科学特集：パトリック・スターの完璧な骨格が明らかに、新たな高強度材料が登場

執筆者: 朱恒恒

編集者：王 哈哈

レイアウト: 李雪偉

軽量で強度の高い材料を見つけることは、産業分野、特に自動車産業や航空宇宙産業にとって不可欠です。これらの新しい材料は、強度を維持しながらエネルギー効率を向上させることができます。しかし、長年にわたる産業の実践において、軽量で高強度の材料の研究開発は極めて遅れています。結局のところ、強度の高い材料は密度が高く、重くなる傾向があります。

最近、バージニア工科大学機械工学部のリン・リー助教授が率いる研究チームが、軽量かつ高強度の新しいセラミック複合材料の開発の方向性を指摘した。

リン・リー博士の研究チームは、インド太平洋地域に広く分布する多節ヒトデの骨格のサンプルを研究し、ヒトデの骨格が非常に均一で数式で記述できる単一の微結晶構造で構成されていることを発見した。エッフェル塔の構造に似た、ノードによって接続されたブランチで構成されています。さらに興味深いことに、マイクロ格子構造の均一性は、本質的には原子レベルでの単結晶構造であることも発見されました。

リー博士は、「このユニークな材料は、方解石の単結晶から彫り出された格子のようなものです。このほぼ完璧なマイクロ格子構造は、これまで自然界で報告されたことも、合成されたこともありません。規則性の高い格子材料のほとんどは、小さな結晶を含む材料を組み合わせて複合材料を形成することによって作られていますが、この新しいマイクロ格子構造は、全体として成長しています」と述べました。

図 |サイエンスの表紙（出典：サイエンス）

「節くれだったヒトデ、プロトレアスター・ノドサスにおける、損傷に強い二重鱗の単結晶微小格子」と題されたこの研究は、サイエンス誌の最新号の表紙に掲載された。

工業材料の品質と強度のバランスをどう実現するか

密度が高い材料は強度が高く、重くなる傾向があることは誰もが知っています。簡単な例を挙げると、中が空洞の鉄球よりも中身が詰まった鉄球の方が明らかに強度が強いです。そのため、業界では長い間、軽量で高強度の新しい材料を設計する際に、品質と強度のバランスをとることが難しいと感じてきました。

対照的に、何百万年もの進化を経て、自然はこの問題を解決する独創的な方法、つまり内部に気孔を導入することで極めて軽量かつ高強度の材料を生み出す多孔質材料を生み出しました。たとえば、私たちの骨、植物の根、ミツバチの巣などです。

図 |蜂の巣（出典：Pixabay）

これらの材料を顕微鏡で観察すると、小さな隙間と複雑な幾何学的構造が詰まっていることがわかります。私たちが活発に歩いたり走ったり、高強度の衝撃に耐えることができるのは、これらの複雑な気孔のおかげです。

そのため、長い間、多くの材料研究者が自然からインスピレーションを得て、新しい多孔質材料、特に新しい多孔質セラミック材料を開発しようとしてきました。

金属やポリマー材料と比較すると、セラミックは機械的、熱的、電気化学的特性に優れ、高温や腐食環境への耐性が優れていますが、脆いため壊れやすいことが多く、セラミック材料の幅広い応用には大きな制限があります。

自然にヒントを得た新しい多孔質セラミック材料の開発

以前、リー博士のチームは、イカの骨のユニークな多孔質バイオセラミック構造が強度と耐破損性に優れており、浮力の調節に使用できることを発見した。このプロジェクトと他の同様の研究は、Li 博士が微視的スケールでの自然界における多孔質構造の応用を研究するきっかけとなりました。

この研究で、リー博士と彼のチームは、節のあるヒトデの骨格に焦点を当てました。昔はテレビでヒトデがさまざまなだらしない姿勢で横たわっているのをよく見ていたため、多くの人の第一印象はヒトデがとても柔らかい動物だというものでした。

