スイスのローザンヌ連邦工科大学の研究者たちは、突発的な衝撃や長期的な摩耗に耐えることができる3Dプリント可能なゴムを開発しました。この材料は、ウェアラブル電子機器、柔軟なロボット、医療機器における柔軟なコンポーネントのトレードオフの問題を解決しました。多くの既存の選択肢は、ある特性においては優れた性能を発揮しますが、別の特性においては基準を満たせません。標準的な単一ネットワークエラストマーは、通常2つの方法で失敗します。単発の破断事象に耐えることを目的とした材料は、繰り返しの圧力下で急速に劣化することが多く、長期的な摩耗に耐えるように設計された材料は、突発的な衝撃や極度の引張りによって破断しやすくなります。
二重ネットワーク粒子エラストマー材料の革新的な設計
EPFLチームは、ソフトマテリアルラボの責任者であるエスター・アムスタッドの指導の下、これら2つの失敗モードを同時に回避できる材料の構築に取り組みました。このチームには、研究者のエヴァ・バウアーとジョン・コリンスキーが含まれ、二重ネットワーク粒子エラストマー（DNGEs）と呼ばれる材料を創造しました。この材料は、剛性エラストマー粒子をより柔軟な接続エラストマーのネットワークに埋め込み、機械的負荷を全体の構造に分散させます。アムスタッドは、彼女の研究室が最初に粒子構造を構築したのは、3Dプリントの加工性を改善するためであったと述べています。
研究者たちは、プロセスの中で、最終的な材料が繰り返しの圧力下でも異常に堅牢であることを発見しました。
アムスタッドによれば、これら2つのネットワークは、引張り時に機械的ひずみを共有します。剛性粒子は、ポリマー鎖の再構成を通じて周囲の柔軟な基質に圧力を伝達し、ポリマー結合が完全に断裂することを防ぎます。このメカニズムにより、材料は完全に失敗することなく繰り返しの圧力サイクルを吸収でき、その使用寿命を大幅に延ばすことができます。
実験室でのテストでは、DNGEsが示した破断靭性値は、現在柔軟なデバイスに使用されている同等のエラストマーよりも最大15倍高いことがわかりました。その疲労耐性は、市場に出回っている既存の材料よりも3倍高いです。バウアーと同僚たちは今月、『Science Advances』誌に完全な研究結果を発表し、このメカニズムを詳しく説明しました。粒子構造は、印刷された材料内での亀裂の伝播の仕方も変えました。亀裂は、柔軟なネットワークのより柔らかい領域で迂回することを強いられ、サンプルの直線に沿って拡大することはありません。この効果は、白アリが樹幹を掘るようなもので、斧がきれいな道を切り開くのとは異なります。
このような迂回経路は、亀裂の成長を著しく遅らせ、材料が負荷の下で突発的な破滅的失敗に抵抗するのを助けます。
DNGEsの柔軟なロボットとウェアラブルデバイスへの応用の可能性
EPFLは2024年にDNGEsを使用して、剛性の内部サポートと必要に応じて曲げることができる柔軟な外層を備えたゴム製の指を印刷しました。このプロジェクトは、機械的性能が単一の印刷物の中で調整できることを示しています。この新しい研究は、長期使用においても繰り返しの実際の圧力に耐えることができることをさらに証明し、これは柔軟な駆動材料が柔軟なロボット分野で直面する耐久性の課題です。
研究者たちは、DNGEsが柔軟なロボット、ウェアラブルセンサー、バイオメディカルデバイスに新しい機会を開く可能性があると述べています。これらの分野の既存の柔軟な材料は、剛性、靭性、疲労耐性の間のトレードオフに依然として制約を受けており、これは最近の人工筋肉の設計時に直面する課題でもあります。より堅牢な材料によってコンポーネントの寿命を延ばすことで、柔軟なデバイスの大規模生産に伴う長期的な交換コストを削減することも可能です。アムスタッドは、彼女のチームの次の目標は、機械的性能を損なうことなく材料の環境フットプリントを改善することであると述べています。彼女は、リサイクル材料から作られた生分解性バージョンのDNGEsを開発したいと考えており、この変革はその環境への魅力を大幅に拡大するでしょう。
彼女は、この変化がこれらのエラストマーを標準的な商業用3Dプリンターを備えた研究室にとってよりアクセス可能にするだろうと指摘しました。
項目 規格 破断靭性 従来の弾性体の最大15倍 疲労耐性 既存材料の最大3倍