ライス大学は、カーボンナノチューブ 3D プリントにおける「スパゲッティ」効果を克服するために酸性溶媒を使用しています。

この投稿は Bingdunxiong によって 2022-4-30 16:53 に最後に編集されました

2022年4月30日、アンタークティックベアは、ライス大学の研究者が、カーボンナノチューブが絡み合ったときに発生する「スパゲッティ」効果を防ぐことができる新しい酸性溶媒を開発したことを知りました。この溶剤は、従来の製造プロセスと互換性があるだけでなく、カーボンナノチューブの処理を簡素化する可能性があり、産業用 3D プリンティングとロールツーロール生産のスケールアップを可能にします。

△ライス大学はカーボンナノチューブに適した新しい酸性溶媒を開発した。ライス大学のパスクアリ研究グループによるビデオ「銅、アルミニウム、ニッケル鉱石の採掘を増やすのは得策ではないかもしれないと人々は気づいている」とライス大学の化学・生体分子工学、化学・材料科学、ナノ工学の教授であるマッテオ・パスクアリ氏は述べた。「しかし、これらの希少金属は炭化水素で置き換えることができる。だから、金属の代わりに炭素材料の使用をできるだけ拡大する必要がある」

△ライス大学が開発した溶媒で処理すると、この顕微鏡画像に見られるカーボンナノチューブの「スパゲッティ」状の絡まりは問題ではなくなります。画像提供：ライス大学のパスクアリ研究グループ
3Dプリントカーボンナノチューブ<br /> この物質は1991年に発見されて以来、人々の注目を集め続けています。カーボンナノチューブは、鋼鉄の100倍の強度、ダイヤモンドの1000倍の硬さ、銅の1000倍の導電性を持つ新素材です。現在、電子機器や浄水フィルターなど、カーボンナノチューブのさまざまな産業用途の開発が進められています。

現在、カーボンナノチューブは樹脂充填材に使用されており、機械的、熱的、電気的特性を強化した複合材料の開発に適しています。しかし、3D プリントでの使用には依然として大きな課題が残っています。

これまで、カーボンナノチューブ材料は、ソフトロボット用途の形状記憶ポリマーの 3D プリントに使用され、また、その生体適合性により、組織足場などにも使用されてきました。

昨年4月、アリゾナ州に拠点を置くスタートアップ企業Mechnanoは、3Dプリント技術向けに特別に開発されたカーボンナノチューブ技術をベースにした静電気防止（ESD）樹脂を発売した。同社は、マテリアルジェッティングとバット光重合システムを使用してカーボンナノチューブ部品を製造した最初の企業であると主張しており、この技術が航空宇宙、防衛、医療、自動車などの業界に「大きな変化」をもたらすと確信している。

△ライス大学で開発されたカーボンナノチューブインクのみで作られた3Dプリントシリンダー。画像提供：ライス大学のパスクアリ研究グループ
酸性溶媒がナノチューブの「スパゲッティ」の絡まりを解く カーボンナノチューブを扱う際の問題点の 1 つは、絡まりやすく、印刷中に恐ろしい「スパゲッティ」効果を生み出すことです。このため、研究者はこれまでこの材料の潜在能力を完全に実現することができませんでした。ライス大学のチームによると、3Dプリントのプロセス中にナノチューブを分離することが、この影響に対処する効果的な方法だという。

上記の問題に基づいて、研究チームは、溶液中の絡み合ったナノチューブを分離し、優れた電気的および機械的特性を持つフィルム、繊維、またはその他の材料に変換するのに役立つ酸ベースの溶媒を開発しました。この溶剤は、メタンスルホン酸 (MSA)、p-トルエンスルホン酸 (pToS)、発煙酸という独自の酸の組み合わせで構成されており、これらを組み合わせると、ナノチューブ処理に現在使用されているものよりも腐食性が低くなります。

これまで、ナノチューブを分離するために発煙硫酸とクロロスルホン酸が使用されてきたが、これらは腐食性が極めて高い。現在、発煙硫酸と弱酸のMSAおよびpToSを組み合わせることで、カーボンナノチューブ部品に幅広く適用できるプロセスが生まれました。

「発煙硫酸は個々のナノチューブを取り囲み、局所的に正電荷を発生させます」と、ライス大学の大学院生で、現在はシェルの研究科学者としてこの研究に携わったロバート・ヘドリック氏は述べた。「この効果により、それらは互いに反発し合うことになります。」

絡み合いを解消した後、MSA と pToS 酸によってナノチューブがさらに分離されました。研究者らは、MSA は繊維紡糸とロールツーロールフィルム製造に最適である一方、pToS は融点が 40 度であるためナノチューブ溶液を中程度の温度で処理し、その後冷却して固化できるため 3D 印刷に適していることを観察しました。

△研究の詳細については、科学誌「Science Advances」に掲載された「Versatile acid solvents for pristine carbon nanotube assembly」という論文をご覧ください（クリックすると移動します）。画像提供：Science Advances その後、研究チームは安定した液晶溶液を使用してカーボンナノチューブエアロゲルを3Dプリントし、さまざまな表面にパターンをスクリーン印刷しました。 MSA と pToS は処理中に有害なガスを放出せず、その後の清掃も容易であることが分かりました。プロセス完了後に酸を回収することもできるため、環境への影響とコストが削減されます。

「私たちが使用する酸は非常に穏やかなので、通常のプラスチックにも使用できます」とヘドリック氏は付け加えた。「この技術は、多くの材料処理および印刷技術における技術的課題を解決します。」

次は何ですか？同大学は、空軍科学研究局、米国エネルギー省、NASAの宇宙技術研究所、ロバート・A・ウェルチ財団など、いくつかの有力組織から支援を受けている。

チームの次のステップは、さまざまな用途に合わせて溶媒を微調整し、キラリティー（物体がその鏡像とどのように異なるか）やサイズなどの要因がナノチューブの取り扱いにどのように影響するかを判断することです。

ライス大学は、カーボンナノチューブ 3D プリントにおける「スパゲッティ」効果を克服するために酸性溶媒を使用しています。

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