航空宇宙から家庭用アプリケーションへ、広範な利用に備える先進的オーセティックゲージ

オーセティック材料は、古典的な材料とは異なり、負のポアソン比を示します。言い換えれば、長手方向に引張力が加わると、オーセティックは垂直な横方向に膨張します。 

科学者は材料におけるオーセティック特性の探索を続けています。最近、ノア・ストーセック博士課程の学生が、Western physicist Giovanni Fanchini, と協力し、そのようなナノ材料の一つを開発しました。 

二次元オーセティックナノシート

両研究者はInterface Science Westernで、W2Cとしても知られるタングステン半炭化物の2次元ナノシートの開発に取り組みました。これらはタングステンと炭素原子が等量含まれる化学化合物です。オーセティック材料の特性に従い、これらのナノ材料は一方向に伸ばすと、加えられた力に対して垂直方向に膨張します。 

この開発は重要です。なぜなら、古典的な材料とは逆に大幅に膨張する材料はこれが2番目になるからです。これまでに報告された唯一の材料は、単位長さあたり10％の膨張しか示さなかったのに対し、現在のナノ材料であるタングステン半炭化物ナノシートは40％の膨張を実現し、世界記録を更新しました。 この成果についてストーセックは次のように述べています: 

「2018年に理論家はこの挙動が優れたレベルで現れる可能性を予測しましたが、世界中の研究グループが多くの試みを行ったにもかかわらず、誰も実現できていませんでした。」

ストーセックとファンチーニが開発した内容を詳しく説明すると、彼らは熱力学的平衡から外れた状態でWとCの前駆体比率を精密に調整できる二重ゾーン遠隔プラズマ堆積システムを科学的・実験的に報告しました。この研究は、FL-W2C（数層タングステン半炭化物フレーク）の合成を可能にした特定条件を強調しています。これらのフレークは二次元構造であり、Stranski–Krastanov成長プロセスにおいてメソスコピックレベルで周期性を保持できます。

化学的手法からプラズマ物理学への新たな転換

開発者デュオは、プロセスの非常に初期の段階で、化学的手法では新しいタングステン半炭化物ナノ材料を構築することは不可能であると判明しました。その結果、単原子層を形成することを目的にプラズマ物理学へと転換しました。 

プラズマ手法を活用してナノ材料を開発するために、開発者デュオは高温でガスを加熱し化学反応させて物質を生成する従来の特殊炉を使用するルートから離れました。 代わりに、電荷を帯びた粒子を含むプラズマを生成する新しいカスタマイズ機器システムを設計しました。 

新たに開発されたナノ材料の応用

これらのナノシートの最も有用な潜在的応用の一つは、全く新しいタイプのひずみゲージです。これらのゲージは、航空機の翼から家庭の配管まで、あらゆるものの伸張を非常に効果的に測定できます。

これらの材料は電気伝導性が高いため、センサーやデバイスで環境の変化やシフトを検出するために使用できます。単に検出するだけでなく、「センサー」機能により、他の電子機器へ情報を送信することも可能です。 

ある応用例について詳しく述べると、ストーセックは次のように語っています:

「自宅の配管が変形し、破裂の危険があるかどうか知りたいと想像してください。この二次元ナノ材料で作られたセンサーを配管に取り付け、コンピュータで流れる電流を監視すれば、電流が上昇すれば配管が膨張して破裂のリスクがあることを意味します。」

将来的には、材料のオーセティック特性に関するさらなる開発が新しいソリューションにつながるでしょう。現在、ミシガン・サイエンティフィック・コーポレーションやOmegaといった企業は、ひずみゲージの製造・開発に深く関わっています。これらの企業は、この開発と生成されたナノ材料を活用して、製品・ソリューションポートフォリオを拡大できる可能性があります。 

