機械メタマテリアル

メカニカル メタマテリアルは、精密な幾何学的配置により異常な物理的および機械的特性をもたらす合理的に設計された人工材料/構造です。これらの前例のない特性は、多くの場合、材料自体ではなく、その独自の内部構造に由来します。メカニカル メタマテリアルの設計のインスピレーションは、多くの場合、生物学的材料 (ハニカムや細胞など)、分子および結晶の単位セル構造、さらには折り紙や切り紙などの芸術分野から得られます。初期のメカニカル メタマテリアルは単純な単位セル構造を規則的に繰り返していましたが、現在ではますます複雑な単位やアーキテクチャが研究されています。メカニカル メタマテリアルは、かなりよく知られている光学メタマテリアルや電磁気メタマテリアルのファミリーに対応するものと見なすことができます。弾性、粘弾性、熱弾性などの機械的特性は、メカニカル メタマテリアルの設計の中心です。これらは、弾性メタマテリアルまたは弾性力学メタマテリアルと呼ばれることもあります。それらの機械的特性は、負の剛性、負のポアソン比、負の圧縮率、ゼロのせん断弾性率など、自然界には存在しない値を持つように設計することができる。^{[1] [2] [3 ] [ 4] [ 5 ] [6] [7] [ 8] [9] [10] [11] [12] [13]}

3D プリンティング、つまり付加製造は、複雑な機械的メタマテリアル構造の製造を可能にし、過去 10 年間でこの分野に革命をもたらしました。従来の機械的メタマテリアルが持つ前例のない珍しい特性には、次のようなものがあります。

ポアソン比は、材料が縦方向に圧縮されたときに横方向にどのように膨張（または収縮）するかを定義します。ほとんどの天然材料は正のポアソン比を持っていますが（材料を圧縮すると、直交方向に膨張するはずだという直感的な考えと一致しています）、オーセチック材料と呼ばれる極端な材料のグループでは、ポアソン比がゼロ未満になることがあります。これらの例は自然界で見つかったり、人工的に作られたりしており、^{[14] [15]}、極端な特性を与える低体積の微細構造で構成されていることがよくあります。負のポアソン比（逆六角形周期セル）を持つ複合材料のシンプルなデザインは、1985年に発表されました。^{[16] [17]}さらに、ミウラ折りなどの特定の折り紙の折り方や、一般的にジグザグベースの折り方も、負のポアソン比を示すことが知られています。^{[18] [19] [20] [21]}

負の剛性（NS）メカニカルメタマテリアルは、直感に反する特性を示す工学構造です。外力が加えられると、材料は加えられた力を増加させるのではなく、むしろ減少させるように変形します。これは、変形に抵抗する従来の材料とは対照的です。^{[22] [23] [24] [25]} NSメタマテリアルは通常、負荷がかかると弾性不安定になる周期的に配置された要素で構成されています。この不安定性により、特定の変形範囲内で負の剛性挙動が発生します。全体的な効果は、従来の材料と比較して、より効率的にエネルギーを吸収し、独自の機械的特性を発揮できる材料です。

これらの機械的メタマテリアルは、いずれの構成要素よりも大きな熱膨張係数を示すことができる。^{[26] [27] [28]}膨張は任意の大きさの正または任意の大きさの負、あるいはゼロになる可能性がある。これらの材料は、2相複合材料の熱膨張の限界を大幅に超えている。かなりの空隙空間が含まれている。

高い強度と密度の比を持つメカニカルメタマテリアルは、重量に対して優れた機械的特性を持つように設計された合成材料です。これは、材料の全体的な性能に貢献する、周期的または階層的な内部微細構造を注意深く設計することによって実現されます。^{[29] [4]}

平衡状態にある閉じた熱力学システムでは、安定性の制約により、縦方向および体積方向の圧縮率は 必然的に非負になります。このため、通常の材料は張力がかかると、加えられた力の方向に沿って膨張します。しかし、メタマテリアルは負の圧縮率遷移を示すように設計できることが示されています。この遷移では、材料は張力がかかると収縮します (または圧力がかかると膨張します)。^[30]これらのメタマテリアルは、等方性応力を受けると、負の体積圧縮率遷移も示します。^[31] このクラスのメタマテリアルでは、負の応答は加えられた力の方向に沿っており、これがこれらの材料を負の横方向応答を示す材料 (負のポアソン比の研究など) と区別するものです。

負の有効体積弾性率を持つ機械的メタマテリアルは、興味深く直感に反する特性を示します。圧力がかかると圧縮される従来の材料とは異なり、これらの材料は膨張します。この異常な挙動は、加えられた応力に対抗する内部変形メカニズムを可能にする、慎重に設計された微細構造に起因しています。これらの材料の潜在的な用途は広大です。音響または音波メタマテリアル、高度なショックアブソーバー、エネルギー散逸システムの設計に使用できます。^{[32] [33] [34] [35] [36] [37] [38] [39] [40]}さらに、そのユニークな弾性特性は、動的負荷に対する弾力性と適応性を強化した新しい構造部品の作成に利用できる可能性があります。

ペンタモード メタマテリアルは、固体であるにもかかわらず、理想的には流体のように動作する人工の 3 次元構造です。したがって、体積は有限ですが、せん断弾性率はゼロです。つまり、圧縮されにくいですが、変形しやすいということです。より数学的に言えば、ペンタモード メタマテリアルは、 1 つの非ゼロの固有値と 5 つの (5 つの) ゼロの固有値を持つ弾性テンソルを持っています。ペンタモード構造は、1995 年にGraeme Miltonと Andrej Cherkaevによって理論的に提案されましたが^[41] 、2012 年初頭まで製造されていませんでした。^[42] 理論によれば、ペンタモード メタマテリアルは、完全に任意の弾性特性を持つ材料の構成要素として使用できます。^[41]ペンタモード構造の異方性バージョンは、変換弾性力学と弾性力学クローキングの候補です。

