学際的な材料科学が進歩の鍵となる

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学際的な材料研究は、人類が直面する実存的課題を解決する鍵を握っている、と元サンディア国立研究所幹部のジュリア・M・フィリップス氏は、先月開催されたMIT材料研究所（MRL）の材料の日シンポジウムに集まった研究者たちに語った。

「材料研究者として私たちにとって非常に刺激的であると同時に、少しもどかしいことは、材料が実際にポケットなどに入れて持ち歩くものに変化するときに、材料の本当の影響が現れるということです」とフィリップス氏は10月11日のイベントで語った。 。

20世紀後半、ラップトップコンピューターやスマートフォンなど、今日私たちが当たり前だと思っている技術の進歩の多くは、材料研究と材料を制御し製造する能力の根本的な進歩によってもたらされた、と彼女は述べた。 サンディア国立研究所の副社長兼最高技術責任者を退職したフィリップス氏は、MRL 外部諮問委員会の委員長も務めており、国家科学委員会のメンバーでもあります。

MRLは、材料処理センターと材料科学工学センターが合併して設立され、10月1日に発効した。MRL所長のカール・V・トンプソン氏は挨拶の中で、ジェフリー・SD・ビーチ准教授の任命に言及した。 MRL の共同所長および国立科学財団材料研究科学工学センターの主任研究員として材料科学および工学の博士号を取得。

第二次世界大戦後の産業界のニーズと政府の資金提供を受けた研究によって促進された、「材料研究は間違いなく学際的研究の初期モデルであった」とフィリップス氏は述べた。 20 世紀後半の材料科学者は、材料の構造や特性を理解するための走査型プローブ顕微鏡などの新しいツールを使用して、より大型で信頼性の高いジェット エンジンを可能にする超合金から、ひずみのあるエンジンまで、まったく新しい種類の材料や製品を作成しました。現代の磁気記録、レーザー、赤外線検出器の基礎となる超格子層。

将来の利益は、ますます複雑な材料を合成および制御する能力から得られるだろうとフィリップス氏は述べ、高温超伝導体、金属有機骨格のような多孔質固体、生物材料、有機材料、セラミックを組み合わせて新しい特性を生み出すメタマテリアルなどの分野の進歩に言及した、自然界では見られない方法でほぼ分子スケールの精度で金属を加工します。

「分子と材料の間のあいまいな空間のどこかにある」これらの新しい材料は、まだ十分に研究されている段階にある非常に興味深い特性を持っており、今後数年のうちに活用されるだろうとフィリップス氏は指摘した。 「私たちが前進するにつれて、これらも変革的なものとなることは多くの人にとって非常に明らかです。」

複雑な問題を解決するためにさまざまな科学および工学分野の研究者を結集する材料研究アプローチは、エネルギー、環境、持続可能性における 21 世紀の課題を解決するためのモデルを提供します。 ヘルスケアと医療。 人間および自然の脅威に対する脆弱性。 人間の能力と喜びを拡大し、高めます。 「これらは例ですが、このリストのいたるところに資料が書かれているのがわかります。あなたが思いつくかもしれない比較可能なリストには、そのいたるところに資料が書かれていると思います」とフィリップス氏は語った。 「これらの壮大な課題に対処するには、科学、工学、社会科学や行動科学、そしておそらく芸術の分野すべてを統合した、現実的に複雑なシステムを扱えるようにする必要があります。」

科学的理解と計算モデリングの進歩により、研究者が新材料を実際に作成する前にその構造や特性を予測する能力が加速しているとフィリップス氏は述べた。

MIT教員のアントワーヌ・アラノア氏、ポリーナ・アニケエワ氏、A.ジョン・ハート氏、パブロ・ジャリーロ・エレーロ氏、ジュジュン・フー氏、ジェニファー・ラップ氏は、新しい電子デバイス用の超薄層材料や細胞レベルのプローブに及ぶ最近の研究に関する研究最新情報を発表した。脳や脊髄のための方法から、3D プリンティングや金属加工のための大規模な方法まで。

