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研究者らは、ポリマーに添加すると、温度変化に耐える能力の点で材料を金属に近づけることで材料の耐久性を高める分子を開発した。 これにより、プラスチック製の携帯電話ケースからミサイルに至るまで、あらゆるものの耐久性が向上する可能性があるという。

ポリマーは低コスト、低密度、優れた断熱性と電気絶縁性、そして高い耐腐食性を備えているため、日常生活で使用されるほぼすべての物品に使用されています。 しかし、熱や寒さに継続的にさらされると、ポリマーなどの材料が膨張および収縮し、最終的には劣化につながります。

材料が異なれば、膨張率や収縮率も異なります。たとえば、金属やセラミックはポリマーよりも収縮率が低くなります。 米国のサンディア国立研究所の研究者らは、ポリマーに添加すると材料の耐久性を高め、より金属に近づける分子を改変した。

研究チームを率いた材料科学者のエリカ・レッドライン氏は、「これは実にユニークな分子で、加熱すると膨張するのではなく、実際に形状変化を起こして収縮するというものだ」と語った。 「それをポリマーに添加すると、ポリマーの収縮が減少し、金属と同様の膨張と収縮の値に達します。 金属のように振る舞う分子があるというのは、非常に注目すべきことです。」

研究者らは名前を明かしていないが、このゲームを変える分子を開発するというアイデアは、スマートフォンの脆弱性に関するサンディア社の顧客からの苦情から生まれた。スマートフォンは、熱や寒さに対してそれぞれ異なる反応をするさまざまな素材で作られている。

「たとえば、携帯電話を考えてみましょう。携帯電話はプラスチックの筐体とガラスのスクリーンが結合されており、その内部には回路を構成する金属とセラミックが入っています」とレッドライン氏は述べた。 「これらの材料はすべてねじ止めされたり、接着されたり、あるいは何らかの方法で接着されており、異なる速度で膨張したり収縮したりし、互いに応力がかかり、時間の経過とともに亀裂や反りが生じる可能性があります。」

研究者らは、この分子がエレクトロニクス、通信システム、ソーラーパネル、自動車部品、回路基板、航空宇宙設計、防衛システム、床材などの幅広い用途でのポリマーの使用方法に革命をもたらす可能性があると述べている。

サンディアの化学エンジニア、ジェイソン・ダガー氏は「この分子は現在の問題を解決するだけでなく、将来のさらなるイノベーションのための設計の余地を大幅に広げる」と述べた。

彼らによると、利点は、3Dプリント中にポリマーのさまざまな部分にさまざまな割合で導入できることだという。

「アイテムのさまざまな部分の素材に合わせて、ある領域に特定の熱挙動を持つ構造を印刷し、別の領域に別の熱挙動をプリントすることができます」とダガー氏は言います。

また、重いフィラーを排除することで材料の軽量化にも役立ちます。 多くの場合、ポリマーの成形や成形を容易にし、安定性を確保するために、炭酸カルシウム、シリカ、粘土、カオリン、炭素などの鉱物が充填剤として追加されます。

「これにより、質量を節約するために物事をはるかに軽量化できるようになります」とダガー氏は言いました。 「これは、たとえば衛星を打ち上げる場合に特に重要です。 私たちが節約できる一グラム当たりの量は膨大です。」

研究者らはこれまでのところ、この分子を少量しか作成していないが、生産を拡大する方法に取り組んでいる。 現在、7～10gを生産するのに10日ほどかかります。

「残念ながら、この分子の合成には時間がかかります」と、この分子の作成を担当した有機化学者のチャド・スタイガー氏は語った。 「ステップが増えれば、時間もお金も増えます。 医薬品などの高価値材料では、通常、5 ～ 6 段階の合成が行われています。 ポリマーでは、広範な採用には安価であるほど良いのです。」

それにもかかわらず、研究者らはこの分子の潜在的な用途について楽観的な見方をしている。

研究チームの一員であるエリック・ネーゲル氏は、「これに似たものは他にはありません」と語った。 「このテクノロジーで何ができるか、そしてこれに関連するアプリケーションの可能性に本当に興奮しています。」