#1. Omega

Omega（DwyerOmegaブランド）は、ナノ材料を活用して、堅牢で多様なひずみゲージ製品ラインをさらに強化できます。同社のダイアフラムひずみゲージは、圧力、力、変位、金属・プラスチック・複合材のひずみや応力など、さまざまな用途でひずみと応力を測定できます。二重平行ひずみゲージ製品ラインは、さまざまな用途で曲げ応力を信頼性高く測定するのに役立ちます。 

Omegaはねじり・せん断ひずみゲージ、線形ひずみゲージ、Tロゼットひずみゲージ、ロゼットひずみゲージも提供しています。高い公差管理により取り付けが容易で、Omegaのゲージは信頼性の高い性能と長期安定性を提供します。フルブリッジおよびハーフブリッジひずみゲージは、広い温度範囲での優れた線形性と互換性を示します。 

Tロゼットひずみゲージは、温度、荷重、振動が部品に与える影響を測定できます。特に、既知の主方向を持つ双軸応力の測定に有用です。

同社は、オーセティックゲージに基づく新製品ラインを開発するか、既存製品ラインにオーセティック特性を拡張するのに最適な立場にあります。 

DwyerOmegaは、Dwyer Instruments, Inc.から派生したブランドです。 OMEGA Engineering, Inc.をSpectris plc（LSE:SXS）から約5億3000万ドルで取得することに合意しました（2022年4月19日）。Dwyerは5億2500万ドルで取得し、Omegaの2021年調整後EBITDAの約20.4倍の評価額でした。2021会計年度の売上は1億2900万ポンド（1億6800万ドル）で、調整後EBITDAは1970万ポンド（2570万ドル）でした。

#2. Michigan Scientific Corporation

Michigan Scientific Corporationは、米国ミシガン州シャーレボイに拠点を置く民間企業で、幅広いエンジニアリングサービス、製品、ソリューションを提供しています。同社がこの開発を活用できる分野の一つは、ひずみゲージサービスです。 

同社は、車両サスペンション力、パワートレイントルク、ステアリング部品力、エンジン・モーター荷重、現場での車両ブレーキトルク測定など、さまざまなケースで使用できるカスタムひずみゲージトランスデューサの設計・製造を専門としています。 

Michiganのソリューションには、シャフトトルクトランスデューサ、クランクシャフトトランスデューサ、せん断ピントランスデューサ、半軸ひずみ測定、ドライブシャフトひずみ測定、軸方向力測定などの製品が含まれます。 

これらのソリューションの計測用途には、ストレス監視用回路基板計測、製造中の変形を監視する熱チャンバードアパネル、完全に計測された産業規模のドライブシャフトが含まれます。また、これらのソリューションは、導入されたプロジェクトから取得したデータを収集・分析します。 

新たに開発されたひずみゲージの「センサー」機能が価値を高めることはすでに確認されています。これは、顧客の現場でひずみゲージを設置し、顧客コンポーネントを計測し、テストや開発活動を支援するデータを記録する事業を行うMorgan Scientific Corporationにとっても価値ある追加となります。 

オーセティックの他の重要な最近の進展

土木建設におけるオーセティック

International Journal of Protective Structuresに掲載された報告によると、オーセティック材料は土木工学関連分野での利用が増加しています。 これらは、セメント系材料と組み合わせて、フォームモルタル複合材、ファブリックモルタル複合材、繊維強化セメント複合材など様々な形態で使用できます。 

例えば、オーセティックフォーム層は圧縮下で脆いレンガ壁の改修に有用で、セメント系複合材の降伏後ひずみ硬化効果を大幅に向上させます。

オーセティック繊維は剪断剛性が高く、顕著な破壊靭性を提供します。その結果、低密度で多孔質構造を持つオーセティックフォームモルタル（AFM）の低圧縮強度という課題を克服するのに役立ちます。

オーセティック繊維強化セメント複合材は、従来のセメント系材料が抱える、低延性、十分でない引張強度、低破壊靭性といった欠点を多く解決します。

繊維におけるオーセティック

オーセティック繊維は、複合材料、個人用防護服、家具の張り地、ロープ、コード、魚網など、さまざまな分野で利用できます。これらの応用分野で求められる特性には、繊維引き抜き抵抗、繊維破壊靭性、エネルギー吸収、密度化・圧痕抵抗、衝撃耐性などがあります。