2D マテリアルと CMOS の融合

物理学の准教授パブロ・ジャリーロ・エレーロは、異なる材料の原子的に薄い二次元層を積み重ねて、新しい特性を発見します。 ジャリーロ・エレーロ氏の研究室では、光検出器、太陽電池、世界最薄の LED をデモしました。 セレン化タングステンなどの材料では、層の数を変更すると、その電子特性も変化します。 グラフェン自体にはバンドギャップはないが、グラフェンと窒化ホウ素の格子が密に並ぶと、グラフェンに30ミリボルトのバンドギャップが開くと同氏は述べた。

「ゲート電圧による完全な電子制御が可能です」とジャリーロ・エレーロ氏は語った。 同氏は、シリコン太陽電池よりも10,000倍薄い二層テルル化モリブデンを使用し、Nature Nanotechnologyに掲載された研究で、わずか10ナノメートルの厚さの光検出器をシリコンフォトニック結晶導波路上に集積できることを示した。」 CMOS（相補型金属酸化物半導体）プロセスが終了すれば、追加の製造や追加の成長を行う必要がなく、ただ上に重ねるだけで済みます」とジャリーロ・エレーロ氏は説明した。 「4 ナノメートルまで薄くすることができるので、それでも極薄であり、極薄のプラットフォームで高度な制御が可能です。全体が半透明なので、光が出入りするのがわかります。」 これらの新しいデバイスは、材料のバンドギャップを調整することで通信波長で動作させることができます。

相変化材料

マートン C. フレミングス材料科学工学准教授の Juejun "JJ" Hu 氏は、2 つの異なる固体状態、つまり相間を交互に繰り返す材料の革新的な組み合わせにより、消費電力を削減し、デバイス サイズを縮小し、処理速度を向上させています。ゲルマニウム、アンチモン、セレン、テルルの合金として。 これらの材料は不揮発性ストレージの基礎であり、電源がオフになってもメモリ状態が保持されることを意味します。 胡教授は、ジェフリー・C・グロスマン教授および元ポスドクの華山李氏と協力して、第一原理計算からこれらの合金に望ましい材料を特定し、大学院材料科学工学部の学生であるイーフェイ・チャン氏が実験作業の多くを行った。

ゲルマニウム、アンチモン、テルル (GST) をベースとした初期世代のデバイスでは、材料による光吸収による損失が発生します。 この問題を克服するために、胡氏はテルルの一部をより軽い元素であるセレンに置き換え、ゲルマニウム、アンチモン、セレン、テルルの新しい4元素構造（GSST）を作成した。 「バンドギャップを大きくして短波長の吸収を抑制し、実際に自由キャリアの吸収を軽減するためにキャリアの移動度を最小限に抑えます」と同氏は説明した。 アモルファス状態と結晶状態の間の切り替えは、レーザーパルスまたは電気信号によってトリガーできます。

構造状態の切り替えは100ナノ秒程度で起こるが、それを実現する技術を解明するのには1年かかったと胡氏は語った。 具体的には、アモルファス状態と結晶状態の間で切り替わる材料を使用すると、光が 2 つの異なる経路に向けられるようになり、消費電力が削減されることを発見しました。 彼は、この GSST 光相変化材料を窒化シリコン微小共振器および導波路と結合させて、この動作を示しました。 相変化材料に基づくこれらのスイッチはマトリックスに接続することができ、チップ上で可変光制御を可能にします。 最終的に胡氏は、この技術を使って再プログラム可能な光集積回路を構築したいと考えている。

脳の探索のための新しいツール

1942 年卒業の材料科学および工学の准教授、ポリーナ アニケエワは、合成デバイスと神経系の境界で働いています。 ナイフのような硬さを持つ従来の電子機器は、通常はプリンやヨーグルトのように柔らかい脳組織からの異物反応を引き起こす可能性があります。 アニキエバ氏は、ヨエル・フィンク教授や他のMIT同僚と協力して、光ファイバー延伸技術を利用して脳と脊髄組織の活動を刺激し、記録するためのソフトポリマーベースのデバイスを開発した。

