素晴らしい

2017 年 8 月 10 日

エミール・ヴェネレ著、パデュー大学

羽毛のように軽く、難燃性で超弾性のある新しい「メタマテリアル」は、高強度と導電性および断熱性を兼ね備えていることが示されており、建物から航空宇宙までの潜在的な用途が示唆されています。

この複合材料は、酸化アルミニウムと呼ばれるセラミックのナノ層と、非常に薄い炭素シートであるグラフェンを組み合わせたものです。 セラミックとグラフェンは両方とも脆いですが、新しいメタマテリアルは超弾性と構造的堅牢性を提供するハニカム微細構造を備えています。 メタマテリアルは、ナノメートル、または 10 億分の 1 メートルのスケールで機能、パターン、または要素を使用して設計され、さまざまな潜在的な用途に新しい特性を提供します。

グラフェンは通常、高温にさらされると劣化しますが、セラミックは高い耐熱性と難燃性を備えており、航空機の熱シールドとして役立つ可能性があります。 軽量、高強度、衝撃吸収特性により、この複合材料はフレキシブル電子デバイスや「大型ひずみセンサー」に適した基板材料となる可能性がある。 同校准教授のゲーリー・チェン氏は、高い導電率を持ちながらも優れた断熱材であるため、難燃性の断熱コーティングとしてだけでなく、熱を電気に変換するセンサーやデバイスとしても使用できる可能性があると述べた。パデュー大学で生産工学の博士号を取得。

「この素材は羽毛よりも軽いです」と彼は言いました。 「密度は非常に低いです。強度対重量比が非常に高いのです。」

研究結果は、5月29日にAdvanced Materials誌に掲載された研究論文に詳しく記載されている。 この論文は、中国のパデュー大学、蘭州大学、ハルビン工業大学と米国空軍研究所との共同研究によるものです。 この研究に関する研究ハイライトが Nature Research Materials 誌に掲載されました。

「今日のセラミックベースの部品の優れた特性は、熱保護スキン、インテリジェントセンサー、電磁波吸収、防食コーティングなど、多くの多機能用途を可能にするために利用されています」とチェン氏は述べた。

しかし、セラミックベースの材料には、機能要素または構造要素としての遍在的な使用を妨げるいくつかの根本的なボトルネックがあります。

「ここで我々は、微細構造由来の超弾性と構造的堅牢性を備えた多機能セラミックグラフェンメタマテリアルを報告します」とCheng氏は述べた。 「私たちは、基本的な弾性単位として機能するマルチナノ層のセル壁で組み立てられた階層的なハニカム微細構造を設計することでこれを達成しました。このメタマテリアルは、セラミックやセラミックス-マトリックス-複合構造では報告されていない一連の多機能特性を同時に実証します。」

この複合材料は、セラミック層の間に挟まれたグラフェンの相互接続されたセルでできています。 エアロゲルと呼ばれるグラフェンの足場は、原子層堆積と呼ばれるプロセスを使用してセラミック層と化学的に結合されます。

「私たちはこのグラフェンエアロゲルの形状を注意深く制御しています」と彼は言いました。 「そして、非常に薄いセラミック層を堆積させます。このエアロゲルの機械的特性は多機能であり、これは非常に重要です。この研究はグラフェンをより機能的な材料にする可能性を秘めています。」

同氏は、このプロセスは工業生産向けに拡大される可能性があると述べた。

今後の研究には、おそらく結晶構造を変更し、製造プロセスをスケールアップし、材料特性を調整するための微細構造を制御することによって、材料の特性を向上させる研究が含まれる予定です。

詳しくは： Qiangqiang Zhang et al. フライウェイト、超弾性、導電性、難燃性 3D マルチナノレイヤー グラフェン/セラミック メタマテリアル、アドバンスト マテリアルズ (2017)。 DOI: 10.1002/adma.201605506