3Dプリントメタマテリアルの探究：制御可能な無秩序性によって構造的強靭性を高める方法

2025年2月、アンタークティックベアは、ペンシルベニア大学工学部、ペンシルベニア大学人文科学部、オーフス大学の研究チームが米国科学アカデミー紀要Nexusに研究論文を発表し、特定の材料の構造に制御可能な無秩序性を導入することで、破壊靭性を大幅に向上できることを明らかにしたことを知りました。この発見は、機械メタマテリアルの開発に新たな視点を提供します。

メタマテリアルのブレークスルー：内部形状設計の重要な役割<br /> メカニカルメタマテリアルは、3D プリント技術を使用して製造される特殊な材料であり、精密な幾何学的設計により独自の物理的および機械的特性を備えています。しかし、このタイプの材料の大きな課題は、破壊靭性が低いことです。ケビン・ターナー教授は、「材料自体を変更することなく、材料の内部形状を変えるだけで、靭性を2.6倍に高めることができることがわかった」と指摘した。この発見は、内部構造を調整することが材料の性能を向上させる効果的な方法である可能性を示唆している。

△ a) 整列格子と b) 不整列格子の光弾性像 (̅δ = 0.27)

自然からインスピレーションを得る：無秩序なパターンの応用<br /> 研究者たちは、骨や真珠層など、自然界で見つかる、微細だが一見ランダムな変化が特性を高める素材からインスピレーションを得た。これを基に研究チームはさまざまな三角格子パターンの計算シミュレーションを実行し、対称的なデザインとノードの位置を変えたデザインを比較しました。

△乱れ具合の異なる代表的なデザイン3つ

実験結果によると、異なる地域形状を持つサンプルは亀裂の成長に対して最も耐性があることがわかりました。「最高の性能レベルを達成するには、最適な無秩序度が重要であり、つまり、材料の設計において無秩序度の適切な尺度を見つけることが極めて重要だ」と研究者のセージ・フルコ氏は説明する。

△機械工学・応用力学研究者セージ・フルコ

将来に向けて：応用分野の拡大<br /> この研究が進むにつれて、科学者たちは、特に高い亀裂耐性と損傷許容度が求められる航空宇宙などの分野を中心に、より多くの分野で無秩序パターンの可能性を探求したいと考えています。さらに、さまざまな素材を組み合わせ、マルチスケールの幾何学的デザインを統合することで、将来のイノベーションに無限の可能性が生まれます。

3D プリント技術の継続的な進歩により、新たな材料の可能性が開かれています。たとえば、華南理工大学、バーミンガム大学、香港科技大学などの共同チームは、より強靭な 3D プリントセラミック複合材料を開発しました。また、香港城市大学の研究者は、3D プリントポリマー部品の強度を向上させ、冠状動脈ステントや生体インプラントに最適なものにしました。

つまり、制御可能な無秩序性を導入することで材料の亀裂に対する耐性を高めることは、機械的メタマテリアルの開発に新たなアイデアを提供するだけでなく、将来的には複数の分野での幅広い応用の見通しを告げるものです。

オリジナルダウンロード: https://academic.oup.com/pnasnex ... 5680?searchresult=1

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