チームが形を開発する

2023 年 7 月 6 日

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香港大学による

自然界では、柔らかい材料と硬い材料の両方を組み合わせた構造がよく見られます。 これらの構造は、生物学的システムのさまざまな機械的特性と機能を担っています。 典型的な例として、人間の背骨は硬い骨と柔らかい椎間板が交互に積み重なり、体の柔軟性を維持しながら人体を支える重要な構造となっています。

自然界のソフトとハードの構造を模倣することは、原理的には、アクチュエーターやロボットなどの人工材料やデバイスの設計にインスピレーションを与えることができます。 しかし、これらの構造の実現は、特に材料の統合や操作が非常に現実的ではなくなるマイクロスケールでは非常に困難でした。

生体模倣マイクロスケール材料の進歩を目的として、香港大学 (HKU) 化学科の Yufeng Wang 博士が率いる研究チームは、MicroSpine と呼ばれるマイクロスケールの上部構造を作成する新しい方法を開発しました。脊椎の構造を模倣し、形状を変換する特性を持つマイクロアクチュエーターとして機能する硬質材料。 Science Advances で発表されたこの画期的な成果は、ナノ粒子とマイクロ粒子が秩序ある空間パターンに自発的に組織化される単純なプロセスであるコロイド集合を通じて達成されました。

哺乳類から節足動物、微生物に至るまでの多くの生物は、相乗的に統合された軟質成分と硬質成分の構造を含んでいます。 これらの構造は、マイクロメートルからセンチメートルまでのさまざまな長さで存在し、生物学的システムの特徴的な機械的機能を説明します。 また、アクチュエーターやロボットなど、外部の合図に応じて形状を変更したり、移動したり、作動したりする人工材料や人工デバイスの作成も促進されています。

ソフト-ハード構造は、マクロスケール (ミリメートル以上) では簡単に製造できますが、マイクロスケール (マイクロメートル以下) で実現するのははるかに困難です。 これは、機械的に異なるコンポーネントをより小規模に統合して操作することがますます困難になっているためです。 リソグラフィーなどの従来の製造方法では、トップダウン戦略を使用して小規模コンポーネントを作成しようとすると、いくつかの制限に直面します。 たとえば、小規模な製造プロセスはより複雑で高い精度が要求されるため、歩留まりが低下する可能性があり、最終製品に欠陥やエラーが発生するリスクが高まる可能性があります。

この課題に取り組むために、ワン博士と彼のチームは、コロイド集合体と呼ばれる別のアプローチを採用しました。 コロイドは人間の髪の毛の1/100の大きさの小さな粒子であり、さまざまな材料から作ることができます。 適切に設計されると、粒子は相互作用し、自発的に集合して規則正しい上部構造を形成することができます。

ボトムアップ法としてのコロイド集合体は、さまざまな構成要素から目的の構造を正確に制御でき、収率が高いため、マイクロスケール構造の作製に有利です。 しかし、難しいのは、粒子をどのように誘導して望ましい軟-硬構造に集合させるかということです。

スパインを設計の基礎として使用することで、チームは、高い方向性と特異性で集合できる新興材料である金属有機フレームワーク (MOF) に由来する新しい粒子を発明しました。 これらの MOF 粒子は硬い成分でもあるため、柔らかい液滴と結合して直鎖を形成することができます。 ハードコンポーネントとソフトコンポーネントはチェーン内で交互の位置を占め、脊椎構造、つまり MicroSpine を模倣します。