同社の多機能ファイバーの初期バージョンには、3 つの重要な要素が含まれていました。脳細胞の活動を記録するための導電性ポリエチレンカーボン複合電極です。 光を伝達するための環状オレフィン共重合体クラッドを備えた透明なポリカーボネート導波路。 薬物を送達するためのマイクロ流体チャネル。

「この構造を使用することで、初めて神経活動を記録し、刺激し、薬理学的に調節することができました」とアニケワ氏は語った。 しかし、この装置は個々のニューロンではなく、ニューロンのクラスターからの活動を記録しました。 Anikeeva氏と彼女のチームは、グラファイトをポリエチレン複合電極に統合することでこの問題に対処しました。これにより、電極の導電性が十分に向上し、電極を人間の髪の毛と同じくらい薄い構造に縮小することができました。 このデバイスには 6 つの電極、1 つの光導波路、および 2 つのマイクロ流体チャネルがあります。

しかし、グラファイトを追加するとガラス状ポリカーボネートデバイスのサイズと硬度が増加したため、彼女のグループはゴム状で伸縮性のあるポリマーを使用し、その後導電性金属ナノワイヤーメッシュでコーティングする新しいプロセスに目を向けました。 「この導電性金属ナノワイヤのメッシュは、100パーセントのひずみでも低インピーダンスを維持でき、最大20パーセントのひずみまでは変化することなく構造的完全性を維持します。これは脊髄内で手術するのに十分です」とアニキエバ氏は述べた。

彼女の学生たちは、これらのナノワイヤメッシュでコーティングされた繊維をマウスに移植し、脊髄の神経活動を刺激して記録できるようにしました。 ビデオには、腰部脊髄に送られた光信号が坐骨神経を通って腓腹筋に伝わると、マウスが後肢を動かす様子が映っていた。 これらの実験では、マウスに埋め込まれたデバイスは手術後1年経っても性能の低下が見られなかったとアニキエバ氏は述べた。

最近では、アニケエワ氏は、磁場を加えると発熱する酸化鉄ベースのナノ粒子を開発した。これは、カプサイシン受容体などの熱に敏感なイオンチャネルを発現する脳内のニューロンからの反応を引き起こすことができる。私たちは唐辛子を食べます。 マウスを使った実験で、アニキエワ氏はこれらの小さな粒子を脳の奥深く、報酬に関係する部分に注入した。

「私たちの研究室では、磁性ナノ粒子のヒステリシスをモデル化することから始め、ドーパントを含む酸化鉄を操作してさまざまなサイズや形状を調べることによってこれらのナノ材料を広範囲に合成し、このプロセスを評価するためのパワーエレクトロニクスと生物学的ツールキットを開発しました。」アニケワ氏は説明した。 「この場合、外部配線もワイヤーもインプラントも、脳からは何も突き出ていません。…しかし、彼らは磁​​場を認識できるようになりました。」 彼女は言いました。 結果を定量化するために、研究者らはニューロンへのカルシウムイオンの流入を測定した。 現在、磁性ナノ粒子の熱出力を改善することで応答時間を数千分の1秒に短縮することに研究が集中しています。

全固体電池、二酸化炭素センサー、メムリスティブコンピューティング用セラミックス

トーマス・ロード材料科学工学助教授のジェニファー・LM・ラップ氏は、固体リチウム・ガーネット電解質が集積回路チップ上で小型化された電池を実現できることを示す研究を発表した。

リチウム電池に関する安全性の懸念は、その液体成分が電解質として機能し、空気中で発火する危険性があることに起因しています。 ラップ氏は、液体電解質を固体電解質に置き換えることでバッテリーをより安全にできる可能性があると説明した。 彼女の研究によると、おそらく宝石としてよく知られているガーネットでできたセラミック材料は、バッテリーセルにリチウムを効果的に通過させることができますが、固体であるためバッテリーにとって非常に安全であり、また、危険な可能性もあることを示しています。薄膜アーキテクチャに小型化されています。 このガーネットは、リチウム、ランタン、ジルコニウム、酸素の四元素化合物です。

