結び目は、我々が知らないところで実は世界の様々なスケールにおいて存在している。小さな所では、DNAに、大きな所では宇宙の構造にまで見られるのだ。

そして、結び目は、材料の強度を高めることで知られる。この特性をミクロの世界で再現できないかと考えたカリフォルニア工科大学の研究者らは、この度、マイクロスケールの結び目で構成される新しい素材を開発した。これは、結び目のない同様の素材のものに比べて、遥かに丈夫であるとのことだ。

「結び目がマイクロアーキテクト材料の機械的反応にどのような影響を与えるかを理解することに着手することは、既成概念にとらわれない新しいアイデアでした。私たちは、格子や織物など、他の多くの種類のマイクロテキスタイルの機械的変形を研究するために、広範な研究を行ってきました。結び目の世界に飛び込むことで、摩擦とエネルギー散逸の役割についてより深い洞察を得ることができ、有意義であることが証明されました」と、カブリ・ナノサイエンス研究所のフレッチャー・ジョーンズ財団ディレクターであり、共著者のJulia R. Greer氏は述べている。

この素材は、ポリマーが基本的なオーバーハンドノット（手結び）で構成され、さらにエネルギーを吸収するためにねじれが加えられている。しかし、繊維は物理的に結びつけられるのではなく、3Dプリンターでその形に印刷されるという。1つの結び目は縦横約70マイクロメートルで、このサイズの結び目で構成された素材は初めてとなる。

チームは、この結び目のある素材を、破断するまで引き伸ばすというストレステストを行った。そして、同じ素材で結び目がなく、織り目で構成された素材と比較した。結果、結び目があるほうが、他の建築物よりも92％もエネルギーを吸収し、切れるまでに2倍以上のひずみを維持することが出来たのだ。

本研究の主執筆者であるWidianto P. Moestopo氏が結び目に興味を持ったのは、2020年のCOVID-19のロックダウンの際に行っていた研究がきっかけだったという。「純粋に数学的な意味での結び目ではなく、物理的な結び目の力学を研究している研究者の作品に出会いました。私は自分のことを登山家でも船乗りでも数学者でもないと思っていますが、生涯を通じて結び目を作ってきたので、自分のデザインに結び目を挿入してみる価値があると思ったのです」

研究チームは、この種の結び目を持つ材料の耐久性や変形性を利用すれば、いずれは生物医学や航空宇宙分野での応用が可能になるとしている。今後の研究では、より複雑な結び目で作られた材料を調査する予定である。

論文

• Science Advances: Knots are not for naught: Design, properties, and topology of hierarchical intertwined microarchitected materials

参考文献

• Caltech: Knots Smaller Than Human Hair Make Materials Unusually Tough
• via New Atlas: Microscale knots double tensile strength of new material

研究の要旨

軽量で強靭な人工材料は、3次元の階層構造で設計されることが多く、構造部材が相互に結合しているため、接合部が応力集中となって損傷が蓄積し、機械的反発力が低下するため、その性能に悪影響を及ぼす。我々は、これまで未開拓であった、構成要素が織り込まれ、接合部を持たないアーキテクト材料を紹介し、これらの階層的なネットワーク内の構成要素としてマイクロノットを組み込んでいる。引張実験では、オーバーハンドノットの解析モデルと定量的にほぼ一致し、ノットのトポロジーが形状保持のための新しい変形領域を可能にすることが明らかになった。これにより、織物構造と比較して吸収エネルギーが約92％、破壊歪みが約107％増加し、トポロジー的に類似したモノリシックラティスと比較して比エネルギー密度が最大約11％増加することが分かった。私たちの研究により、結び目と摩擦接触が解明され、形状の再構成とエネルギー吸収能力を調整できる、非常に拡張性の高い低密度材料が誕生した。