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Nov 27, 2023

魔法の組み合わせ

Scritto dall'Università di Amsterdam, 5 giugno 2023 Il materiale con fibbia combina rigidità e resistenza

アムステルダム大学2023年6月5日

剛性が高く、振動吸収性に優れた座屈素材。 クレジット: D. Dykstra 他

レンガの壁にぶつかるのと、マットレスにぶつかるのとどちらがいいですか? 大多数の人は、この決定は簡単だと思うでしょう。 レンガの壁の硬さは衝撃や振動を効果的に緩和しませんが、マットレスはその柔らかさにより、そのような衝撃を吸収するのに優れています。 興味深いことに、マテリアル デザインの領域では、これらの特性の両方が望まれる場合があります。

材料は、振動を消散することに優れていると同時に、大きな圧力下での崩壊を防ぐために十分な剛性を維持する必要があります。 UvA 物理学研究所の研究者チームは、これらの両方を実現する材料を設計する方法を発見しました。

通常、材料の 2 つの特性は相互に排他的です。つまり、硬いか、振動をよく吸収できるかのどちらかですが、両方であることはほとんどありません。 しかし、剛性が高く振動吸収性に優れた材料を作ることができれば、ナノスケールでの設計から航空宇宙工学に至るまで、さまざまな用途が広がる可能性があります。

上部に質量があるゴム製メタマテリアル サンプルは、最初に周波数を増加させ、次に周波数を減少させて励起を受けます。 大きな励起を受けると、サンプルは座屈します。 座屈は周波数が減少するにつれてより顕著になります。 クレジット: アムステルダム大学

アムステルダム大学の研究チームは、硬いながらも振動を吸収するのに優れた材料を作成する方法を発見しました。そして同様に重要なことは、非常に軽量に保つことができるということです。

この出版物の筆頭著者であるデイビッド・ダイクストラ氏は次のように説明しています。「その秘訣は、薄い金属シートのような座屈する素材を使用することだった。賢い方法で組み合わせると、そのような座屈したシートで作られた構造は振動の優れた吸収体となる。 「しかし同時に、シートは素材の剛性を大幅に保ちます。さらに、シートはそれほど厚くする必要がないため、素材を比較的軽く保つことができます。」

画像 (記事の冒頭) は、金属シートの座屈を利用してこれらの望ましい特性をすべて組み合わせた材料の例を示しています。

上部に質量がある金属メタマテリアル サンプルは、最初に周波数を増加させ、次に周波数を減少させて励起を受けます。 大きな励起を受けると、サンプルは座屈します。 座屈は周波数が減少するにつれてより顕著になります。 クレジット: アムステルダム大学

The researchers thoroughly investigated the properties of these buckled materials and found that they all showed this magical combination of stiffness and the ability to dissipate vibrations. As known materials do not have this desired combination of properties, the new lab-made materials (or metamaterialsMetamaterials are engineered materials that have properties not usually found in nature." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">メタマテリアル) には、非常に広範囲にわたる潜在的な用途と、非常に広範囲のスケールがあります。

考えられる用途は、メートルサイズ (航空宇宙、自動車用途、その他多くの民間設計を思い浮かべてください) からマイクロスケール (顕微鏡やナノリソグラフィーなどの用途) まで多岐にわたります。

ディクストラ: 「人間は小さなものでも大きなものでも物を作るのが好きで、私たちはほとんどの場合、これらの構造物が軽いことを望んでいます。それが硬くて衝撃吸収性に優れた素材で実現できれば、多くの既存の設計を改善できるでしょう」多くの新しいデザインが可能になります。可能性のあるアプリケーションには本当に終わりがありません。」

参考資料: David MJ Dykstra、Coen Lenting、Alexandre Maesrier、Corentin Coulais 著「Buckling Metamaterials for Extreme Vibration Damping」、2023 年 5 月 18 日、Advanced Materials.DOI: 10.1002/adma.202301747