グラスゴー大学、医療・航空用途向けの自己検知カーボンナノチューブ材料を3Dプリント

この投稿は warrior bear によって 2022-5-11 19:55 に最後に編集されました。

2022年5月11日、アンタークティックベアは、グラスゴー大学が率いる研究チームが、自身の構造の変化の信号を自己感知できる3Dプリント可能なカーボンナノチューブベースのプラスチック素材を開発したことを知りました。
この新素材の開発は、自然界に見られるハニカム、スポンジ、骨などの多孔質細胞形態からヒントを得たと報告されています。この新素材は、同様の従来の素材よりも強靭で、より強く、よりスマートであり、自己感知機能を備えた低密度で強靭な素材を必要とする医療、義肢、自動車、航空宇宙設計の分野で新たな用途が見出されます。
グラスゴー大学ジェームズ・ワット工学部のシャンムガム・クマール博士は次のように語った。「特性と構造のバランスをとって高性能な軽量材料を作る方法について、自然はエンジニアに多くのことを教えてくれます。私たちはこうした形態からヒントを得て、従来の方法で生産される材料に比べて独自の利点があり、物理的特性を微調整して操作できる新しい細胞材料を開発しました。」
△3Dプリント用ナノエンジニアリング設計。画像はグラスゴー大学より。
3Dプリントカーボンナノチューブ<br /> カーボンナノチューブは 1991 年に初めて発見され、それ以来、その望ましい機械的特性により有名になりました。「鋼鉄の100倍の強度、ダイヤモンドの硬さ、銅の1000倍の導電性」と謳われるカーボンナノチューブは、電子機器や浄水フィルターなど、潜在的に重要なさまざまな産業で応用できる可能性があり、優れた機械的、熱的、伝導性の特性を持つ複合材料の開発にも使用できます。
現在までに、カーボンナノチューブ材料は、形状記憶ポリマー、ソフトロボット、生体適合性組織スキャフォールドの 3D プリントに使用されてきました。
このような期待があるにもかかわらず、カーボンナノチューブを使った 3D プリントには依然としていくつかの課題が残っています。課題の 1 つは、印刷中にカーボンナノチューブが絡み合うことで通常発生する「スパゲッティ効果」ですが、ライス大学の研究者らは、この障害を克服し、炭化水素の産業用 3D 印刷のスケールアップを可能にする新しい溶媒を開発しました。
一方、アリゾナ州に拠点を置く新興企業メクナノは、自社のカーボンナノチューブ3Dプリント材料技術が航空宇宙、防衛、医療、自動車産業に「大きな変化」をもたらす可能性があると考えている。
△相対密度30%の3Dプリントセル構造。画像はAdvanced Engineering Materialsより。
自己感知材料 材料にセンシング機能を統合することは、構造物のその場の変形や損傷状態を監視するのに非常に役立ちます。たとえば、自己感知グリッドは、感知、制御、作動がロボット機能の効率向上に重要な、スマートリハビリテーション補助装置やソフトロボティクスの材料構造として使用できます。
新しい素材を開発するために、グラスゴー大学のチームはポリプロピレン（PP）と呼ばれる一般的な工業用プラスチックとカーボンナノチューブを組み合わせ、同様の従来の素材よりも丈夫で強く、スマートであると言われる素材を作り出した。
カーボンナノチューブを非導電性プラスチックに組み込むと、構造全体に電荷が蓄積され、機械的な負荷がかかると電荷が変化します。これは圧電抵抗性として知られており、材料に自身の構造の健全性を感知する能力を与えます。
研究チームはこの新しい素材を使用して、ハニカム、スポンジ、骨など自然界に見られる多孔質材料からヒントを得た 3 つの異なる 3D プリントナノエンジニアリング設計のエネルギー吸収と自己感知特性を調査しました。
研究者らは、FFF 積層造形プロセスを使用して、メソスケールの多孔質構造を持つさまざまな複雑なデザインを作成し、軽量で高い機械的特性を備えたデザインを生み出しました。
「私たちが選んだポリプロピレンのランダム共重合体は、加工性、耐熱性、製品の一貫性、衝撃強度が向上しています」とクマール氏は言う。「カーボンナノチューブは、電気伝導性を与えると同時に機械的強度も高めます。設計時に多孔度を選択し、多孔度の形状を設計することで、特定の品質の機械的特性を高めることができます。」
△各段階での圧縮荷重変化図。画像はAdvanced Engineering Materialsより。
自己検知コンポーネントに対する業界の需要を満たす<br /> 研究者らは3つの異なる形状の多孔質設計をテストし、立方体形状の「プレート状」構造が機械的特性と自己感知機能の最も効果的な組み合わせを示すことを発見した。
単一の圧縮力（増加も減少もない連続的な圧縮）を受けると、格子構造は同じ密度のニッケルフォームと同様のエネルギー吸収能力を示します。この構造は、同様の密度を持つ他のいくつかの従来の材料よりも優れているとも報告されています。
3D プリントされたデザインの強化された機械的特性を観察した後、チームは、そのスマートマテリアルが医療、義肢、自動車、航空宇宙設計の分野で新たな用途を見つけることができると考えています。
これらの分野では軽量工学への注目が高まっており、優れた質量特性を持つ低密度格子の開発への意欲は今後も続くだろうと研究者らは述べている。これらの分野では、この新しい材料が、自己検知機能を備えた低密度で強靭な材料に対する高まる需要を満たすことができると研究チームは考えています。
△PPR/CNTセル構造と最先端のエネルギー吸収セル構造のエネルギー吸収容量の比較。画像はAdvanced Engineering Materialsより。
クマール氏はさらにこう付け加えた。「このような軽量で丈夫な自己感知材料は、実用化に大きな可能性を秘めています。例えば、より軽量で効率的な自動車のボディや、脊柱側弯症などの問題を抱える人のための、体が最適に支えられていないことを感知できる背中用装具の開発に役立ちます。さらに、バッテリー用の新しい構造電極の作成にも使用できるでしょう。」
この研究に関する詳細は、Advanced Engineering Materials 誌に掲載された「付加製造によって実現されたナノエンジニアリング自己感知格子の多機能性」と題された論文に記載されています。この研究の共著者は、J. Ubaid、J. Schneider、V. Deshpande、B. Wardle、S. Kumar です。

関連論文リンク: https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adem.202200194

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