Creation of Meta-materials Mimicking Atoms - Challenge to 4D Printing of Shape Memory Cellular Lattice Porous Materials:

構造と特性の関係の理解とそれに基づく構造の制御は、新材料創成の基礎である一方で、３Ｄプリンタにてサブミリレベルの構造を自在制御が可能となったことに着目し、３Ｄプリンタと物質科学で得られてきた原子レベルの構造と特性の関係の知見を融合した格子構造設計により、新規力学的メタマテリアル創成を目指して研究を実施した。特に結晶性材料の特性は原子配列と電子状態により決定されることから、電子構造と弾性異方性の関係と、格子構造と弾性特性の関係を比較することで電子構造からメタマテリアル設計指針を得ることから着手した。具体的には、3D-CADにより面心立方（FCC）型格子ならびに体心立方（BCC）型格子のBall&Stick型構造体を設計した。その構造体を粉末床溶融結合型樹脂用付加製造装置と熱可塑性ポリウレタン粉末を用いて造形した。造形体の圧縮試験とせん断試験により、縦弾性率E、横弾性率G、ポアソン比νを評価し、弾性異方性の指標としてZener ratio AZ = 2G(1+ν)/Eを求めた。一方、Materials Projectの第一原理計算データから0 Kでの金属元素の弾性異方性を評価し、電子密度分布及びフェルミ面の形状と比較し、電子構造と弾性異方性の関係を検討した。 FCC型格子構造体のAZ は1近傍で比較的低く、等方的なのに対し、BCC型格子構造体は大きなAZ を示し異方性は高かった。一方、金属のAZは元素により大きく異なるが、FCC金属で高く、BCC金属で低い傾向があり、格子構造体とは逆の傾向を示した。さらに、FCC金属のフェルミ面が＜111＞方向に突き出しあるいは接続しているものが多く、BCC金属のフェルミ面が<110>方向に連結しているものが多い。これが格子構造体と金属結晶で、弾性異方性の傾向が逆転していることと関係している可能性があることを見出した。

構造と特性の関係の理解とそれに基づく構造の制御は、新材料創成の基礎である一方で、３Ｄプリンタにてサブミリレベルの構造を自在制御が可能となったことに着目し、３Ｄプリンタと物質科学で得られてきた原子レベルの構造と特性の関係の知見を融合した格子構造設計により、新規力学的メタマテリアル創成を目指して研究を実施した。特に結晶性材料の特性は原子配列と電子状態により決定されることから、電子構造と弾性異方性の関係と、格子構造と弾性特性の関係を比較することで電子構造からメタマテリアル設計指針を得ることから着手した。具体的には、3D-CADにより面心立方（FCC）型格子ならびに体心立方（BCC）型格子のBall&Stick型構造体を設計した。その構造体を粉末床溶融結合型樹脂用付加製造装置と熱可塑性ポリウレタン粉末を用いて造形した。造形体の圧縮試験とせん断試験により、縦弾性率E、横弾性率G、ポアソン比νを評価し、弾性異方性の指標としてZener ratio AZ = 2G(1+ν)/Eを求めた。一方、Materials Projectの第一原理計算データから0 Kでの金属元素の弾性異方性を評価し、電子密度分布及びフェルミ面の形状と比較し、電子構造と弾性異方性の関係を検討した。 FCC型格子構造体のAZ は1近傍で比較的低く、等方的なのに対し、BCC型格子構造体は大きなAZ を示し異方性は高かった。一方、金属のAZは元素により大きく異なるが、FCC金属で高く、BCC金属で低い傾向があり、格子構造体とは逆の傾向を示した。さらに、FCC金属のフェルミ面が＜111＞方向に突き出しあるいは接続しているものが多く、BCC金属のフェルミ面が<110>方向に連結しているものが多い。これが格子構造体と金属結晶で、弾性異方性の傾向が逆転していることと関係している可能性があることを見出した。