2021 Fiscal Year Research-status Report

セルロース・ナノファイバーに基づく力学的メタマテリアルの開発

Research Project

Project/Area Number	20K20956
Research Institution	Tokyo University of Agriculture and Technology
Principal Investigator	花崎逸雄東京農工大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (10446734)
Project Period (FY)	2020-07-30 – 2023-03-31
Keywords	キリガミ / auxetic / セルロース / ナノペーパー / ソフトマター / ソフトマテリアル / 力学的メタマテリアル / 機械的メタマテリアル
Outline of Annual Research Achievements	作製したナノペーパーに対してレーザー加工機によりキリガミ機構を実装し，その試験片を自前で構築した反復試験し易い材料試験機に搭載して多数回の引張試験を行う体制が確立した．経過を時系列にデジタルカメラ撮影する段取りや透明なナノペーパーを撮影する上での照明の当て方も整えた．この試験機では，大きなひずみ量でひずみ制御で引張と初期状態への復帰の意味での圧縮を行う．そして，実験を重ねてゆくうちに，次第に実験時の湿度の影響の及ぶ範囲が明らかになってきた．このような影響の有無は，調べたい特性などにも依存するため，段階的に確認してゆくこととなる．また，レーザー加工する上で仕上がりにナノペーパーの厚さとの兼ね合いがある場面も次第に明らかになってきた．また，コピー用紙に対して独自の設計に基づくキリガミ機構により負のPoisson比を示す力学的メタマテリアルを実現した成果に関して日本機械学会年次大会にて講演を行った．その後，ナノペーパーに同一のキリガミ機構を実装した上で実験したところ，コピー用紙とナノペーパーとでは実験結果に大きな違いを確認した．これは，そもそも市販のコピー用紙に対してナノペーパーの物性が異なるだけでなく，ナノペーパーを取り扱う上でコストや作製し易さなどの観点からふさわしい厚さが異なることも影響している．コピー用紙自体はありふれているが，その組成は純粋なセルロースではない上に製品によって詳細は多様である．このため，大まかな比較後は，ナノペーパーにキリガミ機構を実装した力学的メタマテリアルの特性評価を通じて機能発現に重要なポイントを明らかにしていった．
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned. Reason これまでに多数回の反復試験に便利なようにin-houseで作製した材料試験機や，透明な材料であるナノペーパーをレーザー加工する方法などの技術基盤を構築し，2021年度にはその基盤を活かした形でのナノペーパーに基づく力学的メタマテリアルの追究体制が確立した．具体的な条件や手順の組み合わせが成否を分ける実験においてはノウハウの集積もそれなりに必要であり，理論的なコンセプトを実証する体制が整った意義は大きい．
Strategy for Future Research Activity	引張試験の結果を踏まえて，セルロースナノファイバーからなるナノペーパーに特有の性質と紙にまつわる一般的な特性を吟味しながら，力学的メタマテリアルとしての機能発現を示してゆく．
Causes of Carryover	キリガミ機構を実装する対象であるナノペーパー状態に関して実験計測により評価する機器の購入を見通していたが，その評価の優先順位を吟味してゆくうちに，先に反復引張試験を充分に実施してから判断することが大切であることが次第に明らかになってきた．そのため，予定していた機材購入を見送ったため次年度使用額が生じた．そこで，充分に引張試験を実施してから本年度に的確な機材の購入を行う計画である．