日本の科学者がナノ複合材料の3Dプリントを実現する新しい粉末分散技術を開発

粉末から作られるナノ複合材料は近年、材料分野で注目されており、材料科学に革命をもたらし、高度な機能性材料の新時代を導く可能性があると多くの人が信じています。ナノ複合材料には多くの進歩があるにもかかわらず、愛知県豊橋技術科学大学の武藤弘之氏とその助手であるワイ・キアン・タン氏は、人類はまだナノ材料の潜在能力を完全には探求していないと考えている。「多くの材料科学者が多くの新しいナノ構造を作ろうとしているが、従来の粉末混合法や懸濁液ベースの技術では精密な構造形成を達成するには不十分であるため、ナノ複合材料の潜在能力はまだ実現されていない」と武藤氏は説明した。
△制御可能な統合ナノ粒子微細構造武藤教授は次のように説明しています。「私たちは、この問題はナノ粒子の制御不足に起因すると考えました。ナノパウダーを機械的に混合すると、ナノ粒子が凝集することが多く、その結果、構造が大きくなったり、混合物が不均一になったりして、望ましい特性に影響を及ぼします。たとえば、凝集すると、セラミックやポリマーの導電経路を形成するために、より多くの材料が必要になる可能性があります。ナノ粒子は凝集する傾向が強く、どれだけ撹拌しても分散させることはできません。今必要なのは、複合材料内のナノ粒子の配置をより高度に制御できる技術です。」
△武藤浩之さん（左）と学生が静電吸着組立法を用いてナノ複合材料を製造している。嬉しいことに、武藤研究室が開発した新しい静電吸着組立法は、粉体の分散の問題を効果的に解決できる。ボトムアップ製造技術として、シンプルな粉末冶金プロセスを使用して高度なナノ複合材料を作成します。具体的には、添加剤ナノ粒子と一次微粒子の表面を高分子電解質で改質します。これはシンプルですが非常に効果的な概念です。2 種類の粒子に反対の電荷を与えると、ナノ粒子が凝集するのを防ぎ、より大きな粒子に付着できるようになります。これにより、一次（より大きな）粒子上の添加ナノ粒子の配置をより細かく制御できるようになります。
セラミック複合材料を使用した 3D プリント<br /> 3次元 (3D) 印刷は、ポリマー、樹脂、金属など、さまざまな材料で行うことができますが、セラミックの 3D 印刷はまだ初期段階にあります。主な理由の 1 つは、セラミック粉末が、精密な 3D プリントに使用されるレーザーの波長の光をあまり吸収しないことです。静電吸着アセンブリ法は、レーザー吸収性ナノ材料でセラミック粒子を均一に修飾することで、この問題を克服できます。最近の研究では、武藤氏と彼のチームは、優れた近赤外線吸収特性を示す複合粒子を開発しました。彼らは、選択的レーザー焼結法 (SLS) によってこの材料を直接印刷し、驚くべき結果を達成しました。これは、この新材料が 3D 印刷技術において大きな可能性を秘めていることを実証しています。
この研究は『Advanced Powder Technology』誌に掲載されました。関連論文リンク: https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0921883121002041?via%3Dihub
△複合材料粒子間の界面は、水透過性の微細構造を示します。材料の光学特性を調整する別の応用例としては、ポリマー複合材料を使用して赤外線フィルターを製造することが挙げられます。これらのフィルターは可視波長では透明ですが、赤外線遮蔽効果を発揮するため、自動車のフロントガラスや省エネ窓などの用途に最適です。武藤氏のチームは、ポリメチルメタクリレート（PMMA）のマトリックスにインジウムスズ酸化物（ITO）ナノ粒子を添加した静電吸着組立法を用いてフィルターを製造した。 ITO ナノ粒子の量を変えることで、赤外線遮蔽のレベルを制御できます。
リソースを節約しながらパフォーマンスを向上<br /> 新しい粉末分散技術は、材料と資源を効率的に使用し、責任ある生産と消費という国連の持続可能な開発目標12に沿っています。その精度により、必要な場所に材料を正確に配置することができ、天然資源の使用を最小限に抑えながら機能性が向上します。その良い例としては、導電性カーボンナノチューブを組み込んで導電性セラミックやポリマーを作ることが挙げられます。従来の技術では、凝集の問題があるため、大量のカーボンナノチューブが必要でした。これに対し、静電吸着組立法では、導電経路を形成するのに必要なカーボンナノチューブの量はわずか 0.01% (体積) で、これは従来の技術の 10 分の 1 に相当します。
武藤氏のチームは、ナノシート、ウィスカー、繊維など、さまざまな構造の異なる材料を制御された形で組み立てることを実現することで、複合材料設計におけるこの技術の可能性を実証しました。これらの複合材料は、選択的レーザー焼結、制御可能な光学特性を備えた透明複合セラミックフィルム、再生可能エネルギー技術などのさまざまな用途で非常に有望です。
△ナノシートで装飾された微粒子
ナノパウダーの潜在能力を最大限に引き出す<br /> 武藤氏と彼のチームは、静電吸着組み立て法がナノ複合材料におけるこれまでの期待外れの結果の一部を覆す可能性に期待を寄せています。「従来のプロセスを使用してナノスケールの添加剤を含む製品を製造しようとすると、期待どおりの性能を発揮しない製品が作られることがよくあります」と武藤氏は指摘します。「ナノスケールの添加剤が関係する場合、従来のプロセスは逆効果になることがよくあります。」付加製造などの技術は急速に発展しているものの、その普及を阻む要因の 1 つは、ナノレベルおよびマイクロレベルでさまざまな複合材料を製造するための精密な粉末統合技術を実現できないことです。武藤氏は、多くの場合、ナノ粉末を使用すると複合材料の微細構造を制御することが困難になるという問題があると指摘する。同氏はさらに次のように付け加えた。「当社の静電吸着組立法は、最終的な微細構造の形成を良好に制御することを可能にします。私たちの目標は、この技術を使用することで従来の材料処理を改善できることを示すことでした。」

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