画像 |ヒトデ（出典：Pixabay）

しかし、実際には棘皮動物であるヒトデは、中胚葉によって形成された内部骨格を持っています。さまざまな形の小さな骨片が結合組織によってつながって全体を形成します。非常に軽量ですが、非常に強度が高く、防弾チョッキと同じくらい頑丈です。

明らかに、ヒトデの骨格は高い強度と靭性を備えているため理想的な材料であり、その原理を明らかにすることで、より強くて耐久性のある多孔質セラミック材料を作成するのに役立つ可能性があります。

この目的のために、李博士は研究チームを率いて、ナノスケール特性評価および製造研究所でこれらのヒトデの骨のサンプルを観察しました。結果は、顕微鏡レベルではヒトデの骨格の格子構造が非常に規則的であり、イカの骨やウニの棘の多孔質構造とはまったく異なることを示しました。それどころか、これはこれまでに発見された無脊椎動物の骨の中で最も規則的な構造であり、この規則的な構造は、現代の人間の建築プロジェクトで一般的に使用されているスペースフレーム構造と非常によく似ています。

（出典：バージニア工科大学）

その後、研究者たちは、この天然の格子材料がどのようにしてこれほど高い機械的強度を持つのかを探り始めました。結局のところ、ヒトデの骨格とチョークの主成分は方解石であり、チョークの強度はヒトデの強度よりもはるかに低いことは明らかです。

しかし、研究結果は李博士の期待をはるかに上回るものでした。研究者たちは、ヒトデのそれぞれの小さな骨片が非常に均一な個別の微小格子構造で構成されており、エッフェル塔の建築構造と同様に、各枝を結節がつなぐ構造になっていることを発見した。さらに興味深いことに、研究チームは、このマイクロ格子の均一な構造が、原子レベルでは本質的に単結晶構造であることを発見しました。

この構造により、ヒトデは特定の方向で戦略的に骨格を強化し、保護力を高めることができます。さらに、この動物は特定の方向や特定の領域に沿って触手を太くすることができ、それによって機械的特性を向上させることができるようです。これは、人体が多孔質骨の局所的な形状を変化させることで身体活動に適応できる方法に似ています。

この点について、バイオミネラリゼーションの専門家でバージニア工科大学の特別教授であるパトリシア・ダブ氏は、「捕食性が極めて強い海底環境に生息するヒトデやその他の棘皮動物は、海水と一部の有機成分のみを使用して、驚異的な骨格の形成を導くことができる新しい材料の世界を明らかにしています。この研究は、機械工学の分野における新材料の設計に重要な意味を持っています」と述べています。

リー博士とその協力者は現在、3Dプリント技術を使用してこれらの複雑な格子構造をモデル化し、生成しようとしていると伝えられています。 Li 氏のチームが作成した 3D プリント モデルは見た目は同等ですが、この新しい強力なセラミック構造を市場に投入するにはまだ時間がかかるでしょう。

図 |リー博士がヒトデの骨格と 3D プリントモデルを披露 (出典: バージニア工科大学のアレックス・パリッシュ)

現在、3D プリンターはミクロン構造を生成できますが、印刷されたセラミック製品の最終焼成プロセスでは、制御されていない小さな気孔や亀裂が多数発生する可能性があります。これらの微妙な変化により、機械特性が破壊され、非常に脆くなる可能性があります。将来的には、3Dプリント技術の進歩とヒトデの骨格の生物学的構造の形成メカニズムの理解により、新たな解決策が提供されるかもしれません。

全体として、この研究はヒトデの高強度骨格の秘密をナノレベルで明らかにし、将来的に、より強くて軽い多孔質セラミック材料の開発への道を示しています。この点について、李博士は「自然は室温と大気圧でこのような複雑な生物学的構造を組み立てることができるが、これは現在のところ人間の現代技術では不可能だ」と述べた。

参考文献:

https://www.science.org/doi/10.1126/science.abj9472

https://vtx.vt.edu/articles/2022/02/eng-ling-li-starfish-skeleton.html

https://www.eurekalert.org/news-releases/942484?

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