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金属マイクロラティスは、超軽量 金属フォームからなる合成多孔質金属材料です。密度はわずか0.99 mg/cm 3 (0.00561 lb/ft 3 )で、科学的に知られている最も軽い構造材料の1つです。[1]カリフォルニアを拠点とするHRL研究所の科学者チームが、カリフォルニア大学アーバイン校およびカリフォルニア工科大学の研究者と共同で開発し、2011年11月に初めて発表されました。プロトタイプサンプルはニッケル-リン合金で作られました。[2] 2012年、マイクロラティスプロトタイプは、ポピュラーメカニクスによって世界を変える10のイノベーションの1つに選ばれました。[3]金属マイクロラティス技術は、自動車工学や航空工学で多数の潜在的な用途があります。[4]他のタイプの金属ラティス構造との詳細な比較レビュー研究により、軽量化には有益であるが、製造コストが高いことが示されました。[5]
合成
金属マイクロ格子を製造するために、HRL/UCI/Caltech チームは、まず自己伝播導波路形成に基づく技術を使用してポリマーテンプレートを準備しましたが、[6] [7]、テンプレートの製造には他の方法も使用できることが指摘されています。[8]このプロセスでは、穴のあいたマスクを通してUV 光をUV 硬化性樹脂のリザーバーに通します。マスクの各穴の下で樹脂が硬化すると、光ファイバーのような光の「自己トラッピング」が発生し、光の経路に沿って細いポリマー ファイバーが形成されます。複数の光線を使用することで、複数のファイバーを相互接続して格子を形成できます。
このプロセスは、2次元マスクを使用して開始テンプレート構造を定義するという点でフォトリソグラフィーに似ていますが、形成速度が異なります。ステレオリソグラフィーでは完全な構造を作成するのに数時間かかる場合がありますが、自己形成導波路プロセスでは10〜100秒でテンプレートを形成できます。このようにして、このプロセスにより、大きな自立型3D格子材料を迅速かつスケーラブルに形成できます。次に、テンプレートを無電解ニッケルメッキによって金属の薄い層でコーティングし、テンプレートをエッチングして、自立型の周期的な多孔質金属構造を残します。元のレポートでは、ニッケルがマイクロ格子金属として使用されていました。電着プロセスにより、材料の7％が溶解したリン原子で構成され、沈殿物は含まれていませんでした。[8]
プロパティ
金属マイクロラティスは、相互接続された中空の支柱のネットワークで構成されています。報告されている最も密度の低いマイクロラティスサンプルでは、各支柱の直径は約 100マイクロメートルで、壁の厚さは 100ナノメートルです。完成した構造は体積比で約 99.99% が空気であり、[2]慣例により、マイクロラティス密度を計算する際には空気の質量は除外されます。[8]間隙空気の質量を考慮すると、構造の真の密度は約 2.1 mg/cm 3 (2.1 kg/m 3 ) で、25 °C での空気自体の密度の約 1.76 倍にすぎません。この材料は、発泡スチロールの 100 倍の軽さであると説明されています。[9]マイクロラティスは、通常のポリマーの 100 倍の強度もあります。[10]
金属マイクロラティスは密度が非常に低いのが特徴で、2011 年の記録は 0.9 mg/cm 3で、これは既知の固体の中で最も低い値です。以前の記録はシリカエアロゲルの 1.0 mg/cm 3で、エアログラファイトの密度は 0.2 mg/cm 3と言われています。[11]機械的には、これらのマイクロラティスはエラストマーと似た挙動を示し、大幅に圧縮した後でもほぼ完全に形状を回復します。[12]これにより、脆くガラスのような物質である従来のエアロゲルに比べて大きな利点があります。金属マイクロラティスのこのエラストマー特性により、さらに効率的な衝撃吸収が可能になります。ヤング率E は、密度 ρ、E ~ ρ 2と、エアロゲルやカーボンナノチューブフォームのE ~ ρ 3で異なるスケーリングを示します。[8]
アプリケーション
金属マイクロラティスは、ショックアブソーバーなどの断熱・防振材に応用できる可能性があり、バッテリー電極や触媒支持体としても有用であることが証明されるかもしれません。[8]さらに、圧縮された後に元の状態に戻るマイクロラティスの能力は、バネのようなエネルギー貯蔵装置での使用に適している可能性があります。[2]自動車メーカーや航空機メーカー[は？ ]は、マイクロラティス技術を使用して、構造補強や熱伝達などの複数の機能を単一のコンポーネントに組み合わせた、非常に軽量で効率的な構造を開発し、高性能車両に使用しています。[4]
類似の素材
