Creation of Meta-materials Mimicking Atoms - Challenge to 4D Printing of Shape Memory Cellular Lattice Porous Materials:

模仿原子的超常材料的创建——形状记忆细胞晶格多孔材料 4D 打印的挑战：

基本信息

批准号：
22K18889
负责人：
小泉雄一郎
金额：
$ 4.16万
依托单位：
Osaka University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Challenging Research (Exploratory)
财政年份：
2022
资助国家：
日本
起止时间：
2022-06-30 至 2024-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

構造と特性の関係の理解とそれに基づく構造の制御は、新材料創成の基礎である一方で、３Ｄプリンタにてサブミリレベルの構造を自在制御が可能となったことに着目し、３Ｄプリンタと物質科学で得られてきた原子レベルの構造と特性の関係の知見を融合した格子構造設計により、新規力学的メタマテリアル創成を目指して研究を実施した。特に結晶性材料の特性は原子配列と電子状態により決定されることから、電子構造と弾性異方性の関係と、格子構造と弾性特性の関係を比較することで電子構造からメタマテリアル設計指針を得ることから着手した。具体的には、3D-CADにより面心立方（FCC）型格子ならびに体心立方（BCC）型格子のBall&Stick型構造体を設計した。その構造体を粉末床溶融結合型樹脂用付加製造装置と熱可塑性ポリウレタン粉末を用いて造形した。造形体の圧縮試験とせん断試験により、縦弾性率E、横弾性率G、ポアソン比νを評価し、弾性異方性の指標としてZener ratio AZ = 2G(1+ν)/Eを求めた。一方、Materials Projectの第一原理計算データから0 Kでの金属元素の弾性異方性を評価し、電子密度分布及びフェルミ面の形状と比較し、電子構造と弾性異方性の関係を検討した。 FCC型格子構造体のAZ は1近傍で比較的低く、等方的なのに対し、BCC型格子構造体は大きなAZ を示し異方性は高かった。一方、金属のAZは元素により大きく異なるが、FCC金属で高く、BCC金属で低い傾向があり、格子構造体とは逆の傾向を示した。さらに、FCC金属のフェルミ面が＜111＞方向に突き出しあるいは接続しているものが多く、BCC金属のフェルミ面が<110>方向に連結しているものが多い。これが格子構造体と金属結晶で、弾性異方性の傾向が逆転していることと関係している可能性があることを見出した。

在理解结构和性能之间的关系并以此为基础控制结构的同时，我们还关注3D打印机可以自由控制亚毫米级结构这一事实，并正在开发3D打印机和材料。研究的目的是通过设计晶格结构来创造一种新的机械超材料，该晶格结构结合了通过科学获得的原子级结构和特性之间关系的知识。特别是晶体材料的特性是由原子排列和电子态决定的，因此通过比较电子结构与弹性各向异性之间的关系以及晶格结构与弹性特性之间的关系，我们可以从我从得到它开始。具体来说，我们使用 3D-CAD 设计了具有面心立方 (FCC) 和体心立方 (BCC) 晶格的 Ball&Stick 结构。该结构是使用粉末床熔融树脂增材制造设备和热塑性聚氨酯粉末制造的。通过成形体的压缩试验和剪切试验评价纵向弹性模量E、横向弹性模量G和泊松比ν，并确定齐纳比AZ＝2G(1+ν)/E作为弹性各向异性的指标。另一方面，我们利用Materials Project的第一性原理计算数据评估了金属元素在0 K下的弹性各向异性，并将其与电子密度分布和费米面形状进行了比较，并研究了电子结构之间的关系和弹性各向异性。 FCC型晶格结构在1邻域内具有相对较低的AZ且是各向同性的，而BCC型晶格结构具有较大的AZ和较高的各向异性。另一方面，金属的AZ随元素的不同而变化很大，但FCC金属的AZ较高，BCC金属的AZ较低，这与晶格结构的趋势相反。此外，FCC金属的费米面通常在<111>方向上突出或连接，而BCC金属的费米面通常在<110>方向上连接。我们发现这可能与晶格结构和金属晶体之间的弹性各向异性趋势相反有关。