柔軟性と弾性の組み合わせにより、弾性材料は自動車、建設、消費財などの幅広い業界で不可欠なものとなっています。さらに、マイクロ流体工学、ソフトロボット工学、ウェアラブル、医療機器などの新興分野でもますます魅力的になっています。ただし、十分な機械的強度を備えていることは、あらゆる用途の前提条件です。このように、柔らかさと強さという一見相反する特性を解決することは、常に永遠の追求でした。
天然のクモの糸は並外れた強度を持っており、合成軟質素材のデザインに継続的なインスピレーションの源を提供します。その独特の上部構造は複製が困難ですが、層状構造を設計するより一般的な原理は、高い機械的強度を備えた弾性材料を設計するための有用なヒントを提供します。ただし、上記の設計原則をデジタル ライト プロセッシング (DLP) ベースの 3D プリンティングに直接適用することはできません。 DLP 印刷では、必要な急速なゲル化を実現するために急速な光硬化が必要です。したがって、フォトポリマー樹脂には通常、大量の多官能性アクリレートまたはメタクリレートが含まれており、分子設計の自由度が大幅に制限されます。さらに、急速な凝固は不均一なネットワーク形成や残留応力を引き起こす可能性があり、これも機械的性能に悪影響を及ぼします。
3D プリンティングの大規模生産の可能性は、その低い製造効率 (印刷速度) と不十分な製品品質 (機械的性能) によって妨げられています。フォトポリマーの超高速 3D 印刷における最新の進歩により、製造効率の問題は軽減されていますが、印刷されたポリマーの典型的な機械的特性は依然として従来の加工技術に大きく及んでいません。
最近、浙江大学化学工学生物工学部のXie Tao教授とWu Jingjun准研究員のチームは、「並外れた強度と靭性を備えた3D印刷可能なエラストマー」というタイトルの論文をNature誌に発表した。この研究では、あらゆる 3D プリント エラストマーをはるかに上回る、94.6 MPa の引張強度と 310.4 MJ m-3 の靭性を備えたエラストマーを生成する 3D 写真プリント樹脂の化学反応が報告されました。機械的に言えば、これはポリマーに動的共有結合を印刷することで達成され、ネットワークトポロジーの再構成が可能になり、階層的水素結合（特にアミド水素結合）、ミクロ相分離、相互侵入構造の形成が促進され、それによって優れた機械的特性が相乗的に促進されます。この取り組みは、3D プリンティングを使用した大規模製造に明るい未来をもたらします。
図 1: 3D フォトプリント エラストマーの化学設計 © 2024 Springer Nature
図 2. エラストマーの機械的特性とその強化および強化メカニズム © 2024 Springer Nature
図 3. エラストマーの弾性と機械的特性 © 2024 Springer Nature
図 4: DLP によって印刷された強くて丈夫なエラストマー © 2024 Springer Nature
この研究では超強力および超強靱な材料を 3D プリントできるため、記事で紹介した 2 つの例をはるかに超えて、非常に過酷な条件下での使用範囲が広がります。さらに、この研究における印刷プリカーサーは、簡単な手順で容易に入手できる試薬を使用して合成され、低コストが保証されています。優れた機械的特性を備えたポリマーを設計するための確立された原則は他にもありますが、光の下での迅速なゲル化や印刷および保管中の十分な容器寿命など、写真印刷には厳しい要件があるため、それらを 3D 印刷に直接適用することは困難です。それにもかかわらず、これらは、代替の高性能 3D プリント材料の将来の開発に役立つ洞察を提供します。全体として、この研究は、3D プリンティングが必ずしも機械的性能を損なうものではないことを示唆しており、これにより将来の商用実装に向けた大きな障害が解消されます。
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