引裂き防止織物を作製するために使用できる弾性メタマテリアル

 

メタマテリアル設計の分野では、「強いほど良い」が主導的なルールであり続けています。メタマテリアルはミクロ構造を有する合成材料であり、材料全体に優れた性能を与えることができる。しかし、より強い硬さを追求する一方で、材料の柔軟性を犠牲にすることが多い。この問題を解決するために、チームは硬いミクロ支持構造とより柔軟な編み構造を組み合わせた「ダブルネットワーク」を設計した。この新材料は有機ガラスのようなポリマーでできており、破断することなく自分のサイズの4倍以上に延伸することができ、他の形態のポリマーはほとんど延伸性がない。

この新しいデュアルネットワーク設計はポリマーだけでなく、弾性セラミックス、ガラス、金属などの材料の製造にも応用できる。これらの強靭で柔軟な材料は、耐引裂き織物、フレキシブル半導体、電子チップパッケージ、組織修復のための細胞培養ステントなどの製造に使用することができる。

 

チームは2つのミクロ構造を結合することで、このメタマテリアルを作成しました。1つは剛性のメッシュ状ステントで、支柱とトラスで構成されています。もう1つは、各支柱とトラスを取り囲むコイルからなる構造です。2つの材料はいずれも同じアクリルプラスチック製で、高精度レーザー印刷技術である二光子リソグラフィを用いて一度に完成した。

 

チームはこの新しい2重ネットワークメタマテリアルに対して、サンプルをナノメカニカルプレスに接続して引張強度を測定し、高解像度ビデオを録画して引張と引裂き過程を観察することを含むさまざまな圧力試験を行った。その結果、伝統的な格子パターンのメタマテリアルと比べて、新しい設計は自分の長さの3倍に延伸でき、伝統的な設計の延伸能力の10倍であることが明らかになった。また、材料に戦略的穴（すなわち「欠陥」）を導入することにより、応力をさらに分散させ、材料の弾性と耐引裂き性を向上させることができる。

 

この進展は材料科学分野の重大な突破を示し、ミクロ構造の設計を通じて材料の全体的な性能を最適化する方法を示している。