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MITエンジニアは、強力で伸縮性のある合成「メタマテリアル」を印刷| MITニュース

メタマテリアルの設計では、ゲームの名前は長い間「強い方が良い」ことがあります。メタマテリアルは、全体的な材料に例外的な特性を与える顕微鏡構造を持つ合成材料です。従来のカウンターパートよりも強くて硬いメタマテリアルを設計することに大きな焦点があります。しかし、トレードオフがあります。硬い素材であり、柔軟性が低くなります。MITエンジニアは現在、強力で伸縮性のあるメタマテリアルを製造する方法を見つけました。基本材料は通常、非常に硬くて脆弱ですが、強くて柔軟な構造を形成する正確で複雑なパターンで印刷されています。新しい素材の二重特性の鍵は、硬い顕微鏡ストラットと柔らかい織物の建築の組み合わせです。プレキシガラス様ポリマーを使用して印刷されたこの顕微鏡「ダブルネットワーク」は、完全に壊れることなく4倍以上のサイズを伸ばすことができる材料を生成しました。それに比べて、他の形態のポリマーは、ひび割れた後、簡単に粉砕されず、粉砕されません。研究者は、たとえば伸縮性のあるセラミック、ガラス、金属を製造するなど、新しい二重ネットワーク設計を他の材料に適用できると言います。このような頑丈で曲がった材料は、涙抵抗性のテキスタイル、柔軟な半導体、電子チップパッケージ、および組織修復のために細胞を栽培する耐久性があるが準拠した足場にすることができます。「私たちはメタマテリアルのためのこの新しい領域を開いています」と、MITのロバートN.ノイスキャリア開発准教授であるカルロスポルタラは言います。 「ダブルネットワークの金属またはセラミックを印刷することもできます。これらの利点を多く得ることができます。Portelaと彼の同僚は、ジャーナルで今日彼らの発見を報告しています 自然素材。彼のMITの共著者には、第一著者のJames Utama Surjadi、Bastien AymonとMolly Cartonが含まれます。インスピレーションのジェル他の研究グループとともに、Portelaと彼の同僚は、通常、プレキシガラスやセラミックに似た従来のポリマーを使用して顕微鏡格子を印刷またはナノファブリケートすることにより、メタマテリアルを設計しました。それらが印刷する特定のパターン、またはアーキテクチャは、結果として生じるメタマテリアルに対する卓越した強度と耐衝撃性を与えることができます。数年前、ポルテラはメタマテリアルが本質的に硬い素材から作られることができるかどうかに興味がありましたが、それをはるかに柔らかく、伸縮性のあるバージョンに変える方法で模様されています。「メタマテリアルの分野は、ソフトマターの領域に実際に影響を与えようとしていないことに気付きました」と彼は言います。 「これまでのところ、私たちは皆、可能な限り硬くて強力な素材を探しています。」代わりに、彼はより柔らかく、伸縮性のあるメタマテリアルを合成する方法を探しました。従来の格子ベースのメタマテリアルと同様の顕微鏡ストラットやトラスを印刷するのではなく、彼と彼のチームは、織り込まれた泉またはコイルの建築を作りました。彼らは、彼らが使用した材料自体がプレキシガラスのように硬いものであるが、結果として生じる織物のメタマテリアルはゴムのように柔らかく弾力性があることを発見した。「彼らは伸縮性がありましたが、柔らかすぎて準拠しすぎました」とポルテラは回想します。より柔らかいメタマテリアルを大きくする方法を探して、チームはまったく異なる素材であるヒドロゲルにインスピレーションを見つけました。ヒドロゲルは、主に水と少しポリマー構造で構成された柔らかく、伸縮性のあるゼルオのような材料です。 MITのグループを含む研究者は、柔らかくて伸縮性のあるヒドロゲルを作る方法を考案しました。彼らは、ポリマーネットワークを、自然に硬い分子のネットワークなど、非常に異なる特性と組み合わせることでそうします。ポルテラと彼の同僚は、そのような二重ネットワークのデザインがメタマテリアルに適応できるかどうか疑問に思いました。「それが私たちの「aha」の瞬間でした」とポルテラは言います。 「私たちは考えました。これらのヒドロゲルからインスピレーションを得て、同様の硬くて伸縮性のある特性を持つメタマテリアルを作成できますか？」ストラットと織り彼らの新しい研究のために、チームは2つの顕微鏡アーキテクチャを組み合わせることにより、メタマテリアルを製造しました。 1つ目は、ストラットとトラスの剛性のあるグリッドのような足場です。 2つ目は、各ストラットとトラスの周りに織り込むコイルのパターンです。どちらのネットワークも同じアクリルプラスチックで作られており、2光子リソグラフィと呼ばれる高精度のレーザーベースの印刷技術を使用して、一度に印刷されています。研究者は、新しいダブルネットワークにインスパイアされたメタマテリアルのサンプルを印刷し、それぞれが数四四四分子から数平方ミリメートルまでのサイズを測定しました。彼らは、一連のストレステストに材料を置き、サンプルのいずれかの端を特殊なナノメカニカルプレスに取り付け、材料を引き離すのにかかった力を測定しました。彼らはまた、高解像度のビデオを録音して、材料が引き伸ばされたときに伸びて引き裂かれた場所と方法を観察しました。彼らは、新しいダブルネットワークのデザインが独自の長さの3倍に伸びることができることを発見しましたが、これはたまたま同じアクリルプラスチックで印刷された従来の格子形のメタマテリアルと比較して10倍遠くにありました。 Portelaは、新しい材料の伸縮性のある抵抗は、材料の剛性のある支柱と、材料がストレスと引っ張られたときに、より厄介なコイル状の織りとの相互作用に由来すると言います。「この編まれたネットワークは、スパゲッティの混乱が格子の周りに絡み合っていると考えてください。モノリシックな格子ネットワークを壊すと、これらの壊れた部分が乗車のためにやって来ます。 「それは、織りの繊維間のより多くの絡み合いを促進します。つまり、摩擦が増え、より多くのエネルギー散逸があります。」言い換えれば、材料の硬い格子全体に巻かれたより柔らかい構造は、ひび割れた支柱によって促進される複数のノットまたは絡み合いのおかげで、より多くのストレスを引き起こします。このストレスが材料を通して不均一に広がるので、最初の亀裂がまっすぐに通過して素材をすぐに引き裂く可能性は低いです。さらに、チームは、メタマテリアルに戦略的な穴または「欠陥」を導入した場合、材料が受けるストレスをさらに消散させ、さらに伸び、引き裂きに耐性があることを発見しました。「これは資料を悪化させると思うかもしれません」と、研究の共著者であるスルジャディは言います。 「しかし、欠陥を追加し始めると、できるストレッチの量を2倍にし、消散したエネルギーの量を3倍にしました。チームは、その硬くて伸縮性のあるネットワークのパターンを考慮して、エンジニアがメタマテリアルがどのように実行されるかを推定するのに役立つ計算フレームワークを開発しました。彼らは、そのような青写真が涙の防止繊維や生地の設計に役立つと考えています。「また、このアプローチをより脆弱な素材で試して、多機能性を提供したいと考えています」とPortela氏は言います。 「これまでのところ、私たちは機械的特性について話してきましたが、もしそれらを導電性にしたり、温度に応答したりすることができたらどうでしょうか。そのために、2つのネットワークは異なるポリマーから作られ、異なる方法で温度に応答します。この研究は、一部には米国国立科学財団とMIT Meche Mathworks Seed Fundによって支援されました。 #MITエンジニアは強力で伸縮性のある合成メタマテリアルを印刷 #MITニュース