Nanoscribe顧客成果NATURE MATERIALSジャーナルに掲載

近年、科学技術の発展、特に航空宇宙技術の飛躍的な進歩に伴い、超軽量超硬材料はすでに業界内の材料科学と固体力学分野の研究の焦点となっている。どのようにして材料が超軽量、高強度、大変形、耐衝撃及び欠陥に敏感でないなどの優れた性能を同時に持つことを実現するかは現代材料の設計と製造の大きな挑戦である。

この問題に対する挑戦に対して、科学者たちは十四面体の力学性能が曲げ挙動によって主導される基礎構造を選んだ。このような構造を有する複合ナノ格子メタマテリアルは、衝撃を受けたときに大量のエネルギーを吸収することができ、壊滅的な破壊が発生しにくい。

今年、マサチューセッツ工科大学、カリフォルニア工科大学、チューリッヒ連邦工科大学が協力し、高影響因子科学ジャーナル 自然材料に発表された“ナノアーキテクチャード炭素の超音波衝撃抵抗力”の研究論文を発表した。論文では、研究者はドイツナノスクリーブ会社の二光子3D印刷システムフォトニック プロフェッショナル GT超音速に耐える微粒子を開発した「弾丸」衝撃の力学メタマテリアル。このような厚さが人間の髪の毛の糸の直径よりも小さい材料は、入念に設計加工された炭素繊維マイクロナノドットアレイで構成されており、工業的に大規模な生産を実現すれば、航空機、軽量装甲、保護コーティングの大幅な向上が期待されている、およびその他の超軽量超硬耐衝撃装備の全体的な性能。

「欧州マサチューセッツ工科大学」の称号を持つカルスルアー工科大学に誕生したNanoscribe社は、球状高精度3 D印刷装置の生産会社として、力学メタマテリアル、マイクロナノロボット及びマイクロ電気機械、生物医学工学及びマイクロナノ光学などの革新分野の研究を推進するとともに、大学の科学研究グループに各種の最適化プロセス案を提供することに力を入れてきた。

科学者たちは材料の幾何構造を確定した後、本文の著者たちはNanoscribe二光子リソグラフィ技術（two-photon lithography）印刷を行います。簡単に言えば、二光子リソグラフィは非線形光学原理に基づいており、現在精度の高いレーザー3 D印刷技術である。一般的な単光子ベースの3 Dレーザ印刷技術の解像度は、光学解像度及び層間変位機械誤差の影響を受けやすく精度が低いが、2光子リソグラフィ技術は、高エネルギーフェムト秒レーザパルスを用いて極小空間範囲で感光性樹脂を硬化させ、それによって印刷分解能を信じられない100ナノメートル級精度に向上させる。

印刷が完了すると、材料は高温真空炉に入れられて熱分解され、熱分解後のポリマーは炭化され、超軽量のカーボンナノ格子材料が製造される。炭素材料は通常壊れやすいが、論文で設計された十四面体の格子構造の力学的挙動は破断ではなく湾曲によって支配され、それによってこの材料*の弾性と耐衝撃性を与えた。この材料は衝撃を受けたときにゴムのように曲がることができる。

これに対して、カリフォルニア工科大学材料科学、力学、医学工学教授ジュリア・R・グリーア次のように表示されます。“この実験から得られたデータは、超軽量耐衝撃材料、高効率装甲材料、保護コーティングなどであることができるインスピレーションを与える。”

ミクロとマクロを両立した高精度3 Dマスクレスリソグラフィシステムフォトニック プロフェッショナル GT2二光子重合（2 PP）を用いてほぼ任意の3 D形状を生成する：ラティス、ウッドスタック構造、自由に設計されたパターン、滑らかな輪郭、鋭いエッジ、表面のおよび内蔵バックル、ブリッジ構造。高速印刷を実現する、優れたマイクロナノ加工効果を得るために、Nanoscribe印刷システムに搭載されている複数の動的高精度印刷モード（Dynamic Precision Printing modes，DPP）正確な調整ができます。DeScribe-デルの印刷準備ソフトウェアを使用すると、設計要件の特定の要件を満たすカスタムモードを実現できます。

増材製造の革命的な再定義は、物件の生産製造方式を定義している。マイクロナノスケールでは、Nanoscribe二光子重合技術に基づく増材製造手段の加工精度*を使用することで、どのような形状のものでもほぼ満足できる3 D加工が可能です。構造が単純であろうと複雑であろうと、Nanoscribe自動化3次元マスクレスリソグラフィプロセス必要なデバイスの1段階の加工成形を実現することができ、複雑な生体器官組織の加工についても同様であり、実際に見て得られることができます。

将来を展望して、研究者たちはまた各種の炭素ナノ格子構造及びその他の材料の格子構造を探索し続けると表明した。著者らもカーボンナノ格子構造材料の置換を望んでいるケブラー繊維は次世代の超軽量耐衝撃吸収材となっている。本文の主な協力対象である清華大学の李暁雁研究チームは、長期にわたり新型マイクロナノ構造材料力学研究に従事し、国際及び国内の関連研究分野*のリーダーの一人である。

元の文献をご覧ください：

Portela、C.M.、Edwards、B.W.、Veysset、D. et al. nanoarchitected炭素の超音波衝撃抵抗力。ナット・マター 20, 1491–1497 (2021).

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