Pennの研究、無秩序が材料を強化する

May, 27, 2025, Philadelphia--骨を切り開くと、微妙に乱れた構造が見える。骨梁と呼ばれる小さな梁は、不規則なパターンで互いに接続され、ストレスを分散し、骨に優れた強度を与える。もし、人工材料が同様の特性を示すことができるとしたらどうか?

Proceedings of the National Academy of Sciences Nexusに掲載された新しい論文で、Penn Engineering、Penn Arts & Sciences、Aarhus Universityの研究者たちは、特定の材料の構造に適切な量の無秩序を加えることで、ひび割れに対する耐性が2倍以上になることを発見した。

この発見は、いわゆる「メカニカルメタマテリアル」のより広範な使用への扉を開くものである。メカニカルマテリアルとは、3Dプリントやレーザ切断などのデジタル製造技術によって生成されることが多い内部構造によって、重量あたりの強度や剛性が向上するなど独特な特性を持つ材料の一種である、

これまで、メカニカルメタマテリアルがもたらす最大の課題の1つは、その脆弱性だった。「靭性は、すべてとは言えないが、多くの3Dプリントされたメカニカルメタマテリアルにおいて制限要因である」とPenn Engineeringの教授兼John Henry Towne Department Chair of Mechanical Engineering and Applied Mechanics (MEAM) であり、論文の上級著者でもあるKevin Turnerは話している。

この新しい結果は、この問題を比較的低コストで解決することを期待させる。「材料をまったく変更せず、内部の形状を変更するだけで、靭性を2.6倍に向上させることができる」(Turner)。

自然からのインスピレーション
天然素材は一般的に小さなスケールで無秩序を示す。人間の骨に加えて、研究チームは、貝殻の内側にある虹色の物質である真珠層や、ムール貝が表面に付着するために使用する糸を例に挙げている。これらの素材は、規則的な繰り返し構造ではなく、構造要素間の空間に微小で一見ランダムな変化を含んでいる。

何十年もの間、エンジニアは自然からインスピレーションを得てきたが、多くの場合、ハニカムパターンのような製造が容易な構造を再現することで、強度を維持しながら素材の重量を減らしてきた。ハニカム構造は、一部の段ボール梱包材や飛行機の翼の内部の金属補強材に見られる。「これは非常に規則的なパターンだ」とTurnerは指摘している。

対照的に、論文で試験されたメタマテリアルは、規則的なものから高度に無秩序なものまで、幅広いパターンを示した。「亀裂が最も成長しにくく、最も優れた性能を示したサンプルは、規則的な繰り返しパターンで構成されていなかった」と、MEAMのポスドク研究員であり、論文の筆頭著者であるSage Fulcoは述べている。「それらは場所によって異なる形状をしていた。」

無秩序の限界を試す
無秩序がメカニカルメタマテリアルの強度を高めるかどうかをテストするために、研究チームは、トラス(truss)と呼ばれる三角形の格子に基づいて、様々なパターンの数千の計算力学シミュレーションを実行した。三角形が完全に対称に配置されているものもあれば、三角形が交わるノードを移動させることによってパターンに乱れが生じものもあった。
チームは、パターンを一連のコンピュータシミュレーションにかけ、秩序だった形状と様々なレベルの無秩序を持つ形状の両方を含む、代表的な形状セットの物理バージョンを作成した。

研究チームが実験室やシミュレーションで素材を壊そうとしたとき、明確な傾向が現れた。「特定のレベルの無秩序があったため、素材に切り込んだパターンはやや規則的に見えたが、正確には対称的ではなく、最高レベルの性能を達成することができた」(Fulco)。

適切なバランスを取る
完璧なレベルの無秩序さは、少なすぎず、多すぎず、素材の強度と剛性の大部分を保持しながら、その強靭性を高めたが、繰り返し構造よりも設計にかなりの労力を要した。「無秩序なシステムは、設計がはるかに複雑であるため、エンジニアリングではあまり使用されない」(Turner)。

Fulcoは、オーフス大学(Aarhus University)の機械・生産工学部、准教授のMichal Budzikと協力して製造プロセスを微調整し、デンマークに赴き、Budzikの研究室で非常に精密なレーザカッターを使用してパターンを彫った。「彼らの製造装置を活用するために、実験装置を完全に再構築する必要があった。しかし、そのおかげで実験は実際に成功した」(Fulco)。

無秩序の強さを可視化する
この無秩序な構造がどのように靭性を増すのかを理解するために、チームは、Mary Amanda Wood Professor in Physics and Astronomy at Penn Arts & SciencesのDouglas Durianと、当時Durianの研究室の博士研究員だったHongyi Xiaoと共同で考案した実験を行った。(4人はペンシルベニア大学のMaterials Research Science and Engineering Center(MRSEC)の研究者だった。

特定の材料(Fulcoがパターンをカットしたポリマを含む)が引き伸ばされると、光を2つの異なる経路に分裂させる特性である複屈折が変化する。適切な設定で観察すると、様々なレベルの機械的応力によって材料の外観は変化する。

研究者たちは、規則的なパターンのものや、様々なレベルの無秩序を持つものなど、異なるパターンのサンプルを破損するまで負荷をかけながら、画像化することで材料に亀裂が広がるときに何が起こったかを正確に視覚化することができた。

要するに、無秩序性は亀裂が直線的に伝わるのを防いだ。「亀裂が無秩序な材料を介して成長するためには、はるかに広い範囲で損傷が発生する必要がある」(Fulco)。
チームが撮影した画像では、破壊イベントは対称的なサンプルでは直線的により密集して見えるが、適切に無秩序化されたサンプルでは散らばっている。

ラボを超えて
今後、研究チームは、自分たちの発見が、メカニカルメタマテリアルと機械設計における無秩序パターンのより広範な探求を促進することを望んでいる。「今回は三角形を使用したが、この作業は非常に基本的なものだ。他のグループは、それを多くの異なる形状に適用できる」(Fulco)。

自然に着想を得た設計の成功は、エンジニアが天然素材のデザインから学ぶべきことがまだたくさんあることも示唆している。「異なるタイプの材料を組み合わせ、異なるスケールで異なる形状を追加することは、非常に刺激的な機会である。まさに、最も高性能な天然素材を研究する中で見えてくるものだ」とFulcoは、コメントしている。

最終的には、これらの進歩が、亀裂の成長に抵抗し、損傷に耐えることが重要な航空宇宙などの業界での応用に向けた、改良された材料や構造の開発につながるとチームは考えている。「われわれは、靭性を高める幾何学的な方法を特定することで、構造用途でのメカニカルメタマテリアルの幅広い使用を可能にしている」とTurnerは話している。