叩くと硬くなる。ユニークな新素材を発明、コーンスターチからヒントを得る

物を落とせば壊れるのが常識だ。だがこのほど発明された新素材は、叩いて強い衝撃を与えたり、引きのばしたりするほど丈夫になる。こうした「適応耐久性」は…

物を落とせば壊れるのが常識だ。だがこのほど発明された新素材は、叩いて強い衝撃を与えたり、引きのばしたりするほど丈夫になる。 こうした「適応耐久性」は、高い負荷がかかる状況で使われる素材にはとても大切なことだ。今回の素材も、この点がとても優れており、さまざまな応用が考えられる。 だがそんな小難しいことに触れずとも、料理に使われるコーンスターチをモデルにしていたり、”絡まったスパゲッティが入ったボウルの中のミートボール”と評されるなど、新素材はとてもユニークだ。 なんだかお腹が空いてきたら、どんな素材なのかもう少しのぞいてみよう。

コーンスターチの不思議な性質がヒント

このユニークな新素材は、握れる液体と言われるコーンスターチ（トウモロコシから作られるデンプン）がヒントになっている。 たとえば砂に水をくわえて混ぜてみても、混ぜる速さで粘り気に違いが出ることはない。 だが同じことをコーンスターチやると、ゆっくり混ぜれば液体のようだし、パンっと叩くと固体のようになる（この実験を見れば、その奇妙さがわかるはずだ）。 コーンスターチの小さな粒子は、ゆっくり混ぜれば、それぞれがはじき合って液体のようになる。一方、素早い力を受けると粒子同士が接触し、その摩擦で固体のようになる。 これがコーンスターチの不思議な性質の秘密だ。

叩くと硬くなるポリマー素材

カリフォルニア大学マーセド校の研究チームは、こうしたコーンスターチの性質を、ポリマー素材で再現しようと考えた。 そのために採用されたのが、「共役系ポリマー」だ。このポリマーには、比較的柔らかくしなやかでありながら、電気を通しやすいという特徴がある。 一般に共役系ポリマーは、分子を組み合わせることで作られる。そこで研究チームは、長い分子（poly(2-acrylamido-2-methylpropanesulfonic acid)）、短い分子（ポリアニリン）、効率的な導電体であるPEDOT:PSS（poly(3,4-ethylenedioxythiophene) polystyrene sulfonate）を組み合わせた。 こうして出来上がったフィルムは、衝撃が素早いほど丈夫になる。 つまり適応耐久性がきわめて高いのだ。PEDOT:PSSを10％増やせば、適応耐久性と導電性の両方をさらにアップさせることもできる。 この画像を大きなサイズで見る Image credig :Yue Wang

絡まるスパゲッティが入ったボウルの中のミートボール

研究チームによるなら、プラスの電荷を帯びた2つのポリマーと、マイナスの電荷を帯びた2つのポリマーが合わさることで、新素材はまるで「絡まるスパゲッティが入ったボウルの中のミートボール」のような極小構造を持つのだという。 このミートボールは、衝撃を受けてもバラバラになることなくそれを吸収し、材料とその導電性を保ってくれる。これが新素材の適応耐久性の秘密だ。 その後の実験では、プラスの電荷を帯びたまた別のナノ粒子（1,3-propanediamine nanoparticle）を加えることで、”ミートボール”がわずかに弱まり、”スパゲッティ”は強化されることがわかった。 つまりはより大きな衝撃を吸収し、かつ壊れにくくなるということだ。

様々なものに応用可能

こうしたことはどれも複雑でテクニカルなものだが、これを大量生産できれば、スマートウォッチバンド、ウェアラブルセンサー、ヘルスモニター（たとえば心臓や血管の健康管理、血糖値の測定）など、さまざまなものに応用できると期待される。 またもう1つの応用案として、個人向けの電子義肢も提案されており、こちらは現在実験が行われている最中だ。いずれは今回の新素材から義肢が3Dプリントされることもあるかもしれない。 ワン・ユエ氏は「さまざまな応用の可能性があり、この新しい型破りな性質が私たちをどこへ導いてくれるのか、とても楽しみです」と語る。 この研究は、2024年度春のアメリカ化学会で発表された。 References:Hitting this stretchy, electronic material makes it tougher – American Chemical Society / Scientists Invented a Bizarre New Material That Gets Tougher When You Hit It : ScienceAlert / written by hiroching / edited by / parumo

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この記事への コメント 30件

たぶん誰も知らない「ブラックカラー」というSF小説にこんな感じの防弾スーツが登場してるのを思い出した。 主役のSFハイテク忍者たちが使っているボディスーツが普段は普通の布同様だが銃弾のような強い衝撃が加わると一瞬硬化して衝撃を吸収し貫通もさせないという、ちょうどこの素材を超進化させたような素材で作られている事になっている。 現実も日々SFに近づいていくな。

1. 名前: 匿名処理班 25 ID: NGEx • 投稿日: 2024年4月17日

>>12 ダイラタント流体は澱粉以外でも細かい粒子なら可能だから いろいろな素材を試してみる余地はあるけど、 一番メジャーな澱粉(コーンスターチ、片栗粉など)だと 加熱調理すると別性質の粘性あるゼリー状に糊化するし 口に入れると唾液の消化酵素で分解されるからなぁ…

1. 名前: 匿名処理班 27 ID: M2U4 • 投稿日: 2024年4月18日

1. 名前: 匿名処理班 30 ID: NTcZ • 投稿日: 2024年4月18日

1. 名前: 匿名処理班 34 ID: NjwM • 投稿日: 2024年4月19日

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