3Dプリンテングにより一つの材料に多くの特性をエンコード

March, 24, 2025, Cambridge--液晶エラストマー(LCEs)と呼ばれる合成ソフトマテリアルの一種は、神経系からの信号に反応して筋肉が収縮および弛緩するのと同様に、熱に反応して形状を変化させることができる。これらの材料を3Dプリントすることで、ソフトロボットや義肢から圧縮テキスタイルまで、新たな応用の可能性が開かれる。

材料の特性を制御するには、エラストマ形成インクを3Dプリンタのノズルから絞り込む必要があり、これによりインクの内部構造に変化が生じ、分子スケールでメソジェンと呼ばれる硬いビルディングブロックが整列する。しかし、これらの形状モーフィング材料で特定のターゲットを絞ったアライメントと結果として得られる特性を実現するには、プリンティング条件を完全に最適化するための広範な試行錯誤が必要だった。今に至るまでは。

新しい研究では、ハーバード大学ジョン・A・ポールソンSEAS、プリンストン大学、ローレンス・リバモア国立研究所(LLNL)、ブルックヘブン国立研究所の研究者が協力して、予測可能で制御可能なアライメント、つまり特性を持つ液晶エラストマを毎回プリントするためのプレイブックを作成した。プリンティングプロセス中にX線特性評価法を使用し、マイクロスケールでのメゾンアライメントの定量化を可能にすることで、研究チームは、複数のスケールにわたる迅速な設計と製造を導くための基本的なフレームワークを確立した。

マイクロスケールのノズル設計、プリンティング速度、および温度を調整することにより、目的の分子スケールのアライメントを誘導することができ、これはマクロスケールでの所定の形状モーフィングと機械的挙動に変換されまる。

Proceedings of the National Academy of Sciencesに掲載されたこの研究の筆頭著者は、ハーバードSEASのHansjörg Wyss教授(生物学的に触発された工学)であるJennifer Lewis。Lewisの研究室は、新しい機能性材料のための3Dプリンティングインクの分子およびナノスケールの設計に数十年の経験を有している。この研究は、元ハーバード大学のポスドク研究員で、現在はプリンストン大学の教員であるEmily Davidsonが共同で主導した。同氏は、ソフトマテリアルの設計、ナノスケールアセンブリ、X線特性評価、および3Dプリンティングの専門知識を持っている。

液晶エラストマは、液晶部品で構成される個々の鎖が互いに整列しているときに、最高の形状モーフィングおよび機械的特性を示す。研究チームは、これらの液晶鎖を微細なノズルを通してプリントし、流れによって誘導された配列を駆動した。

「このプロジェクトが始まったとき、押出成形ベースの3Dプリンティング中に液晶のアライメントを正確に制御する方法について、われわれは十分に理解していなかった。しかし、加熱されたときの作動と収縮の量が異なるのは、それらの整列の程度である」と、SEASの大学院生、学術協力プログラムの奨学生、LLNLの共同研究者、筆頭著者のRodrigo Tellesは話している。

プリンティング中の分子の整列を調べるために、チームはテーパーノズルと双曲線ノズルという異なる形状のノズルを使用した。ノズルの形状は、インクの流出方法に影響を与え、それが分子の整列を制御した。押出速度とノズルの形状を変えることで、2種類のフィラメントを作成することができた。1つは、整列が不十分なコアを囲むように整列した分子の外層を持つフィラメントと、全体的に均一な整列を持つフィラメント。

研究チームの計算と実験は、ノズル内の流れの種類と速度の分布がフィラメントの種類を決定することを示した。重要な要素は数多くあったが、チームは、これらのほとんどをワイセンベルグ数と呼ばれる単一のパラメタに組み合わせて、様々なプリンティング条件が分子をどのように整列させるかを説明できることを示した。

「3Dプリンティングのコミュニティでは、ほとんどの人が比較的少数の市販のプリントヘッドを使用している。この研究は、ノズルの形状と流れの両方の詳細に注意を払うことが重要であり、それらを利用して材料特性を制御できることを示した」(avidson)。

チームは、エネルギー省のブルックヘブン国立研究所の広角X線散乱ビームラインの研究者と協力して、3Dプリンティング中に詳細なX線測定を行った。この方法により、ノズルの内部を見て、様々なノズル形状と流量条件を使用してLCEのアライメントを視覚化することができた。X線測定は、ノズル内の任意の位置における液晶分子の正確な整列度を決定するのに役立ち、調整可能なノズル設計とプリンティングパラメタにリンクされた、流れによる整列のロードマップを提供した。
その結果、双曲線形状のノズルは、従来のノズルよりも均一で優れたアライメントを実現したという結果が出た。

この研究は、プログラムされた形状モーフィングと力学を用いてLCE構造を作製し、適応構造や人工筋肉などのアプリケーションで使用するための新たな道を開くものである。

「液晶エラストマを『見る』能力と、広角X線散乱測定によるプリント中のマイクロスケールでの配列を定量化する能力は、初めてその処理-構造-特性関係の基本的なフレームワークを提供した」(Lewis)。