【目次】
- 1. 自己修復・分解可能な導電性イオンエラストマー（Self-healing and Degradable Conductive Ionoelastomers）
- 2. 再構成可能な4Dプリント形状記憶ポリマー（Reconfigurable 4D Printing Shape Memory Polymer）
- 3. まとめ
ビッグデータ、クラウドコンピューティング、人工知能などの先端技術の急速な発展に伴い、新素材産業は戦略的かつ基盤的な産業となり、ハイテク産業の将来の発展の礎石となっています。同時に、新素材の研究開発は科学技術の進歩、環境保護、生活の質向上の鍵でもあります。
3Dプリンティング技術は、そのユニークな製造原理と加工プロセス特性により、新素材の分野でますます利用されるようになっており、新素材の開発と応用にかつてない可能性を提供し、いくつかの産業における技術的ブレークスルーを促進しています。現在、新素材の3Dプリンティングは新たなトレンドとなっており、従来の複合成形の限界を打破し、新素材部品の製造コストとサイクルタイムを大幅に削減することが期待されています。BMF PμSLの高精度3Dプリンティング技術は、新素材部品の製造効率向上とコスト削減のための多様で革新的なソリューションを提供します。以下は、BMFの顧客が発表した最新の研究成果の概要です。
図1 BMF 3Dプリンティング装置で作られた微細構造物
1. 自己修復・分解可能な導電性イオンエラストマー（Self-healing and Degradable Conductive Ionoelastomers）
フレキシブル・センサは、新世代のインテリジェント・センシング・デバイスとして、ウェアラブル・デバイス、インタラクティブ・ディスプレイ・デバイス、電子／イオン・スキンなどの分野で幅広い応用の可能性を示しています。ハイドロゲルやイオンゲルのような従来のゲルベース（gel-based ionic conductors）のイオン伝導体は、良好な伝導特性を持っていますが、水分の損失、低温固化、イオン液体の漏れなどの影響を受けやすいです。導電性イオノエラストマー（Conductive ionoelastomers, CIEs）は、無溶媒で高い安定性を持つことから、従来のゲル状イオン導電体に代わる伸縮自在の新しい導電材料として期待されています。CIEsの総合的な性能を高めるためには、CIEsの微細構造設計と成形方法の改善が必要です。積層造形技術（DLP 3Dプリンティングなど）は、その高精度、迅速なプロトタイピング、構造のカスタマイズ機能により、CIE製造の新たな方向性を提供します。
研究内容
Yu Longらは、動的ネットワーク（dynamic network）を構築することにより、高い自己修復効率、耐熱性、分解性、及び3Dプリンティングが可能なCIEsを開発しました。関連な研究成果は、“3D Printing of self-healing and degradable conductive ionoelastomers for customized flexible sensors”のテーマで、権威のある国際学術誌《Chemical Engineering Journal》に掲載しています。
図2 PACG導電性イオンエラストマー（CIEs）の合成と3Dプリンティングソリューション
まず、イオン性モノマー、架橋剤、光重合開始剤を合理的に選択することで、感光性と優れた移動度を持つ前駆体溶液を合成し、紫外線照射によって一段階でPACG (Poly-AAm/ChCl/Glycerol) CIEsに共重合させます。豊富で動的な水素結合ネットワークが存在するため、UV光で硬化させたCIEsは、良好なイオン伝導性（0.23 S m-1）、優れた引張特性（破断伸度565 %まで）、劣化を示すだけでなく、広い温度範囲（-23～55℃）にわたって導電性を維持し、高い効率で自己治癒する能力（室温での治癒効率＞99 %）を発揮します。
次に、研究チームは、ヒトの皮膚の真皮と表皮の間の連動した微細構造（interlocking microstructures）をシミュレートし、バイオニック連動抵抗性圧力イオン皮膚センサー（bionic interlocking resistive pressure ionic skin sensors）を設計し、微小な変形をリアルタイムでモニターできる高感度イオン皮膚を作製しました。BMFの３Dプリンティング技術（(PμSL，microArch® S140)を用いて、微小変形をリアルタイムでモニタリングできる高感度イオンスキンを作製し（図3）、フレキシブルエレクトロニクス分野へのCIEsの応用をさらに推進しました。
図3 PACG-1 CIEに基づく3Dプリンティングとストレステスト
研究意義
