材料科学
レーザー印刷メタマテリアルが、より強く、より柔軟に
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MITの画期的な研究が硬い材料をメタマテリアルで柔軟にする
Material sciencesは、材料を顕微鏡的、しばしば原子レベルでよりよく理解し、改良する分野です。最も一般的な目標は、鋼やガラス、セラミックなどの従来形態よりも材料を強くすることです。
メタマテリアルは、材料の構造を変えることで、基礎となる素材の特性とは異なる特性を与えます。これは主に、正確な形状・幾何学・サイズ・配向などの繰り返しパターンを作り出すことで実現されます。
出典: MIT
ここでも、これまでの研究の大半は、最終製品を基礎成分よりも強くすることに集中しており、ボディアーマーや建設、さらには宇宙エレベーターのような未来的プロジェクトに利用できる超高強度鋼、炭素繊維、シルクなどが検討されています。
新しいタイプのメタマテリアルが現在開発されており、従来は硬くて剛性のある要素を柔軟にします。この発見はMITの研究者によって行われ、Nature Materials1に「二重ネットワークに触発された機械的メタマテリアル」というタイトルで掲載されました。
メタマテリアルが従来材料を上回る理由
制御された方法で規則的な微細構造を作り出すことで、基礎成分に比べて材料の性能が向上します。これは電磁的、音響的、構造的強度、熱特性など、さまざまな性質に影響を与える可能性があります。
一般に、これはトレードオフを伴います。たとえば、より強い材料は通常、より硬くなり、実用性が低下することがあります。
したがって、MITの研究者が手法を組み合わせ、材料をより硬くかつ強くしながら、同時に柔軟性も向上させていることは、ある種の革命と言えるでしょう。
“私たちは、メタマテリアルの分野がソフトマター領域への影響をほとんど試みていないことに気付きました。
これまで、私たちは最も硬く、最も強い材料を探し求めてきました。”
より強く、より柔軟に：メタマテリアルのトレードオフを解決する
これまで、ほとんどのメタマテリアルは3Dプリンティングに似た手法で作られ、微細なストラットやトラスが生成されていました。
出典: ETH Zurich
代わりに、MITの研究者は、より柔軟性のある相互に編み込まれたスプリング、すなわちコイルの構造を開発しました。
最初の実験では、非常に硬いはずのプレキシガラスのような材料を「通常通り」組み立てましたが、メタマテリアルに編み込むと、ゴムのように柔らかく弾力的になりました。
“私たちはメタマテリアルの新たな領域を切り開いています。
二重ネットワークの金属やセラミックを印刷すれば、破壊に必要なエネルギーが増し、はるかに伸張性が高くなります。」
これは良い出発点でしたが、材料が伸びすぎて「やや柔らかすぎ、順応性が高すぎる」点が課題となりました。
ハイドロゲルに着想を得た設計が柔軟性と耐久性を向上させる
別の優れた材料としてハイドロゲルがあります。これは主に水と少量のポリマー構造からなる、柔らかく伸縮性のあるゼラチン状化合物です。ゼラチンのように自然由来のものもあります。
MITの研究者は、ハイドロゲルの柔らかさと伸縮性を保ちつつ、より頑丈にする方法をすでに見つけています。これは、自然に硬い分子ネットワークと本質的に柔らかい分子ネットワークという、性質が大きく異なる複数のポリマー網を組み合わせることで実現します。
研究者はこの概念をプレキシガラスのメタマテリアルに応用しました。格子状のストラットとトラスからなる硬く強い古典的メタマテリアルと、各ストラットとトラスを取り巻くコイルのパターンを組み合わせました。
両方の材料ネットワークは、二光子リソグラフィーと呼ばれる高精度レーザー印刷技術を用いて同時に作製されました。
出典: LiqCreate
二重ネットワークメタマテリアルはあらゆるスケールでどのように機能するか
新たに発明された二重ネットワークメタマテリアルは、さまざまなサイズでテストされました。数平方マイクロメートルのサンプルから、数平方ミリメートルに至るまで作製しました。
その後、材料を限界まで押し込む際に高速カメラで強度と柔軟性を測定しました。
出典: MIT
二重ネットワークは自身の長さの3倍まで伸び、従来の格子パターンメタマテリアルの10倍の伸張性を示しました。