多くの場合、コーシー弾性は機械的メタマテリアルの有効な挙動を記述するのに十分です。典型的なメタマテリアルの単位セルが中心対称でない場合は、カイラルマイクロポーラ弾性（またはコセラ^[43]）を使用した有効な記述が必要であることが示されています。^{[44]マイクロポーラ弾性は、静的なケースでの並進自由度と回転自由度の結合を組み合わせ、}光学活性と同等の挙動を示します。

メカニカルメタマテリアルのよく知られた前例のない機械的特性に加えて、「無限の機械的調整可能性」はメカニカルメタマテリアルのもう一つの重要な側面です。これは構造材料にとって特に重要です。構造材料の微細構造と剛性を調整して、特定の剛性と強度の理論上の上限を効果的に達成できるからです。^{[45] [46] [47]}同じ上限を達成する理論上の複合材料は以前から存在していましたが、^[48]複数の長さスケールの特徴を必要とするため、製造が非現実的でした。^{[49]単一の長さスケールの設計は}積層造形に適しており、軽量の剛性、強度、エネルギー吸収を最大化するエンジニアリングシステムを実現できます。

現在まで、機械的メタマテリアルに関する主流の研究のほとんどは、固定された特性を持つ受動的な構造に焦点を当てており、能動的なセンシングやフィードバック機能がありません。^{[50] [13]}高度な機能の深い統合は、次世代のメタマテリアルを探求する上で重要な課題です。^[51] 複合機械的メタマテリアルは、この目標を達成するための鍵となる可能性があります。ただし、複合機械的メタマテリアルの概念全体はまだ初期段階にあります。複合機械的メタマテリアルの材料と構造の相互作用を通じてプログラム可能な動作を実現することで、機械的特性を超えて高度な機能をテクスチャに統合することができます。「機械的メタマテリアルの知識のツリー」^[13]は、キラル、格子、および負のメタマテリアル（負の体積弾性率または負の弾性率など）が成熟しており、折り紙メタマテリアルとセルラーメタマテリアルがそれに続くことを示唆しています。

最近の研究動向は、単に前例のない機械的特性を探求するだけにとどまらない領域に踏み込んでいます。想定される新たな方向性は、機械メタマテリアルのセンシング、エネルギーハーベスティング、アクチュエーションです。知識の樹形図は、デジタルコンピューティング、デジタルデータストレージ、マイクロ/ナノ電気機械システム (MEMS/NEMS) アプリケーションが、機械メタマテリアルの将来の研究の柱の 1 つであることを示しています。この進化の方向に沿って、最終的な目標は、ある程度の認知機能を備えたアクティブな機械メタマテリアルになる可能性があります。認知能力は、真に「インテリジェントな機械メタマテリアル」の重要な要素です。複雑な生物と同様に、インテリジェントな機械メタマテリアルは、センシング、自己発電、情報処理の認知能力を展開して周囲の環境と相互作用し、応答を最適化し、感知、決定、応答のループを作成する可能性があります。

プログラム可能な応答は、機械的特性を超えた機械的メタマテリアルの新たな方向性です。^{[52] [53] [ 54] [55] [56] [57] [58]}電気的応答性は、適応型、駆動型、自律型の機械的メタマテリアルを設計するための重要な機能です。^{[59] [60]}たとえば、電気材料をメタマテリアルの微細構造ユニットに設計して、機械的ひずみ入力を電気信号出力に自律的に変換するアクティブで適応型の機械的メタマテリアルによって研究のアイデアが開かれました。^{[50] [61]}

機能性材料と機械設計の統合は、応答性機械的メタマテリアルを探索するための新たな研究分野です。^{[50]最近の研究では、音響、 [62]}熱光起電力^[63]および磁気^[64]などのさまざまな励起タイプに応答できる新しいクラスの機械的メタマテリアルが探索されています。

最近の研究では、センシング機能とエネルギーハーベスティング機能をメカニカルメタマテリアルの構造に統合する研究が行われています。2021年に提案されたメタトライボマテリアル^{[65] [66]}は、固有のセンシング機能とエネルギーハーベスティング機能を備えた新しいクラスの多機能複合メカニカルメタマテリアルです。これらの材料システムは、細かく調整され、トポロジー的に異なる摩擦電気微細構造で構成されています。メタトライボマテリアルは、ナノジェネレーターやセンシングメディアとして機能し、動作環境に関する情報を直接収集できます。それらは、古典的なメカニカルメタマテリアルが提供する強化された機械的特性を当然継承しています。機械的励起下で、メタトライボマテリアルは電気信号を生成します。この信号は、アクティブセンシングやセンサーや組み込み電子機器の強化に使用できます。^[65]

電子機械メタマテリアル^[67]は、デジタルコンピューティングと情報ストレージ機能を備えたアクティブな機械メタマテリアルです。これらは、2023年に提案されたメタメカノトロニクス（機械メタマテリアルエレクトロニクス）という新しい科学分野の基礎を築きました。^[67]これらの材料システムは、機械メタマテリアル、デジタルエレクトロニクス、ナノエネルギーハーベスティング（摩擦電気、圧電、焦電など）技術を統合して作成されます。電子機械メタマテリアルは、デジタルロジックゲートとして機能する可能性を秘めており、従来の電子システムを補完できる機械メタマテリアルコンピューター（MMC）の開発への道を開きます。^[67] このようなコンピューティングメタマテリアルシステムは、従来の半導体エレクトロニクスが設計された論理機能を維持できない極端な負荷や過酷な環境（高圧、高温/低温、放射線曝露など）下で特に役立ちます。