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Caltech、可変機能を持つ新開発メタマテリル

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January, 10, 2020, Pasadena--新開発のメタマテリアルは、可変的に形状を変えることができる。
 ほとんどの再構成可能材料は、2つの明確な状態間で切り替え可能であるが、その新しい材料の形状は微調整でき、その物理的特性を望むとおりに調整できる。その材料は、次世代エネルギー保存、バイオインプラント可能マイクロデバイスに潜在的なアプリケーションがあり、Caltech-Georgia Tech-ETH ZurichがJulia R. Greerラボで、共同開発した。

形状を変えるように設計されたほとんどの材料は、一つの形状から別の形状に変わり、その状態を保つには持続的な外部刺激を必要とする。例えば、濡れると一つの形状になるかもしれないが、乾くと別の形状になる、水を吸収して膨らむスポンジのようなものだ。

それに反して、新しいナノマテリアルは、電気化学駆動シリコン-リチウム合金化反応により変形する、つまりどんな「中間」状態にも達するように微調整可能であり、刺激を除去してもこれらの構成にとどまる。また、簡単に反転する。微電流を印加すると、結果としての化学反応が、制御され、わずかにその形状を変える。電気制御を除去しても、その構成は保持される、まさに風船を結んで止めるようなものである。新しい種類の材料は、Natureに発表された。

あらゆる材料に欠陥や不完全さは存在する。それらが材料の特性を決めることがある。この場合、研究チームは、その事実を利用し、欠陥に組み入れることを選択し、望む特性を材料に吹き込む。

「この研究の最も素晴らしい部分は、動的に応答するように設計された材料における欠陥の役割である」とNature論文の筆頭著者、院生、Xiaoxing Xiaは話している。

論文では、チームは、マイクロスケール直線ビームでシリコンコート格子を設計した。ビームは電気化学刺激下で湾曲し、固有の機械的、振動特性を持つようになる。Greerのチームは、超高分解能3Dプリンティングプロセス、二光子リソグラフィを使ってこのような材料を作った。この新しい製法を使い、チームは、前もって決められ、設計された材料系に欠陥を構築することができた。その系のテストでチームは、1枚の材料を作製した。それは電気制御下で、Caltechアイコンを表示している。

Greerは、「今回、Xiaoxingが初めて、これらのメタマテリアルに様々なタイプの欠陥の効果を明らかにした。さらに、電気化学的刺激に反応して現れる特殊なパタンをプログラムするためにそれらを使った」と話している。

そのように形状を精巧に制御して変える能力をもつ材料は、将来のエネルギー蓄積システムにおける可能性がある。適応型エネルギー蓄積システムへの道が開けるからである。このようなシステムは、例えば大幅に軽量で安全なバッテリ、非常に長寿命のバッテリを可能にする、とGreerは考えている。バッテリの中にはエネルギーを蓄積すると膨張するものがあり、反復的膨張と収縮からに応力のために機械的劣化が生ずる。ここに示したものように設計された材料は、そのような構造変形を巧みに扱うような設計が可能である。

「電気化学活性メタマテリアルは、容量増と新機能を兼ね備えた次世代のスマートバッテリ開発への新たな経路を提供する。ジョージア工科大学では、このように複雑に結合した電気・化学・力学的挙動を予測するコンピュータツールを開発している」とジョージア工科大学航空宇宙工学准教授、Claudio V. Di Leoはコメントしている。