2008年にトロント大学の研究者らは、ポリマー製のラピッドプロトタイピングされたトラスの上に電着ナノ結晶ニッケル層を積層した、類似だがより密度の高い材料を作成した。 [13] 2012年にはドイツの研究者らが、金属マイクロラティスよりもさらに密度の低いエアログラファイトと呼ばれる炭素フォームを作成した。 [14] 2013年には中国の科学者らが炭素ベースのエアロゲルを開発し、これはさらに軽量であると主張された。[1]
チューブベースのナノ構造のようなナノ格子は、より小さなスケールの同様の構造です。
参考文献
- ^ ab 「写真で見る超軽量素材」 BBC 2013年4月9日2013年7月1日閲覧。
- ^ abc 「金属マイクロ格子『史上最軽量の構造』」Chemistry World. 2011年11月17日。2012年1月26日時点のオリジナルよりアーカイブ。2011年11月21日閲覧。
- ^ Sterling, Robert (2012年10月29日). 「世界最軽量の素材」. ボーイング. 2012年11月2日時点のオリジナルよりアーカイブ。2012年11月2日閲覧。
- ^ ab 「MICROLATTICE: 革新的な金属構造が世界の製造業者にもたらす恩恵」。Institution of Mechanical Engineers。2013年2月28日。2015年2月25日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2015年2月25日閲覧。
- ^ Rashed, MG; Ashraf, Mahmud; Mines, RAW; Hazell, Paul J. (2016). 「金属マイクロラティス材料：製造、機械的特性、およびアプリケーションに関する最新の技術」. Materials & Design . 95 : 518–533. doi :10.1016/j.matdes.2016.01.146.
- ^ Jacobsen, AJ; Barvosa-Carter, WB; Nutt, S. (2007). 「自己伝播フォトポリマー導波路から形成されたマイクロスケールトラス構造」. Advanced Materials . 19 (22): 3892–3896. Bibcode :2007AdM....19.3892J. doi :10.1002/adma.200700797. S2CID 137188553.
- ^ 米国特許 7382959、Alan J. Jacobsen、「光学的に配向された 3 次元ポリマー微細構造」、HRL Laboratories, LLC に譲渡。
- ^ abcde Schaedler, TA; Jacobsen, AJ; Torrents, A.; Sorensen, AE; Lian, J.; Greer, JR; Valdevit, L.; Carter, WB (2011 年 10 月 12 日). 「超軽量金属マイクロラティス」. Science . 334 (6058): 962–5. Bibcode :2011Sci...334..962S. doi :10.1126/science.1211649. PMID 22096194. S2CID 23893516.
- ^ 「米国のエンジニアが世界最軽量の素材を発表」BBCニュース、2011年11月18日。 2011年11月25日閲覧。
- ^ 香港大学（2022年9月8日）。「新開発の『マイクロラティス』は通常のポリマー より軽量で100倍の強度」。Interesting Engineering。doi ：10.1016/ j.matt.2022.08.010。S2CID 252031036。
{{cite journal}}:ジャーナルを引用するには|journal=(ヘルプ)が必要です - ^ 「新しいカーボンナノチューブ構造のエアログラファイトは最軽量の素材の王者」 Phys.org 2012年7月13日。2012年7月14日閲覧。
- ^ Stephen Shankland (2011年11月18日). 「画期的な物質は空気とほとんど変わらない」CNET . 2013年4月26日閲覧。
- ^ ゴードン、LM;ボウハウス、バージニア州。スラルボ、M.マクリー、JL;パルンボ、G.ヒバード、GD (2009)。 「マイクロトラスナノ結晶Niハイブリッド」。アクタ・マテリアリア。57 (3): 932–939。Bibcode :2009AcMat..57..932G。土井：10.1016/j.actamat.2008.10.038。
- ^ “Aerographit: Forscher entwickeln leichtestes Leichtgewicht”.デア・シュピーゲル（ドイツ語）。 2012 年 7 月 11 日。2013 年7 月 1 日に取得。
外部リンク
- 圧縮を受ける金属マイクロ格子のビデオ（YouTube 経由）。