プリンストン大学、ナノスケールの剛性構造を持つ伸縮性、リサイクル可能なソフトプラスチックを3Dプリント

2024年12月17日、アンタークティックベアは、プリンストン大学のエンジニアが、伸縮性と柔軟性を制御できる柔らかいプラスチックを生産できる、簡単に拡張可能な3Dプリント技術を開発したことを知りました。これらのプラスチックは、低価格でリサイクルすることもできます。これらの特性は、通常、市販の材料では同時には見られません。

関連研究は、Advanced Functional Materials 誌に「エラストマーブロック共重合体の 3D 印刷による再処理可能で機械的に調整可能なソフトアーキテクチャ」と題する論文として掲載されました。主執筆者には、Davidson 氏と Ferguson 氏のほか、24 年卒業予定の Benjamin H. Gores 氏、博士研究員の Sean M. Maguire 氏、化学生物工学の大学院生 Emily C. Osterman 氏が含まれています。

論文リンク: https://doi.org/10.1002/adfm.202411812
エミリー・デイビッドソン氏が率いるチームは、熱可塑性エラストマーと呼ばれる広く使用されているポリマーのクラスを使用して、剛性を調整できる柔らかい 3D プリント構造を作成したと報告しています。エンジニアは、3D プリンターで使用される印刷パスを設計してプラスチックの物理的特性をプログラムし、デバイスが一方向に繰り返し伸縮し、曲げられる一方で、別の方向には剛性を維持できるようにすることができます。化学生物工学助教授のデイビッドソン氏は、柔らかい構造材料を設計するこのアプローチは、ソフトロボット、医療機器や義肢、強くて軽量なヘルメット、カスタマイズされた高性能靴底など、多くの用途に使える可能性があると述べた。
大学院生のアリス・ファーガソン（左）と化学生物工学助教授のエミリー・デイビッドソン（画像提供：プリンストン大学）
素材の性能の鍵は、その最も微細な内部構造にあります。研究チームは、弾性ポリマーマトリックス内に厚さ5～7ナノメートルの剛性円筒構造を形成するブロック共重合体を使用しました（比較のために、人間の髪の毛の長さは約9万ナノメートルです）。研究者らは 3D プリントを使用してこれらのナノスケールのシリンダーを配置し、一方向では硬く、他のほぼすべての方向では柔らかく柔軟な 3D プリント材料を実現しました。設計者は、単一のオブジェクト内でこれらのシリンダーをさまざまな方向に向けることができ、その結果、オブジェクトのさまざまな領域で剛性と弾性の両方を示す柔らかい構造が生まれます。
エンジニアは、さまざまな方向に対して硬く柔軟になるように材料をプログラムできます。（画像提供：プリンストン大学）
「私たちが使用するエラストマーは、制御可能なナノ構造を形成します」とデイビッドソン氏は語った。これにより、デザイナーは完成品を細かく制御できるようになります。「さまざまな方向に合わせて特性を調整した材料を作成できます。」
プロセス開発の最初のステップは、適切なポリマーを選択することです。研究者らは、加熱してポリマー溶融物として加工できるが、冷却すると弾性材料に固まるブロック共重合体である熱可塑性エラストマーを選択しました。分子レベルでは、ポリマーは分子が長く連結した鎖です。従来のホモポリマーは分子の長い鎖で構成されますが、ブロック共重合体は異なるホモポリマーが結合して構成されます。ブロック共重合体鎖のこれらの異なる領域は、油と水のように作用し、混ざるのではなく分離します。研究者たちはこの特性を利用して、弾性マトリックス内に剛性シリンダーを備えた材料を製造した。
研究者たちは、ブロック共重合体ナノ構造がどのように形成され、流れにどのように反応するかについての知識を活用して、これらの硬いナノ構造の配列を効果的に誘導する 3D 印刷技術を開発しました。研究者らは、印刷速度と制御された押し出し不足を利用して印刷物の物理的特性を制御する方法を分析しました。
△ 3D 印刷で誘発される TPE トリブロック共重合体プリンストン大学の大学院生で主執筆者のアリス・ファーガソン氏は、この技術と熱アニーリング (材料の制御された加熱と冷却) が果たす重要な役割を紹介しました。「この技術の最も素晴らしい点の 1 つは、熱アニーリングが果たす多くの役割だと思います。印刷後のパフォーマンスが大幅に向上するだけでなく、印刷したものを何度も再利用でき、損傷したり壊れたりしたときに自己修復することもできます。」
△伸縮性材料は、構造を慎重に設計することでさまざまな特性を得ることができます。（画像提供：プリンストン大学）
デイビッドソン氏は、このプロジェクトの目標の1つは、手頃な価格で産業に役立つ、局所的に調整可能な機械的特性を持つ柔らかい材料を作り出すことだ、と述べた。液晶エラストマーなどの材料を使用することで、局所的に特性が制御された同様の構造を作成できます。しかし、これらの材料はどちらも高価（1グラムあたり最大2.50ドル）であり、慎重に制御された押し出しとそれに続く紫外線照射を含む多段階のプロセスを必要とするとデイビッドソン氏は述べた。デビッドソン氏の研究室で使用されている熱可塑性エラストマーは1グラムあたり約1セントで、市販の3Dプリンターを使用して印刷できる。
研究者らは、この技術により、材料の特性を制御する能力を犠牲にすることなく、熱可塑性エラストマーに機能性添加剤を組み込むことができることを実証した。一例では、リン・ルー教授のチームが開発した有機分子を添加し、紫外線にさらされるとプラスチックが赤く光るようにした。彼らはまた、ミニチュアのプラスチック製花瓶や、急カーブを使って「PRINCETON」と綴った印刷文字など、複雑な多層構造をプリンターで作成できることも実証しました。
この小さな花瓶は、一方向には硬く、他の方向には曲げることができます。
アニーリングは、内部のナノ構造秩序の完全性を向上させるため、プロセスにおいて重要な役割を果たします。デイビッドソン氏は、アニーリングにより材料に自己修復特性を与えることもできると述べた。研究の一環として、研究者らは印刷されたプラスチックの柔軟なサンプルを切り取り、それを焼きなますことで材料を再接続することに成功した。修復された材料は元のサンプルと同じ特性を示しました。研究者らは、オリジナルの資料と修復された資料の間に「大きな違いは見られなかった」と述べた。次に、研究チームは、ウェアラブル電子機器やバイオメディカルデバイスなどのアプリケーションと互換性のある新しい 3D プリントアーキテクチャの調査を開始したいと考えています。
このプロジェクトは、プリンストン複合材料センターのプリンストン PCCMSEED 助成金およびプリンストン X プロジェクトイノベーション助成金を通じて、国立科学財団から一部支援を受けました。

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