MIT チームが、骨やアルミニウム合金と同じくらい丈夫な 3D プリント植物由来合成素材を開発

この投稿は warrior bear によって 2022-2-13 20:59 に最後に編集されました。

2022年2月13日、アンタークティックベアは、マサチューセッツ工科大学（MIT）の研究チームが、骨のように硬く、アルミニウムのように丈夫な新しい木材複合材料を設計したことを知りました。これは、グリーンプラスチックの製造への道を開く可能性があります。

△写真は研究チームが木の細胞壁を使って印刷した歯。出典: MIT 木の最も強い部分は幹や広がる根ではなく、小さな細胞の壁です。単一の木質細胞の壁は、自然界で最も豊富なポリマーであり、すべての植物と藻類の主な構造成分であるセルロースの繊維で構成されています。各繊維の中には、ほぼ完璧な結晶パターンで配列された有機ポリマーの鎖である強化セルロースナノ結晶 (CNC) があります。ナノスケールでは、CNC はケブラーよりも強力です。これらの結晶を材料の重要な成分に加工することができれば、CNC はより強力で持続可能な天然由来のプラスチックへの道となる可能性があります。

現在、MITのチームは、主にセルロースナノ結晶と少量の合成ポリマーを混合した複合材料を設計しました。有機結晶は材料の 60 ～ 90 パーセントを占めており、これは複合材料でこれまでに達成された CNC の最高割合です。

研究者らは、セルロースベースの複合材がある種の骨よりも強度が高く、従来のアルミニウム合金よりも丈夫であることを発見した。この素材は、一部の軟体動物の内殻の硬い内層である真珠層に似たレンガとモルタルの微細構造を持っています。

チームは、3D プリントと従来の鋳造の両方を使用して製造できる CNC ベースの複合材料のレシピを偶然発見しました。彼らは複合材料をコインサイズのフィルムに印刷して鋳造し、材料の強度と硬度をテストしました。彼らはまた、この複合材料を歯の形に機械加工し、将来この材料がセルロースベースの歯科インプラント、そしてあらゆるプラスチック製品をより強く、より硬く、より持続可能なものにするために使用できることを示した。

△歯の直接スラリー印刷のプロセス<br /> セルロースナノクリスタル (CNC) は、その優れた機械的特性と化学的特性、そして天然に豊富に存在することから、持続可能なポリマー複合材料の有望な構成要素です。しかし、CNC 分散液の急速なゲル化により、CNC ベースの複合材料は一般に CNC 比率が低くなり、ポリマーが主相のままになります。ここでは、CNC 含有量が 50 wt % を超える架橋 CNC-エポキシ複合材料の配合と処理について報告します。印刷された微細構造は、ポリマーで架橋されたサブミクロンサイズの CNC 凝集体で構成されており、真珠の層状構造に似ており、ナノスケールでの凝集体の脆い挙動にもかかわらず、バルク延性に関連する強化メカニズムを促進します。結果は、63wt% CNC 負荷で複合材料は 0.66GPa の硬度と 5.2MPa m1/2 の破壊靭性を示し、これはアルミニウム合金の硬度や木材細胞壁のセンチメートル規模の破壊靭性に匹敵するものであることを示しています。

「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前例のない機械的特性を与えることができます」と機械工学教授の A. ジョンハートは言います。「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、地球にも優しくなります。」

ゲル結合

毎年、植物の樹皮、木材、葉から100億トン以上のセルロースが合成されています。セルロースのほとんどは紙や繊維の製造に使用され、一部は粉末に加工されて食品の増粘剤や化粧品に使用されます。

近年、科学者たちは、酸加水分解によってセルロース繊維から抽出できるセルロースナノ結晶の利用を研究してきました。非常に強力な結晶は、ポリマー材料の天然の強化材として機能する可能性があります。しかし、結晶は凝集する傾向があり、ポリマー分子と弱い結合しか形成しないため、研究者は CNC を低い割合でしか組み込むことができませんでした。

ジョン・ハート氏とその同僚は、強度と耐久性に優れた形状に成形できる、CNC を高比率で含む複合材料の開発を目指しました。彼らはまず、合成ポリマー溶液と市販の CNC 粉末を混合しました。チームは、溶液を 3D プリンターのノズルから注入したり、鋳型に注いで鋳造したりできる粘度のゲルに変えることができる CNC とポリマーの比率を決定しました。彼らは超音波プローブを使用してゲル内のセルロースの塊を分解し、分散したセルロースがポリマー分子と強力な結合を形成しやすくしました。

彼らは3Dプリンターを使ってゲルの一部を印刷し、残りを型に流し込んだ。次に、印刷したサンプルを乾燥させます。このプロセス中に材料は収縮し、主にセルロースナノ結晶で構成された固体複合材料が残ります。

「私たちは基本的に木材を分解して再構築しました」とアビナブ・ラオ氏は言う。「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実現しました。」

優れた耐亀裂性

興味深いことに、研究チームが顕微鏡で複合材料の構造を観察したところ、セルロース粒子が真珠層に似たレンガとモルタルの構造を形成していることがわかった。真珠層では、このギザギザの微細構造により、亀裂が材料をまっすぐに貫通するのを防ぎます。研究者たちは、新しいセルロース複合材でも同じことが起こることを発見した。

彼らは、ナノスケールおよびマイクロスケールの亀裂を誘発するツールを使用して、材料の亀裂に対する耐性をテストしました。彼らは、複合材料中のセルロース粒子の配列が、複数のスケールで亀裂による材料の分裂を防ぐことを発見した。この塑性変形に抵抗する能力により、複合材料は従来のプラスチックと金属の境界にあるレベルの硬度と剛性を備えています。

次に、研究チームは、ゲルが乾燥する際の収縮を最小限に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、それより大きい物体の場合は、複合材料が乾燥するにつれて歪んだり割れたりする可能性があります。

「収縮を避けることができれば、規模を拡大し続けることができ、おそらくメートル単位まで拡大できるでしょう」とラオ氏は言う。「そして、もっと大きな夢を描けば、プラスチックの大部分をセルロース複合材で置き換えることもできるでしょう。」

ジョン・ハートと彼のチーム（アビナフ・ラオ博士（2018年）、ティボー・ディヴォー、クリスタル・オーウェンズSM（2017年）を含む）は、2022年2月10日にジャーナル「セルロース」に研究結果をオンラインで発表しました。アビナフ・ラオ、ティボー・ディヴォー、クリスタル・E・オーウェンズ、A・ジョン・ハート。階層的な真珠層のような強化を示す印刷可能で鋳造可能なナノ結晶セルロースエポキシ複合材、セルロース、公開日：2022年2月10日。

関連論文リンク: https://link.springer.com/article/10.1007/s10570-021-04384-7
DOI: 10.1007/s10570-021-04384-7.

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