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デルフト工科大学の研究者たちは、ケブラーの10倍以上の降伏強度を持つ、グラフェンやダイヤモンドなどの他の超強力な代替材料の強度に匹敵する新素材を開発した。

ケブラーはDuPontによるアラミドの登録商標名である。ケブラーのような高強度合成繊維は、摩耗や磨耗に対する驚異的な回復力で有名である。この強靱な素材は、特に防護服やヘルメットなどの補強・強化用途に最もよく使用されている。

新たにデルフト工科大学の研究チームが開発した新素材はアモルファス・シリコン・カーバイド(a-SiC)と呼ばれ、防護具にとどまらず、高感度マイクロチップの実現など、さまざまな応用が考えられるという。

「”アモルファス“という極めて重要な特徴をよりよく理解するためには、ほとんどの材料が、レゴのタワーを複雑に組み立てるように、規則正しく並んだ原子からできていると考えてください。これらは『結晶』材料と呼ばれ、例えばダイヤモンドのようなものです。ダイヤモンドは炭素原子が完全に整列しており、それが有名な硬度の一因となっているのです」と、この新しい研究を率いたRichard Norte助教授は説明する。

しかし、アモルファス(非晶質)には一貫した配列がない。このランダム性は、想定されるような壊れやすさにはつながらない。実際、a-SiCは、10ギガパスカル(GPa)の引張強度を誇り、予測不可能性から強度が生まれることを証明している。

「この意味を理解するには、ガムテープを切れるまで伸ばそうとすることを想像してみて下さい。10ギガパスカルに相当する引張応力をシミュレートしようとすると、破断するまでに中型車10台を端から端までぶら下げる必要があります」とNorte氏は言う。

卓越した強度に加え、この材料はマイクロチップの防振に不可欠な機械的性質を示す。したがって、a-SiCは、極めて高感度なマイクロチップ・センサーの製造に特に適しているのだという。

このユニークな応用の可能性を研究するため、研究者らはマイクロチップを用いた材料試験法を採用した。シリコン基板上にアモルファス・シリコン・カーバイド(a-SiC)膜を成長させ、それを吊り下げることで、高い引張力を発生させることができた。これはナノストリングの形状によって可能になった。

その後、引張応力が徐々に高くなるような構造体を多数作り、材料の破壊点を注意深くモニターしていった。ナノストリングは、より複雑な懸架構造を構築するための基礎として採用された。なぜなら、部品に高い降伏強度を示すことは、その最も本質的な形で強度を示すことに等しいからである。

そして、この材料を最終的に際立たせているのは、その拡張性である。炭素原子の単層であるグラフェンは、その驚異的な強さで知られているが、大量生産は困難である。ダイヤモンドは非常に強度が高いが、自然界では希少であるか、合成にコストがかかる。一方、a-SiCは、ウェハースケールで製造することができ、この信じられないほど頑丈な材料の大きなシートを提供することができる。

このように、a-SiCは、最先端の宇宙探査ツールやDNAシーケンシング技術から、高感度マイクロチップセンサーや高性能太陽電池に至るまで、幅広い用途で極めて有望なのだ。

「アモルファス・シリコン・カーバイドの出現によって、私たちは技術的可能性に満ちたマイクロチップ研究の入り口に立ったのです」と、Norte氏は語っている。


論文

参考文献

研究の要旨

何十年もの間、高感度の機械的共振器は、薄膜材料を用いて高い引張荷重下で実現されてきた。高い引張応力を利用した低損失機械センサーの実現には目覚ましい進歩があったが、最良の戦略であっても、共振器材料の引張破壊強度によって性能が制限される。本研究では、ナノ構造のアモルファス材料としてはこれまでで最高の極限引張強度を持つ、ウェーハスケールのアモルファス薄膜を発見した。この炭化ケイ素(SiC)材料は、10GPaを超える極限引張強さを示し、強度の高い結晶材料にのみ許される領域に達し、グラフェンナノリボンで実験的に示されたレベルに近づいた。高アスペクト比のアモルファスSiCストリングが作製され、機械的モードは室温で品質係数108を超え、これはSiC共振器の中で最高値である。これらの性能は、自立共振器の共振挙動を用いて薄膜の機械的特性を評価した結果、忠実に実証された。この強靭な薄膜材料は、ナノメカニカルセンサー、太陽電池、生物学的応用、宇宙探査、その他動的環境における強度と安定性を必要とする分野への応用に大きな可能性を秘めている。本研究の成果は、高性能アプリケーションにおけるアモルファス薄膜材料の利用に新たな可能性を開くものである。

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