Creation of Meta-materials Mimicking Atoms - Challenge to 4D Printing of Shape Memory Cellular Lattice Porous Materials:
| Project/Area Number |
22K18889
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Challenging Research (Exploratory)
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Review Section |
Medium-sized Section 26:Materials engineering and related fields
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| Research Institution | Osaka University |
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Principal Investigator |
小泉 雄一郎 大阪大学, 大学院工学研究科, 教授 (10322174)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
尾方 成信 大阪大学, 大学院基礎工学研究科, 教授 (20273584)
奥川 将行 大阪大学, 大学院工学研究科, 助教 (70847160)
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| Project Period (FY) |
2022-06-30 – 2024-03-31
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| Project Status |
Completed (Fiscal Year 2023)
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| Budget Amount *help |
¥6,500,000 (Direct Cost: ¥5,000,000、Indirect Cost: ¥1,500,000)
Fiscal Year 2023: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000)
Fiscal Year 2022: ¥5,200,000 (Direct Cost: ¥4,000,000、Indirect Cost: ¥1,200,000)
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| Keywords | 原子模倣 / 相転移 / 第一原理計算 / 付加製造 / 4Dプリント / メタマテリアル / 弾性異方性 / フェルミ面 / Additive Manufacturing / セル格子構造 |
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| Outline of Research at the Start |
材料の構造と特性の関係は新材料創成の基礎となる。3Dプリンタは広いスケールでの構造制御を可能とした。本研究は，材料科学が解明した原子レベル以下の構造と特性の関係から格子を設計し、物質が本来有さない特性を付与できると期待される。本研究では電子分布と弾性率の関係を元に材料の密度分布の制御で弾性率を制御する。さらに、応力誘起相転移する格子に、バイメタル梁を組み込むことで熱誘起相転移を発現させ、形状記憶を発現させる4Dメタマテリアルを提案する。これは、特定元素でしか発現し得えない特性を他の元素で発現の可能とし、持続可能な社会の構築に資する新技術の学術的基盤の構築に挑戦する。
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、力学的メタマテリアルの新しいコンセプトとして原子模倣メタマテリアルを提案するとともに、応力誘起相転移する格子構造体に温度で変形するバイメタルを組み込むことで熱誘起相転移を発現させ、形状記憶特性を発現する4Ｄメタマテリアルという概念を提案した。これにより、特定の元素組成でしか発現し得なかった特性を他の元素で発現させることを可能とする設計につなげ、新たな4Ｄプリント手法の可能性を実証し目的を達成した。昨年度までに、アプローチ1として、立方晶系結晶構造を模擬し, 原子位置に球, 最近接結合位置に円柱梁を配置した格子構造体を作製し, その弾性異方性と立方晶系結晶性物質の弾性異方性の対応関係を調査した。今年度は、ダイヤモンド構造、単純立方構造にも研究を展開した。共有結合で構成されるダイヤモンドやシリコンの弾性異方性は、第一近接結合のみを模倣した格子でおおむな再現できた。実在物質には存在しない単純立方格子の弾性異方性は、ポアソン比が小さく、Zener比も低い特徴を有している。この特性は、面心立方格子や体心立方格子にて第二近接結合の影響として反映されることが示唆される興味深い発見にも繋がった。一方、アプローチ2の研究として、バイメタル梁を組み込んだ相転移する格子(Thermally-Induced Phase Transforming Cellular Material：TI-PXCM)について有限要素法（FEM）により、相転移する温度と荷重との関係を評価し、温度－荷重状態図を作成することに成功し、4Ｄ形状記憶メタマテリアル設計の学術的基盤の構築を達成した。今後は、両アプローチの研究成果を融合することで、原子模倣4Dメタマテリアルの開発へと発展することが期待される。本研究は、その礎を築いたパイオニア的研究として位置づけられる。
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Report
(2 results)
Research Products
(14 results)
