リン・リーはより強力なセラミックフォームを求めてウニに注目

Sep 28, 2023

2022 年 10 月 27 日

バージニア工科大学機械工学部助教授のリン・リー氏は、ウニの外骨格の多孔質微細構造の謎を解き明かし、それが軽量合成セラミックの作製につながる可能性があると明らかにした。 彼の研究結果は、10月14日にNature Communications誌に掲載された。

セラミックは耐熱性が高いため、音速を超える高速車両の過酷な熱要求に対処する際によく使用されます。 このような猛烈な速度では、圧縮空気が車両に対して大きな摩擦を引き起こし、車両が遭遇する熱が急速に上昇します。

耐熱性はセラミックの長所かもしれませんが、損傷に対する耐久性は弱点です。 セラミックプレートに 1 つのピンポイントで衝撃が加わると、急速に亀裂が広がり、構造全体の破損を引き起こす可能性があります。 セラミックは、軽量化のために多孔質にすると、損傷に対する耐性がさらに低くなります。 ただし、軽量化は高速車両を含む多くの構造用途にとって重要な要件です。

リー氏の研究のスポンサーの1つである米空軍は、セラミック材料の機械的性能の向上に長い間関心を持っていた。 リー氏のチームは、空軍科学研究局からの資金援助に加えて、国立科学財団からも資金を確保した。

2018年に研究室が受け取ったこれらの共同資金により、研究者はウニなどの生物によって形成される天然セラミックの細胞固体に埋め込まれた新しい設計原理を探索することができました。 ウニの外骨格は、細胞固体または「泡」の一種であり、その微細構造が固体の端または面を持つ連続気泡の集合体であり、空間を満たすように詰め込まれているため、このように呼ばれます。 セル間の隙間によりセルが多孔質になり、緻密な構造よりも機械的に効率の高い材料が作成されます。

「この研究で、多孔質の微細構造により軽量化を実現しながら、ウニを強く丈夫にする重要な戦略のいくつかを発見したと思います」とリー氏は語った。 「この Nature Communications の論文は、内部に何が隠されているかを我々が発見した結果を報告しています。」

ウニの背骨は硬くて強く、軽いのが特徴です。 これらの棘は炭酸カルシウムと呼ばれる合成セラミックに似た脆い鉱物でできていますが、ウニは重量や力を受けたときの損傷に対する耐性がはるかに優れています。 リー氏のチームは、脊椎を機械的に押すことでこの原理をテストし、エンジニアリングセラミックが耐える必要があるのと同じ種類の条件をシミュレートしました。 ウニの棘は、現在の合成セラミック細胞固体の壊滅的な破損とは対照的に、加えられた力の下で優雅に変形しました。 この「優雅な失敗」動作により、ウニの棘は大きなエネルギー吸収能力で損傷に耐えることができます。

この研究の過程で、リー氏のチームは、機械的負荷がかかっているときにウニを保持する能力を与えるいくつかの秘密を明らかにした。

「ウニの棘の構造的特徴にはいくつかの秘密がある。その1つは枝の接続に関係している」とリー氏は語った。 2つ目は毛穴の大きさです。

リー氏のチームは顕微鏡で、相互接続された短い枝の構造を観察した。 ノードのネットワークがこれらの枝をまとめています。ウニのダメージ耐性の秘密の 1 つは、ノードと枝の数のバランスです。 接続された分岐が多すぎるノードは構造をより脆く破損しやすくするため、この数はまさに重要です。 ウニの背骨の多孔質構造の節は、平均して 3 つの枝に接続されています。これは、枝のネットワークが、より壊滅的な伸張による破壊ではなく、曲げによる破壊を受けることを意味します。

2 番目の秘密は、枝の間の隙間、つまり細孔の大きさにあります。 研究チームは、ウニの棘の多孔質構造内の隙間が枝のサイズよりわずかに小さいことを発見しました。 これは、枝が折れると、これらの小さな開口部によってすぐに所定の位置に固定できることを意味します。 折れた枝が毛穴の上で重なり合い、負荷に耐えられる密な領域が形成されます。

ウニは合成セラミックとは異なる表面形態を持っています。 製造された気泡セラミックには、その表面全体および内部に多数の微細な欠陥があり、これらの材料が破損しやすくなっています。 ウニの背骨の場合はそうではなく、ほぼガラスのような表面を持ち、ナノメートルスケールまで滑らかです。 欠陥とは、損傷が始まる可能性のある点であり、欠陥がないということは、故障しやすい場所が不足していることを意味します。

リー氏はこのアイデアを紙で実証しました。 「損傷のない紙を引き裂こうとすると、紙は引き裂こうとします。しかし、紙の側面に小さな裂け目を作ると、その損傷した部分から引き裂きが続きます。」

枝、細孔、滑らかな表面が機能する軽量ウニの棘は、構造内の応力を均一に分散し、エネルギーをより効率的に吸収することで、高い強度と損傷耐性を実現します。

この知識があれば、ウニの秘密を活かすために必要な滑らかさ、欠陥のなさ、特定の枝や節点の構造を再現できるでしょうか? 現在のセラミックの加工方法が十分に整っていないため、現時点ではそれができません。

合成的に作られたセラミックは、通常 2 段階のプロセスで形成されます。 最初のステップは形状を作成することであり、2 番目のステップは作品を焼成してセラミックを硬化させ、セラミックに既知の強度を与えることです。 陶芸家はこの方法に従って鍋を作り、窯で加熱します。 同様のプロセスは 3D プリントセラミックにも使用されており、3D プリントステップで形状を形成し、最終的なセラミック部品を製造するにはその後の焼成が必要です。

この焼成または焼結のステップは、ウニの微細構造を再現する上で最も問題となる。焼結プロセスにより微細な欠陥が形成され、強度が低下するためである。

「私の研究室では、ウニなどの生物がこれらの天然セラミックの細胞固体をどのように形成するかにも興味を持っています」とリー氏は語った。 「いつか、材料設計原則を生物由来の軽量セラミック材料に統合できるだけでなく、自然システムから学んだ材料加工戦略も統合できることを願っています。」

スザンヌ・ミラー

540-267-4375