コロラド大学ボルダー大学の工学チームは最近、SF のような雰囲気を持つ新しいタイプの材料を実証しました。それは、「硬い全体」と「ゆるい流体」の間を自由に切り替えることができる、特殊な形状の小さな粒子で構成される絡み合った粒子システムです。研究者らは、一般的なオフィス必需品からインスピレーションを受けました。多数のステープルがボール状に絡み合うと、引っ張られるときに全体として外力に抵抗します。しかし、特定の方法で振動したり揺さぶられたりすると、すぐに緩んでバラバラの金属片の山になってしまいます。
この現象は、研究者に材料設計アプローチの再考を促しました。従来のモノリシック固体や化学結合を使用する代わりに、幾何学的形状から開始し、互いに「接続」できる多数の小さな粒子を使用して、物理的な絡み合いを通じて全体の構造を構築し、同時に必要に応じて素早く分解することができます。 「私たちは何年もの間、構成や形状をいじってきましたが、絡み合って絡み合った粒子を真剣に研究し始めたのはつい最近のことです」と、このプロジェクトのリーダーで先端材料・バイオインスピレーション研究所所長のフランソワ・バルセラ教授は語った。 「このシステムは非常にユニークな一連のパフォーマンスの組み合わせを発揮することができ、エンジニアリング上の想像力の余地がたくさんあると私たちは信じています。」
Journal of Applied Physicsに掲載されたこの研究は、この現象を「エンタングルメント」、つまり粒子が互いに絡み合って構造的な結合を形成するプロセスと呼んでいます。同様の原理は自然界でもよく知られています。鳥の巣は強度を得るために枝と繊維の織り合わせに依存し、骨は機械的特性のバランスを達成するために硬いミネラルと柔らかいタンパク質の結合に依存しています。工学的な課題は、この「連動」効果を人工材料で制御可能な方法で再現することにあります。
Barthelat 氏のチームは、その鍵は粒子の形状にあると考えています。 「砂を例に挙げます。砂粒の表面は滑らかで、全体の形状は凸面です。粒子間の真の絡み合いを達成することはほとんど不可能です」と博士課程の学生、ユハン・ソン氏は説明した。 「しかし、『砂粒』の形状を変えると、他の粒子と絡み合ったり絡み合ったりする能力など、巨視的な挙動や機械的特性が劇的に変化するでしょう。」
形状が重要な要素であることを認識した研究者らは、計算手法であるモンテカルロ シミュレーションを使用して、異なる形状の粒子間の相互作用を予測し、最も高度な絡み合いを生み出す幾何学的設計を見つけました。次に、一連の「ピックアップ テスト」を通じてシミュレーション結果を検証し、実際の組み立て、持ち上げ、振動中に新しく設計された粒子がどのように動作するかを確認しました。
この実験は最終的に、予期せぬものの非常に単純な答えを導き出しました。ステープルに似た「二本足の」粒子が最も強く絡み合う傾向を示したということです。このような形状の粒子が多数積み重なると、強く絡み合って全体を形成したり、一定の条件下では緩んで分散したりすることもあります。
この設計は、いくつかの重要な性能上の利点をもたらします。その 1 つは、高強度と高靭性という珍しい組み合わせです。従来の材料では、高強度は脆性の増加を伴うことが多く、一方、高靭性は強度の低下を意味することがよくあります。しかし、この「ステープル粒子」で構成される絡み合った粒子材料は、引張強度と靭性の両方で優れた性能を発揮します。博士号学生のサイード・ペゼシキ氏は、「私たちの絡み合った粒子材料は、これらのステープル粒子を利用して、優れた靭性を示しながら高い強度を維持しています。」と述べました。
もう 1 つの大きな利点は、システムの迅速な組み立てと可逆的な分解です。研究チームは、粒子の山に適用する振動モードを変更することで、粒子間の絡み合いの程度を微調整しました。穏やかで低強度の振動は、粒子が互いの間の隙間にゆっくりと「穴を開ける」のに役立ち、より緊密な絡み合いを形成し、全体の強度が向上します。一方、より強い振動は元の接触状態を破壊し、構造が崩壊して粒子が自由に流動する粒状状態に戻ります。
「これは非常に奇妙な物質です。明らかに液体ではありませんが、単純に固体として分類することはできません」とバルセラ氏は語った。 「これは工学設計の新たな扉を開きます。このような絡み合った粒子の球を実際に手で操作すると、不思議で非現実的な感覚が生まれるでしょう。」
潜在的なアプリケーションの方向性の中で、持続可能なアーキテクチャは重要なシナリオです。研究チームは、将来の建物や橋がこの絡み合った粒子材料を構造または充填ユニットとして部分的に使用できることを想定しています。使用期間中は優れた耐荷重能力を備えています。そして、建設作業が完了するか、構造物の耐用年数が終了すると、全体として分解して、部品や粒子の再利用とリサイクルを実現できます。
ロボット工学も考えられる道です。ペゼシキ氏は、他の学生との議論の中で、この物質的な概念は「群ロボット工学」に拡張できると考えていたことを明らかにした。つまり、多数の小型ロボットが形状と機構の設計を通じて互いに絡み合い、タスクを実行する際にはより大きくより複雑な構造に結合される。タスクが完了すると、それらは互いに解けて分散され、新しい命令が実行されます。
バルテラ氏は、映画「ターミネーター 2」の液体金属ロボット T-1000 に似た、よく知られた SF のイメージを比喩として使用しました。これは、狭い空間内で流体状態に「液化」して障害物を通過し、反対側で完全な形に再凝縮することができます。 「もちろん、この技術のコストは現在非常に高く、大規模な応用を達成するにはまだ多くの課題がありますが、これは多くの研究者が注目している方向性です」と同氏は述べた。
現在、チームは引き続きこのマテリアル システムの最適化を続けており、粒子を衣類によく見られるとげのあるハマビシにある程度似せるために余分な突き出た「脚」や「フック」を追加するなど、より複雑な粒子設計を試みています。このような多突起構造により、絡み合い効果がさらに高まり、構造全体の安定性や調整性が向上することが期待されます。