自己修復センシング材料を開発

この新しい素材は、義肢だけでなく電子機器の製造にも使用できる。

科学者たちは長年にわたり、人間の皮膚を模倣し、同じ特性と機能を持つ素材の開発に取り組んできました。科学者たちが再現しようとしている皮膚の主な特性は、感受性と治癒力です。これらの特性のおかげで、人間の皮膚は温度と圧力に関する信号を脳に送り、環境刺激物質に対する保護バリアとして機能します。

スタンフォード大学の化学工学教授ジェナン・バオ氏のチームは、苦労の末、初めてこれら2つの特性を兼ね備えた材料を作り出すことに成功した。

過去10年間で数多くの「人工皮膚」が開発されましたが、最も先進的なものでさえ深刻な欠点を抱えていました。中には「治癒」するために高温を必要とするものもあり、日常の家庭環境での使用は不可能です。また、室温で修復できるものもありますが、修復中に機械的または化学的構造が変化してしまうため、事実上使い捨てとなってしまいます。しかし、最も重要なのは、これらの材料はどれも電気伝導性に欠けていたことです。

ジェナン・バオ氏とその同僚は、この方向で大きな前進を遂げ、プラスチックポリマーの自己修復特性と金属の電気伝導性を単一の材料で初めて組み合わせました。

科学者たちは、水素結合でつながれた分子の長い鎖からなるプラスチックから着手しました。これは、ある原子の正電荷領域と次の原子の負電荷領域との間の、比較的弱い結合です。この構造により、この材料は外部からの影響を受けた後、効果的に自己修復することができます。分子は非常に簡単に分解しますが、その後元の形に戻ります。その結果、科学者たちは冷蔵庫に放置したタフィーのような柔軟な材料に例えました。

科学者たちはこの弾性ポリマーにニッケルの微粒子を添加することで、材料の機械的強度を向上させました。さらに、これらの微粒子は電気伝導性も向上させ、電流が微粒子から微粒子へと容易に伝導するようになりました。

結果は期待通りだった。「ほとんどのプラスチックは優れた絶縁体ですが、私たちは優れた導体を手に入れました」と、鮑鎮南氏は総括した。

研究者たちはその後、材料の回復能力をテストしました。材料の小片をナイフで半分に切り、切り取った二つの部分を軽く押し合わせると、材料は元の強度と導電性の75%を取り戻していることがわかりました。30分後には、材料は完全に元の特性を取り戻していました。

「人間の皮膚でも治癒には数日かかります。ですから、かなり良い結果が得られたと思っています」とバオ氏の同僚ベンジャミン・チ・キオン・ティー氏は語った。

この新素材は、次のテストである50回の切断回復サイクルにも合格しました。

研究者たちはそこで止まるつもりはありません。将来的には、材料に含まれるニッケル粒子をより有効に活用したいと考えています。ニッケル粒子は、材料の強度を高め、導電性を向上させるだけでなく、自己修復能力を低下させる効果もあるからです。より小さな金属粒子を使用することで、材料の有効性をさらに高めることができます。

科学者たちは、この材料の感度を測定することで、握手程度の力で圧力を検知し、反応できることを発見しました。そのため、バオ氏とチームは、この発明が義肢に応用できると確信しています。さらに、彼らはこの材料を可能な限り薄く透明にすることで、電子機器やその画面のコーティングに使用できるようにしたいと考えています。

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