NIST、衝撃に強いバイオインスパイアード材料

August, 25, 2025, Gaithersburg--NIST科学者たちは、カマキリエビの外骨格に基づいて新しい耐衝撃性材料を開発している。
最も革新的で有用な発明のいくつかは、自然からインスピレーションを得ている。たとえば、日本の新幹線はその空気力学設計はカワセミをモデルにしている。また、スイスのエンジニアは、犬の毛に付着するごぼうの実に小さなフックが付いていることに気づいてマジックテープを発明した。

現在、科学者たちはインスピレーションを求めて小さな水中捕食者に目を向けている。カマキリエビは、強力なパンチ力を持つ色鮮やかな無脊椎動物である。独特な構造により、驚くほど強固な外骨格が生み出され、.22口径弾並みの力で貝を割ることができる、

米国国立標準技術研究所（NIST）の研究者らは、これらの構造の合成版を作成し、そこに微小粒子を衝突させて衝撃性能をテストした。研究チームは、構造の特定のパラメータを調整すると、衝撃エネルギーの吸収と放散の方法が変化することを発見した。

「この研究の結果と洞察は、宇宙船が微小流星体の衝撃から生き残るのを助けたり、破片と衝突する軌道上の衛星を保護したりするなど、航空宇宙への応用を伴うバイオインスパイアード材料設計における重要な進歩を示している」とNISTの材料研究エンジニア、Edwin Chanは語っている。

その他には、一段と優れた防弾ガラス、耐爆性建築材料、より保護性の高いヘルメットなどが潜在的な用途として挙げられる。

Chanと同氏の同僚は、その発見を全米科学アカデミー紀要Proceedings of the National Academy of Sciences.に発表した。

この研究アイデアは、National Research Council（NRC）のポスドク研究員としてNISTに来たSujin Leeから生まれた。同氏は、カマキリエビの付属肢が他の生き物の殻を砕いても折れなかった理由を解明したいと考えていた。Chanもこの概念に興味を持ち、2人はそれを解明するための研究プロジェクトを立ち上げた。

「人が誰かを殴ると手が痛くなるが、カマキリエビの場合は痛まない」（Chan）。少なくともそうは見えない。両氏は、これがカマキリエビの外骨格に見られる微細な「ブーリガン構造」に関連していることをすでに知っていた。

「ブーリガン構造は、自然界における耐衝撃性のための普遍的な材料プラットフォームであり、われわれはそれらについてもっと知りたかったので、研究室で製造してテストした」（Chan）。

LeeとChanは、植物繊維に含まれるセルロースナノ結晶からこの構造を合成した。ナノ結晶は自己組織化して板状になり、回転する合板のように重なり合った。

これらの重なりが、合成ブーリガン構造を形成した。その後、研究者は高周波音波を使用して結晶を改質し、試験材料として機能する薄膜に組み立てた。

次に、研究チームは最大毎秒600メートルの速度で微小粒子を発射して、薄膜の耐衝撃性をテストした。シリカで作られた微小粒子は、高強度レーザによって目標に向かって発射された。研究チームは、超高速カメラで薄膜に衝突する微小粒子の画像を記録した。

これらの画像に基づいて、研究チームは、微小粒子が、地面に当たったテニスボールのように跳ね返りながら、永久的なへこみを残す可能性があることを確認した。へこみの程度と跳ね返りの量は、微小粒子の衝突後にエネルギーが衝撃波としてどのように散逸、または拡散するかによって決まった。

研究チームは、ナノ結晶を厚くしたり密度を変えたりするなど、サンプルの機械的特性に影響を与えるさまざまな要因を微調整することで、エネルギーの放散方法を調整できることを発見した。チームは、微小粒子が薄膜に永久的なへこみを残すが、厚膜は衝撃による衝撃波の方向を変えるのに優れていることを見出した。

NISTは、米国の産業に役立つ高度な測定方法を開発するという使命の一環として、このプロジェクトに取り組んだ。研究者は、このプロジェクトのために開発された測定方法を使用して、ブーリガン構造に基づく耐衝撃性材料や、特殊な特性を持つ他の種類の先端材料をさらに開発することができる。

「これらの発見は、衝撃を吸収する材料を設計するさまざまな方法があることを示唆しており、この知識を使用することで、より弾力性があり、耐久性の高い材料を作成できるようになる。リング上のボクサーなら、1ラウンドだけでなく9ラウンド戦いたいと思うだろう」とChanはコメントしている。