人間の骨は、内部の硬質材料、ナノスケールの多孔質、少量の軟質材料の組合せによって耐久性を実現している。ナノスケールの3D構造と複数材料の理想的な組合せによって、骨は比較的軽量であるにもかかわらず、破壊することなく動力やエネルギーを伝達したり、衝撃や応力を分散して機械的抵抗力を発揮することが可能だ。技術進歩の著しい3Dプリンティングによって、ナノスケールで周期セル構造を持つナノ格子を創成する研究が進んでいるが、骨と同様にナノポロシティを含めたナノスケールの3D構造を持つナノ複合材料を創成することは、先端的な3Dプリンティングにとっても未知の領域である。

研究チームは、毛髪直径の何分の1レベルのナノ3D構造を有する高分子－金属のナノ格子複合材料を創成することにチャレンジした。3Dプリンティングに適した材料を設計するにあたって、レーザー光線で誘起される重合反応を促進する、金原子などから構成される金属ナノクラスターを高分子プリント原料に導入した。同時に、レーザー光線の2個の光子が吸収されて始めて反応が生じ、従来のリソグラフィーよりも微細な構造の描画が可能な二光子プロセスを取り入れた。

その結果、3Dプリンティングによってナノスケールの3D構造を造形できることを実証するとともに、金属ナノクラスターがレーザー光線を強く吸収して光化学反応を顕著に促進することで、従来よりも100倍速い毎秒100mmレベルで3Dプリンティングできることを明らかにした。更に、高分子と金属のナノ複合材料が造形され、耐衝撃性などの機械的性質に優れていることを確認した。同程度の密度を持つ材料と比べて高強度を示すとともに、衝撃エネルギー吸収能力が2倍になり、変形した後のスプリングバックする回復能力も高いことから、衛星やドローン、マイクロエレクトロニクスなどの微小中核機能部品を保護する、軽量極少の保護構造を提供できると期待される。

金属ナノクラスターをアクリレート、エポキシ、タンパク質など様々な種類の高分子と組み合わせることができ、汎用性が高いことも実証され、「金属ナノクラスターは異なった高分子を重合できるので、多種類の材料を1つの構造に造り込む3Dプリンティングに活用することも可能だ」と、研究チームは語る。

（fabcross for エンジニアより転載）