構造を作成するのに役立つだけでなく、さまざまな条件に応じた材料の挙動を調査するためにも重要であることを示しています。要約すると、3D プリント技術はこの研究において重要な役割を果たし、科学者に新しい構造材料を生成しテストするための柔軟かつ効率的な方法を提供しました。

研究方法<br /> この研究では、付加製造技術を使用して PAM サンプルを製造し、分析用に代表的な PAM を 8 つ選択しました。 PAM の機械的応答特性を理解するために、研究者らは以下の実験を実施しました。

△PAMの重力誘起緩和と一軸圧縮

●一軸圧縮試験：さまざまな方向における PAM の緩和挙動と非線形応力-ひずみ特性を評価するために使用されます。

●単純せん断試験： PAM が流体状態から固体状態へ変化する能力を実証します。

●レオロジー試験：振幅スイープおよび周波数スイープ条件下での PAM の貯蔵弾性率、損失弾性率、および複素粘度の変化パターンを明らかにします。

△ PAMのせん断およびレオロジー試験

さらに、研究者らはレベルセット離散要素法（LS-DEM）を使用して PAM の動的接触チェーンをシミュレートし、粒子間相互作用の影響を定量化しました。研究者らは、マイクロスケールの PAM について、電場を加えることで形状の変化に迅速かつ可逆的に適応する能力があることを実証しました。

研究成果<br /> この研究では、PAM は独特の機械的特性を持ち、さまざまな荷重条件下で流体のような挙動と固体のような挙動の両方を示す可能性があることがわかりました。具体的には：

●小さな外部荷重下では、PAM は非ニュートン流体のように動作し、ずり流動化とずり粘稠化の両方の応答を示します。

●大きなひずみの下では、PAM は格子や泡のように動作し、非線形の応力とひずみの関係を示します。

●PAMは繰り返し荷重下でも強靭性を維持し、エネルギー吸収能力を調整できます。

●PAM の臨界降伏ひずみ点は、粒子間の連結トポロジーと形状を調整することでプログラムできます。

● マイクロメートル規模の PAM は静電気に応じて急速に形状を変えることができます。

△PAMのスケール非依存性とマイクロメートルスケールでのPAMの静電駆動

見通し
PAM は幅広い応用が期待される新しいタイプの材料です。必要に応じて機械的特性を調整することができ、スマートデバイス用の刺激応答性材料、壊れやすい物体を保護するための効率的なエネルギー吸収システム、適応型建物の変形可能な構造など、さまざまな用途に適しています。研究者らは、今後の研究ではPAMの設計をさらに最適化し、その性能を向上させ、その応用シナリオを拡大し、その他の潜在的な物理化学的特性を探求することに重点を置くと述べた。

オリジナルリンク: https://www.science.org/doi/10.1126/science.adr9713

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