| 研究課題/領域番号 |
23K17822
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| 研究種目 |
挑戦的研究(萌芽)
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| 配分区分 | 基金 |
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| 審査区分 |
中区分26:材料工学およびその関連分野
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| 研究機関 | 国立研究開発法人産業技術総合研究所 |
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研究代表者 |
真部 研吾 国立研究開発法人産業技術総合研究所, エレクトロニクス・製造領域, 主任研究員 (80848656)
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| 研究期間 (年度) |
2023-06-30 – 2026-03-31
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| 研究課題ステータス |
交付 (2024年度)
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| 配分額 *注記 |
6,500千円 (直接経費: 5,000千円、間接経費: 1,500千円)
2025年度: 2,600千円 (直接経費: 2,000千円、間接経費: 600千円)
2024年度: 2,600千円 (直接経費: 2,000千円、間接経費: 600千円)
2023年度: 1,300千円 (直接経費: 1,000千円、間接経費: 300千円)
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| キーワード | 3Dプリント / 表面濡れ性 / 界面 / バイオミメティクス / 超撥水 / セルフクリーニング / トライボロジー / 高耐久材料 |
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| 研究開始時の研究の概要 |
本研究では、脱炭素・循環型社会の実現に向けて期待される3Dプリント製造において、全工程3Dプリントによるメンテナンスフリー表面の実現に向け、バイオミメティック高耐久超濡れ構造体を創出することを目的とする。挑戦する本構造体は、超撥水ナノ材料と甲殻となる3Dプリント材料から構成され、表面における複雑な濡れ現象の解明及びマルチマテリアルなデジタルファブリケーション技術を用いて機能性材料を構築するための基盤技術を確立する。また低コストかつスケーラブルな多品種大量生産、幅広い材料（例えば分解性材料や穀物廃棄物等）の活用、製造時の廃棄物と人的・プロセス工数の減少によりCO2削減に貢献することが期待できる。
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| 研究実績の概要 |
本研究は、脱炭素・循環型社会の実現に向けて期待される3Dプリント製造において、表面機能性を追究した3Dプリンティングによるメンテナンスフリー表面を実現するために、バイオミメティック高耐久超濡れ構造体を創出することを目的としている。代表的なメンテナンスフリー表面としては超撥水表面があり、防汚や防錆、また近年では資源再利用の観点からも汚れの定着阻害の重要性が高まっている。超撥水は低表面エネルギーとマイクロ・ナノスケールの表面粗さを有し、液体と固体表面の接触を最小限に抑えることが必要である。しかし、その微細構造ゆえに機械的耐久性に限界があり、摩擦や外的ストレスによる性能低下が避けられない。この問題を解決するためには、表面のナノ構造を摩耗から保護しつつ、撥水性能を長期間維持するための新たな設計戦略が必要である。そこで本研究では、自然界、特に生物を模倣するバイオミメティクスからスケールと機能の異なる材料を複合した構造体を作製するという解決手法を提案するものである。本年度は、ミツバチの巣構造に着想を得た3層構造を設計し、3Dプリント技術を活用することで高い耐久性を持つ超撥水表面の創製を実施した。本手法では、ポリ乳酸（PLA）フィラメントを用いたFDM方式の3Dプリンティングにより、六角形ハニカム構造を持つマクロ構造を作製した。このハニカム構造は、超撥水性を発現させるナノ粒子層を保護し、摩擦などの外力による劣化を防ぐ役割を果たすよう設計されている。マクロ構造の内部には光硬化樹脂を充填し、その表面に撥水性シリカナノ粒子をLayer-by-Layerスキージコーティングにより分散させた。摩擦試験後も接触角150°以上の超撥水性を維持しており、耐久性の向上が確認され、Cassie-Baxterモデルによる理論解析とも一致し、適切なマクロ構造の設計が超撥水性の耐久性向上に寄与することを示唆した。
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| 現在までの達成度 |
現在までの達成度
2: おおむね順調に進展している
理由
昨年度に実施した研究結果を元に本年度計画していた、3Dプリンティングによる構造体の作製及び各スケール・機能を有する材料の複合化、現象の普遍的な理論化、トポロジー最適化に伴う機械耐久性の向上が確認され、さらに3Dプリンティング技術を応用したモデルハウスの屋根への本研究の適用や透明材料への発展等、超撥水構造体としての機能発現も達成できている。以上から、“おおむね順調に進展している。”といえる。
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| 今後の研究の推進方策 |
研究計画が順調に進展しているため、研究計画書通りに今後の研究を推進していく。まずは、今後の研究の推進の焦点として、積層構造体を用いた直接的な超撥水性の発現、繰り返しの摩擦耐久性の発現、UVや流水等の耐候性の確認、FDM以外の3Dプリンティング方式への展開を実施していき、構造・表面機能化を結びつけることで、これまで以上の性能を発揮する表面を創生していく。
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