MIT は「骨と同じくらい強く、アルミニウムと同じくらい硬い」植物由来の 3D プリント材料を開発

南極熊紹介： 2022年2月10日、マサチューセッツ工科大学（MIT）の研究者らが、植物由来の新しい3Dプリント複合材料を提案した。天然セルロースを使用して石油由来のプラスチックを置き換えることで、この新素材CNCは強度と環境に優しいという特徴を持ち、プラスチックの優れた代替品となる。

プラスチックよりも強く、丈夫で、環境に優しい新素材<br /> この素材は、合成プラスチックとセルロースナノクリスタル（CNC）の混合物から作られています。セルロースナノクリスタルは、軟体動物の内殻に似た高度に強化された固体構造を持つ、植物に自然に存在する有機ポリマー鎖の一種です。

特殊なプロセスによりこの複合材料の CNC 含有量を 90% まで増やすことで、チームは「特定の種類の骨よりも硬く、従来のアルミニウムよりも強い」新しい材料を手に入れました。合成開発プロセスにおいて、エンジニアは、未知の特性を持つ部品の3Dプリントや鋳造のためのより持続可能な機能を実現することを目的として、材料中のガソリン含有量を減らす実験も行いました。

「CNC を使って高負荷下で複合材を作ることで、ポリマーベースの材料にこれまで不可能だった機械的特性を与えることができます」と、MIT 機械工学教授の A. ジョンハート氏は言います。「石油由来のプラスチックの一部を天然セルロースに置き換えることができれば、地球にとってより良い代替品となるでしょう。」

チームは、大量の CNC を素材に組み込むことで、軟体動物の殻に似た模様を素材に与えることに成功しました。画像はMITより。
CNC の可能性を解き放つ<br /> 各木材細胞の内部には、自然界で最も豊富なポリマーであるセルロースでできたマトリックスがあり、各繊維には強化 CNC が含まれています。このような CNC には結晶パターンで配列されたポリマー鎖がありますが、ナノスケールではセルロースの方がケブラーよりも強力です (セルロースは、紙の製造や、食品、化粧品、繊維産業などでよく使用される元素です)。

CNC は優れた機械的特性を持っているため、現在多くの研究者が、合成プラスチックの強化に使用することを目的として、酸加水分解による CNC の抽出を試みています。しかし、MITチームによれば、この方法ではポリマー分子との結合が弱くなり、塊ができてしまうことが多いため、他の材料に繊維を低濃度でしか組み込むことができないという。

そこで、この欠点を克服するために、MIT のエンジニアは、CNC をエポキシオリゴマーと光開始剤に、ゲル化できる比率で混合した新しい材料を開発しました。このようにして、プラスチックの凝集力の低さによる塊の形成なしに、3D プリントのノズルを通して供給したり、鋳造用の型に注いだりできる粘稠度を備えた新しいナノ複合材料が開発されました。

「私たちは基本的に木材を解体し、再構築しました」と、プロジェクトの研究者の一人であるアビナフ・ラオ博士は説明した。「私たちは木材の最良の成分であるセルロースナノ結晶を取り出し、それを再構築して新しい複合材料を作りました。

MITチームは、セルロースをベースに3Dプリントで作られた歯の模型を使用しました。画像はMITより。
割れにくいナノ複合材料 MITの研究者らが顕微鏡で新素材を調べたところ、一部の軟体動物の殻の内側を覆う強靭な生体鉱物である真珠層に似た模様が特徴的であることがわかった。ジグザグの微細構造と最大 90 パーセントの CNC 負荷容量により、チームはセルロースベースの複合材を印刷または成形して、耐久性の高い新製品にすることができると推測しています。

この仮説を検証するために、エンジニアたちは、空気圧式押し出し機を備えた DIW Hyrel 3D Engine SR プリンターにゲルを投入し、0.5 mm の層状部品に堆積させてから、テスト前に硬化、乾燥、研磨を行いました。

この材料は将来、木材由来の歯科インプラントの製造に使用される可能性がある。画像はMITより。
実験結果によると、ゲルは押し出されると80％収縮した。実験をテストし分析した後、研究チームは、これは初期乾燥プロセス中の溶媒蒸発の問題であると結論付けた。しかし、乾燥と熱硬化のステップの間で、材料が形成される際の収縮がはるかに少なく、プローブ超音波発生装置を使用して CNC をゲルに分散させることも、それらをポリマーと組み合わせる効率的な方法であることがわかりました。

研究チームは、ゲルが乾燥する際の収縮を抑える方法を模索している。小さな物体を印刷する場合、収縮は大きな問題にはなりませんが、大きな物体の場合は、複合材料が乾燥するにつれて、反りやひび割れが発生するという問題が現状です。

南極熊のコメント： MITのこの材料はまだ実験段階ですが、エンジニアたちはこの材料の強度と持続可能な開発の利点、そして3Dプリントにおけるこの新材料の将来の発展の見通しを固く信じています。短期的な目標は、この新材料がセルロースベースの歯科インプラントやさらに大きな環境に優しい部品の製造に応用されることを期待することですが、工業的な大量生産を実現するには、ナノ複合材料の収縮問題を改善して解決する必要があります。

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