叩くと硬くなる。ユニークな新素材を発明、コーンスターチからヒントを得る

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　物を落とせば壊れるのが常識だ。だがこのほど発明された新素材は、叩いて強い衝撃を与えたり、引きのばしたりするほど丈夫になる。

　こうした「適応耐久性」は、高い負荷がかかる状況で使われる素材にはとても大切なことだ。今回の素材も、この点がとても優れており、さまざまな応用が考えられる。

　だがそんな小難しいことに触れずとも、料理に使われるコーンスターチをモデルにしていたり、”絡まったスパゲッティが入ったボウルの中のミートボール”と評されるなど、新素材はとてもユニークだ。

　なんだかお腹が空いてきたら、どんな素材なのかもう少しのぞいてみよう。

コーンスターチの不思議な性質がヒント

　このユニークな新素材は、握れる液体と言われるコーンスターチ（トウモロコシから作られるデンプン）がヒントになっている。

　たとえば砂に水をくわえて混ぜてみても、混ぜる速さで粘り気に違いが出ることはない。

　だが同じことをコーンスターチやると、ゆっくり混ぜれば液体のようだし、パンっと叩くと固体のようになる（この実験を見れば、その奇妙さがわかるはずだ）。

　コーンスターチの小さな粒子は、ゆっくり混ぜれば、それぞれがはじき合って液体のようになる。一方、素早い力を受けると粒子同士が接触し、その摩擦で固体のようになる。

　これがコーンスターチの不思議な性質の秘密だ。

叩くと硬くなるポリマー素材

　カリフォルニア大学マーセド校の研究チームは、こうしたコーンスターチの性質を、ポリマー素材で再現しようと考えた。

　そのために採用されたのが、「共役系ポリマー」だ。このポリマーには、比較的柔らかくしなやかでありながら、電気を通しやすいという特徴がある。

　一般に共役系ポリマーは、分子を組み合わせることで作られる。そこで研究チームは、長い分子（poly(2-acrylamido-2-methylpropanesulfonic acid)）、短い分子（ポリアニリン）、効率的な導電体であるPEDOT:PSS（poly(3,4-ethylenedioxythiophene) polystyrene sulfonate）を組み合わせた。

　こうして出来上がったフィルムは、衝撃が素早いほど丈夫になる。

　つまり適応耐久性がきわめて高いのだ。PEDOT:PSSを10％増やせば、適応耐久性と導電性の両方をさらにアップさせることもできる。

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絡まるスパゲッティが入ったボウルの中のミートボール

　研究チームによるなら、プラスの電荷を帯びた2つのポリマーと、マイナスの電荷を帯びた2つのポリマーが合わさることで、新素材はまるで「絡まるスパゲッティが入ったボウルの中のミートボール」のような極小構造を持つのだという。

　このミートボールは、衝撃を受けてもバラバラになることなくそれを吸収し、材料とその導電性を保ってくれる。これが新素材の適応耐久性の秘密だ。

　その後の実験では、プラスの電荷を帯びたまた別のナノ粒子（1,3-propanediamine nanoparticle）を加えることで、”ミートボール”がわずかに弱まり、”スパゲッティ”は強化されることがわかった。

　つまりはより大きな衝撃を吸収し、かつ壊れにくくなるということだ。

様々なものに応用可能

　こうしたことはどれも複雑でテクニカルなものだが、これを大量生産できれば、スマートウォッチバンド、ウェアラブルセンサー、ヘルスモニター（たとえば心臓や血管の健康管理、血糖値の測定）など、さまざまなものに応用できると期待される。

　またもう1つの応用案として、個人向けの電子義肢も提案されており、こちらは現在実験が行われている最中だ。いずれは今回の新素材から義肢が3Dプリントされることもあるかもしれない。

　ワン・ユエ氏は「さまざまな応用の可能性があり、この新しい型破りな性質が私たちをどこへ導いてくれるのか、とても楽しみです」と語る。

　この研究は、2024年度春のアメリカ化学会で発表された。

References:Hitting this stretchy, electronic material makes it tougher – American Chemical Society / Scientists Invented a Bizarre New Material That Gets Tougher When You Hit It : ScienceAlert / written by hiroching / edited by / parumo

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