米国の研究者が「3D成長」付加製造技術を開発

出典: Xianji.com

Antarctic Bearによると、米国エネルギー省ローレンス・バークレー国立研究所とカリフォルニア大学バークレー校の研究者らは、結晶性材料の結晶化を制御して望ましい構造を形成できる「3D成長」付加製造技術を開発したという。研究者らは、3Dポリマーグラフトナノ粒子（PGNP）結晶と呼ばれるナノ粒子複合材料を開発しました。研究者らは、溶液からのポリマーの堆積プロセスを制御することで、3D PGNP 結晶のサイズと形状を制御し、単一粒子レベルでの結晶構造の制御を実現しました。溶液が蒸発した後、最初に材料が形成されます。この研究は、電子・光学機器の製造をナノメートルレベル（10億分の1メートル）で微調整する上で前例のない精度を実現すると期待されている。

米国エネルギー省ローレンス・バークレー国立研究所（バークレー研究所）とカリフォルニア大学バークレー校の科学者が率いる研究チームは、3次元結晶に成長させることができるナノ粒子複合材料を開発した。科学者たちは、ネイチャー・コミュニケーションズ誌に最近発表された研究で3D PGNP（ポリマーグラフトナノ粒子）結晶と名付けられたこの新素材が、3Dプリントではなく3D成長の新しい技術につながる可能性があると述べている。

「我々は、スマートビルディング用のナノスケールフォトニクスからロボット用アクチュエーターまで幅広い用途を持つ、結晶材料を複合材料や構造材料に成長させるためのいわば新しい手段を実証した」と、この研究の主任著者であるティン・シュー氏は述べた。シュー氏はバークレー研究所の材料科学部門の主任科学者であり、カリフォルニア大学バークレー校の化学、材料科学、工学部の教授でもある。

徐氏は、この新しい方法は大規模製造の要件を満たしていると述べた。「多くの賢い人々が、ナノ粒子を結晶化するために、DNAや超分子などの優れた化学反応を設計してきました。私たちのシステムは、基本的にナノ粒子とポリマーのハイブリッドです。飛行機の翼や車のバンパーを作るのに使われる材料に似ています。しかし、さらに興味深いのは、私たちの方法がこれほど単純で、これほど速いとは予想していなかったことです」と徐氏は語った。

偶然の発見<br /> カリフォルニア大学バークレー校の徐氏のグループの博士研究員で、論文の筆頭著者であるYiwen Qian氏は、通常の実験室実験中に偶然に3D PGNPナノ結晶を発見した。

数日前、彼女はトルエン溶媒とポリスチレンにグラフトされた金ナノ粒子（Au-PS）の溶液を、実験室のカウンターにある遠心管に入れました。透過型電子顕微鏡（TEM）でサンプルを観察したところ、奇妙なことに気づいた。ナノ粒子が急速に結晶化していたのだ。「それは普通の期待ではない」と彼女は言った。

この研究を行うために、徐氏はバークレー研究所分子ファウンドリーの科学者ピーター・エルシウス氏、バーミンガム大学のヴォルフガング・タイス氏、アレッサンドラ・ダシルバ氏と協力した。彼らはいずれも、高度に集束した電子ビームを使用して材料の3D構造の高解像度画像を再構築する電子顕微鏡技術であるSTEM（走査透過型電子顕微鏡）トモグラフィーの専門家として広く評価されている。

研究者らは、STEMトモグラフィーの世界有数のユーザー施設である分子ファウンドリーの顕微鏡を使用して、まずAu-PSナノ粒子の結晶3Dパターンを捉えました。

さらなる手がかりを求めて、徐氏と銭氏はカリフォルニア大学バークレー校で核磁気共鳴分光法の実験を行い、遠心分離管の内壁から微量のポリオレフィン分子が何らかの形で混合物に混入していることを発見した。ポリエチレンやポリプロピレンを含むポリオレフィンは、世界で最も普及しているプラスチックの 1 つです。

銭氏は、Au-PS 溶液にさらにポリオレフィンを加えて実験を繰り返しました。今度は、数分以内により大きな三次元 PGNP 結晶が得られました。

徐さんは驚いた。「『こんなに早く起こるはずがない』と思いました」と彼女は思い出す。ナノ粒子の結晶は、通常、研究室で成長するのに数日かかる。

業界にとって朗報：ナノスケールの材料の成長<br /> その後の実験で、トルエン溶媒が室温で急速に蒸発するため、ポリオレフィン添加剤が Au-PS ナノ粒子の 3 次元 PGNP 結晶の形成を助け、好ましい結晶構造に成長することが明らかになりました。もう一つの重要な実験では、研究者らはピラミッドの底部のように見える自己組織化された100～200ナノメートルの結晶ディスクを設計した。ナノスケールで物質を制御するというこの驚くべき実証から、研究者たちは、3D PGNP 結晶のサイズと形状は、溶液から沈殿するポリオレフィンの運動エネルギーによって決まることを知りました。

全体として、この発見は「単一粒子レベルで結晶構造を制御する方法を示すモデルを提供している」と徐氏は述べ、核形成の初期段階で結晶がどのように形成されるかについて新たな洞察を提供するため、この発見は非常に興味深いと付け加えた。

「原子を隣り合わせに並べるのは難しいので、これは難しい作業だ」とエルシウス氏は言う。

徐氏は、この新しい方法により、研究者はナノスケール（10億分の1メートル）で電子・光学機器を微調整する前例のない制御が可能になると述べた。このナノメートルレベルの精度により、生産がスピードアップし、製造上のミスがなくなると彼女は付け加えた。

今後、銭氏はこの新しい技術を使ってさまざまな結晶構造の強度を調べ、さらには六方晶系の結晶を作り出すことを望んでいる。 Xu 氏は、この技術を使ってトランジスタなどの大型デバイスを成長させたり、ハイブリッド材料でナノ粒子を 3D プリントしたりすることを計画している。

「異なる形態で何ができるでしょうか？鉱物とポリマーから単一成分の複合材料を作ることが可能であることを私たちは示しました。これは本当にエキサイティングです。時には、適切な場所に適切なタイミングでいなければならないのです」と徐氏は語った。

論文の共著者には、英国バーミンガム大学のアレサンドラ・ダ・シルバ氏とヴォルフガング・タイス氏、カリフォルニア大学バークレー校の徐氏のグループの学部研究員エミー・ユー氏、バークレー研究所分子ファウンドリーのクリストファー・L・アンダーソン氏とイー・リウ氏などが含まれている。

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