Creation of Lightweight, High-Strength Functionally Graded Materials Inspired by Job's Tears

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ジュズダマの種子はシリカを多量に含有する固い苞葉鞘に覆われており、走査型電子顕微鏡を用いた観察により、その苞葉鞘は外層から内層に向かって変化する傾斜的な多孔構造とシリカの分布を持っていることが判明した。さらに、苞葉鞘の断面のナノインデンター試験により、苞葉鞘の外層から内層に向かって弾性率が徐々に減少していることが明らかになった。この結果は外層から内層に向かって減少するシリカの割合と関係していると考えられる。さらに、苞葉鞘から取り出した切片の3点曲げ試験を行った。3点曲げ試験は圧子と接する側で圧縮が起こり、反対側で引張が起こる。今回行った実験では、外層から内層に向けての曲げと、その逆の曲げを比較した。その結果、前者は後者に比べてより大きな荷重に耐えられることが判明した。外層はシリカの割合が大きいため、圧縮に強く、引張に弱い素材になっている。それに対して、内層は植物細胞壁を構成するセルロースなどの糖鎖で構成され引張に強い。そのため、3点曲げ試験の圧縮と引張が起こるそれぞれの部分に対応した適材適所な素材の配置により、外層から内層に向けての曲げはより大きい荷重に耐えられると考えられる。これらの結果から、外層に硬い素材が高密度で存在し、内層に向かって徐々に柔らかくなる多孔的な構造は衝撃に強いことが示唆された。本研究では上記の知見を活かして衝撃に強い傾斜機能材料の作製を試みた。3Dプリンターを用いて高さ方向に目の細かさが変わる格子を印刷し、そこにコーティング剤を含浸させ、硬化させることでサンプルを作製した。サンプルを用いて曲げ方向を逆転させた2通りの3点曲げを行い、苞葉鞘を用いた実験と同様に曲げ方向に依存した材料の強度の差を確認した。このことから材料内の微細構造と化学組成を設計し、材料内で硬さの分布を調節することで、特定方向からの衝撃に対して強い材料を作製できることが明らかになった。