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2024-11-28 09:55:00
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バージニア大学工学応用科学部の研究者らは、ポリマー工学の教科書を書き換えるかのような新しいポリマー設計を開発した。ポリマー材料が硬ければ硬いほど、伸縮性が低くなければならないというのは、もはや定説ではありません。
「私たちは、1839 年の加硫ゴムの発明以来、解決不可能と考えられてきた根本的な課題に取り組んでいます」と材料科学工学および化学工学の助教授、Liheng Cai 氏は述べています。
そのとき、チャールズ・グッドイヤーは、天然ゴムを硫黄で加熱すると、ストランド状のゴム分子間に化学架橋が生じることを偶然発見しました。この架橋プロセスによりポリマーネットワークが形成され、熱で溶けて流動する粘着ゴムが耐久性と弾性のある素材に変わります。
それ以来、ポリマーネットワーク材料を堅くしたい場合は、ある程度の伸縮性を犠牲にする必要があると考えられてきました。
それは、博士が率いる蔡のチームが登場するまでのことだ。学生の Baiqiang Huang は、新しい「折り畳み式ボトルブラシ ポリマー ネットワーク」でそうではないことを証明しました。蔡氏の国立科学財団キャリア賞の資金提供を受けた彼らの研究は、雑誌『雑誌』11月27日号の表紙を飾った。 科学の進歩。
剛性と伸縮性を「切り離す」
「この制限により、伸縮性と剛性の両方が必要な材料の開発が妨げられ、エンジニアは一方の特性を犠牲にして他方の特性を選択することを余儀なくされています」とフアン氏は述べた。 「たとえば、心拍ごとに曲がりながらも何年も持続する心臓インプラントを想像してみてください。」
Huang氏は博士研究員のShifeng Nian氏とCai氏とともにこの論文を最初に執筆した。
架橋ポリマーは、自動車のタイヤから家電に至るまで、私たちが使用する製品のいたるところに使用されており、生体材料やヘルスケア機器での使用が増えています。
研究チームがこの材料で想定している用途には、補綴物や医療用インプラント、改良されたウェアラブルエレクトロニクス、繰り返し曲げたり、曲げたり、伸ばしたりする必要があるソフトロボットシステムの「筋肉」などがある。
剛性と伸張性（材料が破損することなくどこまで伸びたり拡張できるか）は、同じ構成要素である架橋によって接続されたポリマーストランドに由来するため、関連しています。従来、ポリマーネットワークを強化する方法は、架橋をさらに追加することです。
これにより材料は硬くなりますが、硬さと伸縮性のトレードオフは解決されません。架橋が多いポリマーネットワークはより堅くなりますが、変形の自由度が低く、伸ばされると簡単に壊れます。
「私たちのチームは、独自の構造内に余分な長さを蓄えることができる折り畳み可能なボトルブラシ ポリマーを設計することで、剛性と伸長性を『切り離す』ことができる、つまり剛性を犠牲にすることなく伸縮性を高めることができることに気づきました」とカイ氏は述べた。 「私たちのアプローチは、架橋ではなくネットワーク鎖の分子設計に焦点を当てているため、異なります。」
折りたたみ可能なデザインの仕組み
Cai の構造は、直線状のポリマー鎖ではなく、ボトルブラシに似ており、多くの柔軟な側鎖が中央の主鎖から放射状に広がっています。
重要なことに、背骨は、伸びるにつれて広がるアコーディオンのように、折りたたまれたり拡張したりする可能性があります。材料を引っ張ると、ポリマー内部の隠された部分がほどかれ、弱くなることなく標準ポリマーよりも最大 40 倍長く伸びることができます。
一方、側鎖は剛性を決定し、最終的に剛性と伸縮性を独立して制御できることを意味します。
折り畳み可能なボトルブラシポリマー構造を構成する成分は特定の化学タイプに限定されないため、これはポリマーネットワークにとって「普遍的な」戦略です。
たとえば、彼らの設計の 1 つは、低温でも柔軟性を保つポリマーを側鎖に使用しています。しかし、生体材料工学で一般的に使用される別の合成ポリマーを側鎖に使用すると、生体組織を模倣できるゲルを生成できます。
参照： ファン B、ニアン S、カイ LH。ポリマーネットワークの剛性と拡張性を切り離すための普遍的な戦略。 サイエンスアドバンス。 2024;10(48):eadq3080。土井： 10.1126/sciadv.adq3080
#柔軟性と強度を兼ね備えた新ポリマー