バイオ医療におけるオーセティック 

オーセティックは、義肢、外科用インプラント、縫合・筋肉・靭帯アンカー、さらには心臓手術時に血管を拡張するためのダイレーターなど、バイオ医療のサブセグメントに大きく貢献できます。 

圧電材料の品質向上におけるオーセティック

電極はオーセティック金属で構築できます。これらの電極は、圧電ポリマーをサンドイッチする形で、または圧電セラミックロッドをオーセティックポリマー基体に埋め込む形で機能します。圧電性能を大幅に向上させ、デバイス感度を少なくとも2倍、最大で100倍に増加させる可能性があります。

フィルターにおけるオーセティックの使用

汚染されたフィルターの洗浄は、オーセティックフォームやハニカムフィルターを使用することで実現可能です。具体的には、オーセティックインクルージョンがフィルターピアのサイズと形状を効果的に調整し、汚染されたフィルターでの圧力上昇の影響を補償します。オーセティックフィルターは、引張荷重の方向に沿っても横方向にも孔を開くことができます。

オンデマンドオーセティック材料の設計

上記のセグメントが示すように、先進的オーセティックの利用は急速に拡大し、日々新しい応用領域へと広がっています。 この需要に応えるため、研究者はすでにオンデマンドでオーセティック材料を設計する有益な研究を行っています。

2022年に、 「A three step recipe for designing auxetic materials on demand」という研究が出版され、研究者は二次元完全オーセティックを記述する統一フレームワークを確立し、新材料設計への応用可能性を示しました。 

この研究は、回転する剛体ユニットと反強磁性スピン系との自然な結びつきを大いに活用しました。また、オーセティック挙動を引き起こす非自明なフロッピーモードが出現する条件についても詳述しています。 

研究は、新しいオーセティックの設計として、エキゾチック結晶、ペンローズ準結晶、そして長らく望まれていた等方性オーセティックの3つを提示しました。これらの設計は、小さな構造的乱れに対しても頑健であることが実験と数値シミュレーションで検証されています。 

研究は各設計を最小モデルで表現しました。これらのモデルは、多角形とバネで構成され、外部荷重に対する集合的応答を捉えることができます。 

研究者は、曲げ力を無視しても材料特性をテストできるように、これらのモデルを直接シミュレーションできることを期待しています。さらに、研究成果の重要な達成は、オーセティックドメイン壁と自然テクスチャの挙動を磁性系との類似性を通じて一般化できる点にあります。

最後に、研究に関わった者は、これまでに見られなかった等方性完全オーセティックを創出するための基本ルールを確立したと主張しています。 さらに、この研究は3D多面体材料の製造にも応用できる可能性があると期待されています。

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先進的オーセティックの今後の展望

オーセティック構造は、単一設計の段階を超えて、さまざまな機能を提供できるカスタマイズソリューションへと確実に移行したことが証明されています。その進化は、2Dパターンのバリエーション、ハイブリッド構造、性能指向の次元アップグレードをもたらしました。また、オーセティック特性を有する材料のリストも拡大し、現在はポリマー、セラミック、金属、バイオマテリアル、セメント、繊維、セメント系化合物が含まれます。

多様な構造モデルと一般化された製造モデルの両方が改良され、高剛性材料でもオーセティック挙動が実現できるようになっています。研究者や技術者は、オーセティック材料の応力再配分特性にも注目しています。 

しかし、オーセティックをさらに高度化するためには、いくつかの課題を克服する必要があります。例えば、高速度衝撃下での性能や変形・破壊メカニズムの詳細な検証が求められます。衝撃耐性の実装に関するさらなる研究が必要です。これらの側面に十分な注意を払えば、オーセティックは日常生活において計り知れない価値を持つ科学的・技術的特徴となるでしょう。

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