専門家は物質を組み合わせて、奇妙で硬く弾性のある物質を作る

スマートフォンの耐衝撃スクリーンは、複数の矛盾した特性を単一の物質に融合させた新しいハイブリッド材料の応用例の 1 つとなる可能性があります。 セラミックの硬さと強度、ゴムの変形弾性、プラスチックの再成形性を同時に兼ね備えた素材です。 「単一の材料におけるこの特性の組み合わせは非常にユニークなので、その潜在的な用途は主に私たちの想像力によって制限されます」と、中国杭州にある浙江大学化学学部の教授、LIU Zhaoming 氏は言います。 Liu 氏は研究を共同主導しました。従来、柔らかく伸縮性のある有機ポリマーは弾性と可塑性の特性を備えた材料を作成しますが、無機材料は硬いセラミックを形成する可能性が高くなります。 ハイブリッド材料で有機化合物と無機化合物を組み合わせるこれまでの試みは、それらの対照的な化学的性質によって制限されていた、とリュー氏は説明する。無機化合物は通常、イオン結合によって結合されており、純粋な分子形態で存在することはほとんどない。 代わりに、それらは固体の結晶を形成するか、水中で遊離イオンの溶液に解離する傾向があります。 塩化ナトリウムや食卓塩を思い浮かべてください。 対照的に、有機化合物は通常、共有結合によって結合されており、容易に分子の形で存在します。 この違いにより、有機化合物と無機化合物を分子スケールで組み合わせることが困難になります。 2019 年 1、Liu 氏と TANG Ruikang 教授を含む浙江大学の同僚たちは、この問題を回避する可能性のある方法を見つけました。 「私たちは、無機イオン化合物である炭酸カルシウムを分子の形で安定させるための『キャッピング剤』として小さな有機分子を使用できることを発見しました。」と彼は言います。彼らの最新の研究では、チームはこのアプローチを使用して新しい有機-無機ハイブリッドを作成しました。分子 2 は、酸塩基反応を使用して炭酸カルシウム オリゴマーを有機分子であるチオクト酸に結合します。 これらの分子を120℃の圧力下で処理すると、分子の有機部分と無機部分が隣接する分子と反応し、架橋して有機領域と無機領域が高度に統合された固体を形成しました。ハイブリッド材料の注目すべき特性は、すぐには明らかではありませんでしたが、劉さんは言う。 「初めてこの素材を作ったとき、硬いプラスチックのようなものだと思いました」と彼は言います。 驚きは、固体材料の機械的特性をナノスケールで調査するために使用されるナノインデンテーションと呼ばれる技術を使用して、材料に鋭い先端を押し込んだときに始まりました。「ハイブリッド材料は非常に硬く、まるでセラミックのようでした」とリュー氏は言います。 「しかし、くぼみを作ってから先端を引っ込めると、素材が押し戻され、ゴムのように形状が回復しました。」 ハイブリッド素材の矛盾した特性は硬度と弾性だけではありません。 研究チームは、高温高圧下では再成形可能、つまり新たな用途にリサイクルできることを発見した。 「3 つの特性をすべて兼ね備えているため、この素材を『弾性セラミック プラスチック』と名付けました」と Liu 氏は言います。 この材料の実世界での応用に関して、可能性の 1 つは、硬くて強いが脆くないスマートフォンの画面であると Liu 氏は言います。 「硬度と破壊弾性の組み合わせにより、骨インプラントやその他の医療材料にも使用できる可能性があります。」と彼は示唆しています。弾性セラミックプラスチックは、全く新しい材料群の最初のものに過ぎないかもしれないと、Liu 氏は付け加えました。 「この研究の根本的な革新は、有機化学と無機化学を分子スケールで融合したことです」と彼は言います。 「この方法を使えば、おそらく他の逆説的な特性を組み合わせた、多くのハイブリッド分子を作ることができます。」