ネットワークに着想を得た超材料は衝撃に強い
· BehindLines 編集部
MITとノースイースタン大学のエンジニアたちは、同じパターンを繰り返すのではなく、大きさがまちまちの梁が不規則につながったネットワークを内部構造とする材料を設計しました。MITの発表によると、この「スケールの豊かな超材料」は、従来の規則的なものより衝撃をよく吸収します。研究は11月11日に科学誌Natureに掲載されました。
繰り返しからの脱却
超材料では、内部構造が材料に並外れた性質を与えます。これまでは、正方格子やハニカムのように、同じ基本単位を繰り返すのが一般的でした。MITの機械工学准教授Carlos Portela氏は、こうした均一なパターンには限界があると説明します。ある部分に穴が開いたりひびが入ったりすると、隣の同じ単位が同じように変形し、全体がすぐに壊れるというのです。
チームは、神経回路からインターネットまで記述できるネットワーク科学に目を向け、ノースイースタン大学の物理学者Albert-László Barabási氏と協力しました。アルゴリズムは、ランダムな角度と位置に線を引き、次第に短く細くしていきます。最初の太さとその減る速さという2つのパラメータだけで、多様なネットワークが生まれ、剛性を調整できます。
試験
研究者たちは、梁の大きさがミクロンからセンチメートルに及ぶ、クレジットカードほどの大きさのポリマー試料を3Dプリンターで作りました。重りの落下や圧縮の試験を行い、従来の格子やハニカムの試料と比べました。ネットワーク型のほうが圧縮にも衝撃にも強い結果でした。Portela氏はこれを大きさの豊かさのためだとし、一部が壊れても周囲の網が急な破断を防ぐと述べています。論文の要旨には、弾性異方性を大きく調整できることや、高いエネルギー吸収も挙げられています。
別の実演では、ポメロの厚い皮のように密度が変化し、縁がより密な材料が、中心に置いた壊れやすい物体を守りました。
なぜ重要か
MITによると、この方法はヘルメット、防護具、音響レンズの設計に使える可能性があります。研究に参加していないロンドン・インペリアル・カレッジのTim Chen氏は、荷重を支える、エネルギーを吸収する、振動を抑えるといった構造全般の設計の枠組みになりうるとみています。試験の対象は、3Dプリントしたポリマー試料です。この研究は米国国立科学財団のDMREFプログラムの支援を受けました。