研究者は3次元印刷技術を利用して不思議な新材料を開発した

プリンストン大学（Princeton）のエンジニアたちは、カスタマイズ可能な伸張性と柔軟性を備えたソフトプラスチックを製造するための拡張可能な3次元印刷技術を開発しました。また、リサイクル性とコスト効果もあります。これらの特性は市販の材料ではほとんど同時に備わっていません。

複雑な加工が必要な類似材料とは異なり、このプラスチックは3 Dプリンタで作ることができます。

Advanced Functional Materialsに発表された研究では、エミリー・デビッドソン（EmilyDavidson）リーダーの研究チームは、熱可塑性エラストマーの広範に使用できるポリマーの種類を利用して、剛性を調整できる3 D印刷構造を製造する方法を詳しく紹介した。3次元プリンタの印刷パスを設計することで、エンジニアたちはプラスチックの物理的特性をプログラミングし、デバイスを一方向に伸張させたり曲げたりすることができ、別の方向に剛性を維持することができます。

化学・生物工学助教授のデビッドソン氏は、この技術のソフトロボット、医療設備、義足、軽量ヘルメット、カスタム高性能靴底などの分野での潜在的な応用を強調した。

材料性能の鍵はその最も微小な内部構造にある。研究チームは、弾性を有するポリマーマトリックス中に厚さ5〜7ナノメートル（対照的に、人間の髪の厚さは約90000ナノメートル）の硬い円筒構造を形成することができるブロック共重合体を使用した。研究者は3次元印刷技術を利用してこれらのナノスケールシリンダを配向し、それによって1つの方向に硬いが、ほとんどの他の方向に柔軟で弾力性のある3次元印刷材料を得た。設計者はこれらの円筒体を単一の物体の異なる方向に向けることができ、それによって物体の異なる領域に硬度と伸展性を示す軟構造を設計することができる。

デビッドソン氏は、「私たちが使用している弾性体エネルギーは、私たちが制御できるナノ構造を形成している。これにより、設計者は完成品を大幅に制御することができます。さまざまな方向にカスタマイズされた特性を持つ材料を作ることができます」。

このプロセスを開発する第一歩は、適切なポリマーを選択することです。研究者はポリマー溶融物として加熱と加工を行うことができるブロック共重合体である熱可塑性エラストマーを選択したが、冷却するとエラストマー材料に凝固する。分子レベルでは、ポリマーは互いに結合した分子からなる長鎖である。従来のホモポリマーは1つの繰り返し分子からなる長鎖であり、ブロック共重合体は異なるホモポリマーが互いに結合してなる。ブロック共重合体鎖上のこれらの異なる領域は、油と水のように、混合ではなく互いに分離されている。研究者はこの特性を利用して伸縮性のある基質に硬い円筒体を含む材料を生産した。

研究者はこれらのブロック共重合体ナノ構造がどのように形成され、その流れに対する反応に対する理解を利用して、これらの硬いナノ構造の整列を効果的に促進する3次元印刷技術を開発した。研究者は、印刷速度と制御されたアンダ押出を利用して印刷材料の物理的性質を制御する方法を分析した。

文章の第一著者、プリンストン大学大学院生アリス・ファーガソン（AliceFergerson）は、この技術と、熱アニーリング–材料の制御された加熱と冷却–が果たす重要な役割を紹介しています。

材料の内部構造を制御することで、エンジニアはさまざまな特性を持つ物体を製造することができる。画像ソース：Sameer A. Khan/Fotobuddy

「このテクノロジーの最もクールな部分の1つは、熱アニーリングが果たすさまざまな役割だと思います。印刷後のパフォーマンスを大幅に向上させることができ、印刷されたものを何度も繰り返し使用することができ、物が破損したり破損したりしたときにも自己修復することができます」

デビッドソン氏によると、このプロジェクトの目標の一つは、工業界が負担でき、規模を拡大できるように、局所的に調整可能な機械的特性を持つ軟質材料を創造することだという。液晶エラストマーなどの材料を用いて、局所的に制御可能な特性を有する類似構造を製造することができる。しかし、デビッドソン氏によると、これらの材料は高価（1グラム当たり2.50ドル以上）、また、押出を慎重に制御し、紫外線に曝すことを含む複数の工程を経て加工する必要があります。デビッドソン実験室で使用されている熱可塑性エラストマーの1グラム当たりのコストは約1セントで、商用3 Dプリンタで印刷します。

研究者は、材料の特性を制御する能力を低下させることなく、熱可塑性エラストマーに機能添加剤を添加する技術を示した。一例では、彼らはLynn Looによって教授チームが開発した有機分子で、この分子はプラスチックを紫外線照射下で赤く発光させることができる。また、小さなプラスチックの花瓶や急旋回による綴じ出しなど、複雑な多層構造を生産するプリンタの能力も示しています。PRINCETONの印刷文字。

アニーリングは彼らのプロセスにおいて重要な役割を果たし、内部ナノ構造秩序の完全性を高めた。デビッドソン氏によると、アニーリングは材料の自然治癒特性を実現することもできるという。この作業の一環として、研究者は印刷プラスチックの可撓性サンプルを切断し、アニールによって材料を再接続することができる。修復された材料は元のサンプルと同じ特性を示しています。研究者によると、彼らは原始材料と修復材料の間に「明らかな違いはない」と観察したという。

次のステップでは、研究チームはウェアラブル電子機器や生物医学機器などのアプリケーションと互換性のある新しい3次元印刷可能アーキテクチャの探索を開始する。