“この編み込まれたネットワークは、格子の周りに絡みついたスパゲッティのようなものです。単一の格子ネットワークが破壊されると、破片が一緒に引きずられ、スパゲッティが格子片と絡み合います。
これにより編み込まれた繊維間の絡みが増え、摩擦とエネルギー散逸が増大します。」
エネルギーが広がることで、最初の亀裂が直線的に進んで材料をすぐに破壊することがほとんどなくなるのが、メタマテリアルの柔軟性の主要な要因です。
戦略的欠陥がメタマテリアルをさらに頑丈にする方法
逆説的に、格子に穴を開けることでさらに強くできることが判明しました。
この欠陥はエネルギー散逸をさらに増やし、最終製品全体の回復力を高めます。
“これにより材料が劣化すると考えるかもしれませんが、欠陥を加え始めたところ、伸張量が2倍に、エネルギー散逸量が3倍になりました。
これにより、通常は矛盾する「硬くてかつ靭な」材料が実現したのです。」
この結果、研究チームはこの種のメタマテリアルの挙動をより正確に予測できる理論的枠組みを構築することができました。
MITの柔軟メタマテリアルの実世界での活用例
この設計図は、裂けにくいテキスタイルや布地の設計に役立ちます。
柔軟な半導体、電子チップのパッケージング、そして組織修復のために細胞を培養できる耐久性と順応性を兼ね備えた足場にも、この技術は応用可能です。
別の選択肢として、現在脆い材料に対して、ストラットとトラスにコイルを組み合わせた異種メタマテリアルの概念を導入すれば、同時に柔軟性と回復力を付与できます。
同様の考え方で、既存材料に新たな特性を付加することも可能です。たとえば、環境に自然に反応するようにすることが考えられます。
“これまで機械的特性について議論してきましたが、導電性や温度応答性を持たせることはできないでしょうか？
そのためには、温度に対して異なる反応を示す二つのポリマーをそれぞれのネットワークに用いれば、暖かいときに繊維が開孔したり柔らかくなり、寒いときに硬くなるような布地が実現できます。」
商業メタマテリアルの未来への投資
DuPont
DD 価格チャート
DuPontは、Kevlar、Styrofoam、Nomex（防火）、Great Stuff（建設用接着剤）など、多くの重要なブランド化学品を抱える大手化学企業です。その先進的なポリマー研究と保護材料ブランドは、二重ネットワークメタマテリアル技術から恩恵を受ける可能性があります。
DuPontは古くからの企業で、買収の歴史が複雑であり、近年は一連のスピンオフが行われています。
出典: DuPont
これらのスピンオフにより、DuPontから栄養・バイオサイエンス部門が分離され、Corteva Biosciencesへ一部売却され、チタン製品はChemours Company (CC ) へ、モビリティ部門も分離されました。
2025年11月に電子化学事業部門も分離する予定ですが、水処理（膜・フィルター）部門は維持され、以前の計画とは異なります。
出典: DuPont
これにより、DuPontは高度な水処理・浄水用ポリマーと防護装備、さらに航空宇宙・医療・電気自動車向け先進材料に焦点を絞った、はるかに専門的な企業となります。
出典: DuPont
DuPontは真に国際的な企業であり、水処理や産業製造における特殊化学品の需要が高いです。
DuPontの化学品が供給するセクターは多岐にわたり、建設・水処理・エレクトロニクス・自動車・航空宇宙・医療・グリーンエネルギー・産業生産などが含まれます。
出典: DuPont
防護装備におけるDuPontの強固な存在感と、ハイパフォーマンスポリマーであるKevlarブランドの確立された地位は、メタマテリアルの新形態を商業製品に取り入れる際に有利に働くでしょう。
いずれにせよ、新技術が成長し、水消費が増加するにつれて、DuPontが生産する先進化学品の需要も拡大しています。
(CTVA )Dupontに関する最新情報
Studies Referenced:
1. Surjadi, J.U., Aymon, B.F.G., Carton, M. et al. (2025) 二重ネットワークに触発された機械的メタマテリアル. Nat. Mater. https://doi.org/10.1038/s41563-025-02219-5