研究チームが開発した導電性イオンエラストマー（CIEs）は、優れたイオン伝導性、高い透明性、優れた機械的特性を有するだけでなく、3Dプリンティング技術によって複雑な微細構造を正確に作製することができます。さらにイオン皮膚として組み立てることで、微小な圧力をリアルタイムで監視することが可能になり、フレキシブルエレクトロニクス分野への応用に大きな可能性を示しています。この革新的な技術は、フレキシブル電子材料の製造に環境面で効率的なソリューションを提供するだけでなく、バイオニックイオンスキンとマイクロ回路の組み合わせにより、健康モニタリングや人間とコンピュータの相互作用などの最先端分野における重要な潜在的応用価値を実証しています。
2. 再構成可能な4Dプリント形状記憶ポリマー（Reconfigurable 4D Printing Shape Memory Polymer）
4Dプリンティング技術とは、3Dプリンティングをベースに、インテリジェントな素材とインテリジェントな構造設計を組み合わせた革新的な製造方法であり、3Dプリンティングされた構造体が外部環境の刺激を受けて形状や構造の変化を起こすことで、3次元機械部品-ドライバーを一体化して実現します。形状記憶ポリマー（Shape Memory Polymers，SMPs）は、安定した化学架橋を有する熱硬化性材料であり、4Dプリンティングに広く使用されているが、単一の形状記憶機能しか有していないため、複数の形状を「記憶」し、複数のタスクを実行することが困難です。この限界を打破するため、共有結合アダプタブルネットワーク（Covalent Adaptable Networks, CAN）に基づく動的架橋戦略が提案され、可逆的な結合の再編成を通じてSMPsに多段階の形状プログラミング能力を与えています。しかし、この戦略によって、機械的強度、印刷性能、再構成能力、変形能力などの特性を総合的にバランスさせることはまだ難しい状況です。
研究内容
そのため、Qi Geらは、高解像度のDLP 3Dプリンティングに適した、高い機械的特性を持つ機械的に頑健な共有結合適応性ネットワーク形状記憶ポリマー（Mechanically Robust Covalent Adaptable Network Shape Memory Polymers，MRC-SMPs）を開発しました。これにより、完全に再構成可能で、高破断ひずみ、高精度の4Dプリンティングが可能になります。研究成果は、“Reconfigurable 4D printing via mechanically robust covalent adaptable network shape memory polymer”をテーマで、《Science Advances》に掲載されています。
図4 MRC-SMPsの調製と高温・高延伸下での形状記憶プロセス
まず、特定のモノマー、架橋剤、光重合開始剤、触媒を均質な前駆体溶液に混合し、UV光によって重合を開始し、共有結合で架橋されたネットワーク構造を形成します。導入されたTBD触媒は、その後の熱処理中にポリマーネットワークのエステル交換反応（transesterification）を誘発し、分子トポロジーの再構築（molecular topological rearrangement）を達成することで、材料の形状再構成性（reconfigurability）と溶着性（weldability）を付与します。図4Dに示すように、MRC-SMPはプログラミングと再構成温度の両方で高い変形性を示し（破壊ひずみはそれぞれ1640％と1471％）、このためMRC-SMPは大きな変形下で何度も再プログラミングと再構成が可能です。
前駆体溶液の低粘度（0.2 Pa・s）と高感光性（ゲル時間、4.5秒/100 μm）により、MRC-SMPsはDLP 3Dプリンティング技術に適合します。この特性に基づき、本研究ではBMF高精度3Dプリンター（microArch® S240）を用いて、複雑な構造と高い微細性を有する様々な再構成可能な形状記憶3D格子構造の作製に成功しました（図5）。さらに、MRC-SMPsは優れた形状記憶特性を示し、高いガラス転移温度（Tg＝75℃）と室温弾性率により、室温で一時的な形状を固定し、大きな荷重に耐えることができます。特に重要なのは、再構成温度において、熱処理によって複数の個別部品を完全な部品に統合することができ、優れた溶接性を示すことになります（図5F）。
図5 MRC-SMPsの優れた機械的特性と印刷適性の実証
研究意義
本研究では、高解像度DLP 3Dプリンティングに適したMRC-SMPs材料を開発し、CAN-SMPSの熱機械特性が弱いという問題を効果的に解決し、変形可能な構造体の作製方法を簡素化するだけでなく、3DプリンティングされたSMP構造体に再構成性と溶接性を付与し、機械的強度、印刷性能、再構成性、変形性の総合的なバランスを実現し、4Dプリンティング技術の進歩と発展をさらに促進しました。
3. まとめ
3Dプリンティング技術は、自由設計、ラピッドプロトタイピング、材料の多様性、微細構造の変調といった特徴を通じ、新材料の開発に強力なツールを提供します。新素材の開発と最適化プロセスを加速させるだけでなく、多くの分野での新素材応用のブレークスルーを促進し、製造業と材料科学の将来の発展に新たな機会をもたらします。
