超軽量素材

超軽量材料は、密度が 10 mg/cm ³未満の固体で、シリカエアロゲル、カーボンナノチューブエアロゲル、エアログラファイト、金属フォーム、ポリマーフォーム、金属マイクロラティスなどがあります。空気の密度は約 1.275 mg/cm ³で、これは、気孔内の空気が大気条件下でこれらの材料の密度に大きく影響することを意味します。製造方法によって、エアロゲル、ストキャスティックフォーム、構造化セルラー材料に分類できます。

^{超軽量材料は、密度が10 mg/cm 3}未満の固体です。超軽量材料は、その固体成分を構成する細胞配列と剛性および強度によって定義されます。これらには、シリカエアロゲル、カーボンナノチューブエアロゲル、エアログラファイト、金属フォーム、ポリマーフォーム、金属マイクロラティスが含まれます。^[1]超軽量材料は、マイクロサイズでバルクスケールの特性の強度を持つように製造されています。また、極度の圧力下でも圧縮されないように設計されており、剛性と強度に優れています。^[2]

超軽量素材には弾性特性もあります。一部の超軽量素材は、より多くの気孔を設けて構造の熱伝達を向上させるよう設計されており、これはパイプなど多くの素材に必要です。^{[3] [1]}圧縮実験では、超軽量素材はほとんどの場合、50%を超えるひずみから完全に回復します。

超軽量フォームは、マイクロメートルおよびナノメートルレベルの 3D 相互接続された中空チューブによって生成されます。これらのフォームは、磁場下にある水面から油を迅速かつ選択的に吸収するために使用されます。フォームは、自重の 100 倍を吸収できます。合板サンドイッチは、内部に超軽量フォームを備えた低密度ファイバーボードで作られた断熱材です。合板サンドイッチは、超軽量特性のないサンドイッチよりも優れた断熱特性を提供します。^[4]

将来、巨大な橋の部品は超強力で軽量な素材で作られるようになるかもしれません。これらの橋は熱や寒さからも遮断されます。MITの科学者たちは、鋼鉄と同じくらいの強度を持ちながら、ビニール袋ほどの密度を持つ素材を作ることに取り組んでいます。この素材を作る上で最大のハードルは、それを生産するための工業生産能力が不足していることです。^[5]

超軽量素材は、実際の使用中に常に圧縮や偶発的な物理的損傷や乱用にさらされています。超軽量磁気フレームワークの最近の進歩により、軽量素材で作られた構造物は、損傷を受けたときに構造を自己修復できるようになりました。超軽量素材は、鉄とカテコール化合物間のpH誘導配位により修復が可能です。^[6]

最初の超軽量素材であるエアロゲルは、1931 年にサミュエル・スティーブンス・キスラーによって初めて開発されました。

グラフェンフォームとグラファイトフォームは、確率的フォームの例です。

構造化されたセルラー材料は、密度が非常に低いにもかかわらず、驚くほどの強度を持ちます。

可逆的に組み立てられたセルラー複合材料により、理想的な線形比剛性スケーリング体制に合わせて複合材料の特性をカスタマイズできます。投影マイクロステレオリソグラフィーを使用して、ポリマー、金属、セラミックからオクテットマイクロラティスも製造されています。

高性能ラティスの設計により、材料を構成する個々の支柱は曲がらないようになっています。そのため、材料は重量に対して非常に硬く、強度に優れています。

• SS Kistler (1931). 「凝集膨張エアロゲルとゼリー」. Nature . 127 (3211): 741. Bibcode :1931Natur.127..741K. doi : 10.1038/127741a0 .
• KC Cheung、N Gershenfeld (2013 年 9 月)。「可逆的に組み立てられた細胞複合材料」。Science。341 ( 6058 ) : 1219–1221。Bibcode : 2013Sci ...341.1219C。CiteSeerX 10.1.1.672.1351。doi : 10.1126 /science.1240889。PMID 23950496  。