3Dプリンターの進化で「鉄より強く・水より軽い」夢の素材が誕生する可能性

人工心臓を作ったり、宇宙でピザを作ったり、家を爆速で作ったりと、3Dプリンターの進化はとどまるところを知りません。その3Dプリント技術とレーザー照射技術の進歩によって、「鉄より強く・水より軽い」という夢の素材が誕生する可能性が出てきています。

KIT - Mitarbeiter - Jens Bauer
http://www.iam.kit.edu/wbm/73_925.php

Scientists create bone-like material that is lighter than water but as strong as steel
http://theconversation.com/scientists-create-bone-like-material-that-is-lighter-than-water-but-as-strong-as-steel-22729

カールスルーエ工科大学(KIT)のジェンズ・バウアー博士は、光を照射すると固まる性質を持つポリマーを原料に使って"骨組み"構造を3Dプリントすることで、鉄よりも強く・水より軽い素材を作り出すことに成功しました。

構造材料は、より強く・より軽い方が優秀であるとされるところ、一般的に強度を高めようとすると比重が大きくなり重くなる傾向にあります。下のイラストは、一般的な構造材料の圧縮強度と比重の関係を表す分布図。イラストの上部に位置する構造材料ほど圧縮強度が強く、イラストの左側にあるものほど軽いことを表します。特に、イラスト中央にある「1000」の破線より左側にあるものは水より軽い素材であることを示しています。

産業革命以来、人類はより軽くより強い素材を求め続けて来ましたが、イラストの左上の空白部分が示す通り、水より軽くて鉄のように強い素材は生み出されていないのが現状です。

これまで多くの材料学者が「鉄より強く・水より軽い」素材を作るためには骨組み構造を持つ多孔質な構造が不可欠であると考えていましたが、微細な骨格構造を作り出す手段がなかったため実現できない「夢の素材」にとどまっていました。しかし、1マイクロメートルより小さい立体構造を作り出せる3Dプリント技術と、微細な範囲にだけ光を照射できるレーザー技術が開発されたことで、この夢の素材が誕生する可能性が出てきています。

バウアー博士は、ドイツのNanoscribe社と共同で、レーザー光に反応して固まる性質をもつポリマーを3Dプリンターで出力して、微細な骨組み構造をもたせるようにレーザーを部分的に照射することで、ポリマーを骨組み状に組み立てることに成功しました。しかし、Nanoscribeが作り出した素材はそのままの状態では強度が不足していたため、この骨組み構造をもつ構造体を厚さ50ナノメートルのアルミナ被膜で補強した結果、水よりも軽いにもかかわらず、280MPaの応力にも耐えられる、鋼のように高い剛性を持つ素材を作り出すことに成功しました。

この骨組み構造ポリマーの圧縮実験の様子は以下のムービーで確認可能です。

Lighter than water but as strong as steel - YouTube


これが骨組み構造体の拡大図。髪の毛の直径が約50マイクロメートル(μm)とされることから、骨組みの小ささがよく分かります。

上方向から圧縮すると、骨組みがしなっていることが確認できます。

圧力に耐えかねて、骨組みの最上段部分がぐしゃりとつぶれました。

さらに圧縮力が高まると、骨組みは「S字」を描いて耐えているのが分かります。

2段目部分もつぶれました。

大きくしなりながらも耐える構造体。

圧力に耐えかねて順番にぐしゃりとつぶれていきます。

最終的にはぺちゃんこになりました。

今回バウアー博士とNanoscribe社が作ることに成功した骨組みポリマーは、まだ数十マイクロメートルという小さなサイズで、構造材料として利用することはできません。しかし、3Dプリンターやレーザーの技術が進めば、より大きな構造体の作成が可能になり、夢の素材が実現する可能性があります。3Dプリンター技術の驚異的な開発スピードを考えれば、鉄よりも強く・水よりも軽い素材が近い将来、実現することもあながち夢物語ではなさそうです。