ナノスケールで金属を3Dプリンティングする技術の利点

November, 8, 2023--昨年末、カリフォルニア工科大学(Caltech)の研究者は、紙3〜4枚の厚さの微細な金属部品を印刷するための新しい製造技術を開発したと発表した。

今回、研究チームはこの技術を改良し、インフルエンザウイルスに匹敵する150 nm、1000分の1の微小物体をプリントできるようにした。その際、これらの物体内の原子配列が混乱して射ることを発見した。それは、大規模になると弱く、「低品質」と見なされるため、これらの材料が使用できなくなることが分かった。しかし、ナノサイズの金属物体の場合、この原子レベルの混乱は逆の効果をもたらす。これらの部品は、より規則正しい原子配列を持つ同サイズの構造よりも3〜5倍強力になる可能性がある。

この研究は、Ruben F. and Donna Mettler教授(材料科学、力学、医療工学)のジュリア・R・グリア(Julia R. Greer)の研究室で行われた。研究成果は、Nano Letters誌に掲載された。

この新手法は、チームが昨年発表したものと似ているが、プロセスの各ステップがナノスケールで動作するように再考されている。しかし、これには別の課題がある。製造された物体は肉眼では見えず、簡単に操作できないからである。

このプロセスは、感光性の「カクテル」を準備することから始まる。これは、ハイドロゲルを主成分とするポリマの一種であり、自重の何倍もの水を吸収できる。次に、このカクテルをレーザで選択的に硬化させ、所望の金属物体と同じ形状の3Dスカフォールドを構築する。今回の研究では、これらの物体は一連の小さなピラーとナノ格子だった。

次に、ヒドロゲル部分にニッケルイオンを含む水溶液を注入。部品が金属イオンで飽和すると、すべてのヒドロゲルが燃え尽きるまで焼かれ、部品は元のものと同じ形状になるが、収縮し、酸化された(酸素原子に結合した)金属イオンで完全に構成される。最終段では、酸素原子を化学的に部品から除去し、金属酸化物を金属の形に戻す。

最後のステップでは、部品は予想外の強度を発揮する。

「このプロセスでは、これらすべての熱的プロセスと動的プロセスが同時に発生し、極めて厄介な微細構造につながる。原子構造に細孔や凹凸などの欠陥が見られるが、これらは通常、強度を低下させる欠陥と考えられている。例えば、エンジンブロックのような鉄で何かを作るとしたら、このような微細構造は材料を著しく弱めるので、見たくない」(Julia Greer)。

しかし、Greerは、「まったく逆のことがわかった」と言う。金属部品を大規模に弱める多くの欠陥は、代わりにナノスケールの部品を強化する。

柱に欠陥がない場合、破損は粒界と呼ばれるもの(材料を構成する微細な結晶が互いに突き当たる場所)に沿って壊滅的に発生する。

しかし、材料が欠陥だらけの場合、破損はある粒界から次の粒界に容易に伝播しない。つまり、変形が材料全体に均等に分散されるため、材料が突然破損することはない。

「通常、金属ナノピラーの変形キャリア、つまり転位や滑りは、外表面で逃げられるようになるまで伝播する」と、Wenxin Zhangは説明している。同氏は、この研究の筆頭著者で機械工学の大学院生。
「しかし、内部に細孔がある場合、伝播は柱全体にわたって継続するのではなく、細孔の表面ですぐに終了する。経験則として、変形キャリアを核化する方が伝播させるよりも難しいため、現在のピラーが対応するピラーよりも強い理由が説明できる」(Zhang)。

Greerは、これがナノスケールでの金属構造の3Dプリンティングの最初のデモンストレーションの1つであると考えている。同氏は、このプロセスは、水素の触媒など、多くの有用な成分の作成に使用できる可能性があると見ている。カーボンフリーアンモニア、その他の化学物質用の蓄積電極。また、センサ、マイクロロボット、熱交換器などのデバイスの重要部分にも有用である。