「リチウムは完全にカプセル化されているため、炎症の危険はない」とラップ氏は語った。

ラップ氏は発表された研究で、リチウムチタン酸化物アノードとセラミックガーネット電解質を組み合わせ、2つの材料間の界面を曖昧にすることで、大規模セルのバッテリー充電時間を大幅に短縮できることを示した。 これらのガーネット材料の応用から得られた教訓は、二酸化炭素検知の新たな用途にもつながりました。

「単に参照として使用する 1 つの電極と、二酸化炭素との化学反応を起こすもう 1 つの電極を持つように電極を再構成できます。また、トラッカー電位を使用して、バルク処理に基づいて環境中の二酸化炭素濃度の効果的な変化を追跡します。 、" 彼女は説明した。 Rupp は、メムリスティブ メモリとコンピューティング要素のストレージを改善するためのひずみ多層材料の開発も行っています。

高温金属のフロンティア

冶金学のアントワーヌ・アラノア准教授は、1980年から2010年にかけて、世界は材料の消費量をほぼ2倍にし、金属と鉱物の成長が最も速かったと指摘した。 このような需要は、材料加工の驚異的な低コストと高い生産性によるものです。 このようなプロセスの大部分は、ある段階で高温操作を伴い、多くの場合、物質は溶融状態になります。 溶融状態の科学と工学の発展は、金属抽出やガラス製造などの高温プロセスにおける熱管理など、大きなチャンスをもたらします。たとえば、製鉄はすでに非常に効率的な製造プロセスであり、鉄筋、コイル、またはワイヤーを生産しています。 1 キログラムあたり 32 セント未満のコストで鋼鉄を使用できます。 「実際、生産性は材料加工を成功させるための重要な基準であり、今後20年間で20億人を増やすという規模の課題において重要である」と同氏は述べた。

アラノア氏のグループは、摂氏約 1,130 度の高温での硫化スズが効果的な熱電発電機であることを実証しました。 「一部の硫化物の理論的性能指数は、1,130 [℃] で最大 1 になる可能性があるという兆候があります。たとえば、溶融硫化銅の場合、熱伝導率、融点の推定値があり、コストもわかっています」私の意見ではそれは少し高いですが、それが研究の性質です」とアラノア氏は語った。 彼のグループが既存のデータを調べたところ、硫黄とスズ、鉛、ニッケルなどの金属の溶融化合物の多くについて、熱電性能指数や組成相がこれまで定量化されておらず、フロンティアが開かれていることがわかりました。高温での新材料科学研究に。

「液体の本当の性質を知ることは実際には非常に難しい」とアラノア氏は語った。 「その材料が半導電性を持つかどうかを知る必要があります。他の液体よりも密度が高いのか、それとも軽いのかを知る必要があります。…実際には、高温での液体のそのような特性を予測するための計算手法はありません。」

この問題に対処するために、アラノア氏は、高温溶融物における、電気伝導率やゼーベック係数などの輸送特性と、エントロピーと呼ばれる熱力学特性との間の関係を研究しました。 「私たちは、熱力などの輸送特性とエントロピーなどの熱力学特性を結び付ける理論モデルをまとめました。これは重要です。なぜなら、これは半導体や金属材料にも機能し、さらに重要なことに、それによって領域を見つけることができるからです。」液体中では不混和性です」とアラノア氏は語った。 非混和性とは、特定の条件にある材料が 2 つの相に分離し、互いに混ざり合わず、分離したままになることを意味します。

アラノアはまた、4 つのランプの焦点距離に配置された透明な石英管であるフローティング ゾーン炉を使用して、アルミナなどの溶融化合物を観察する新しい方法を開発しました。 「酸化物でそれができるのなら、硫化物でもぜひ実現したいと思っています」と、フローティングゾーン炉のグラファイトプレート上に置かれた溶融硫化スズ写真を示しながら、同氏は説明した。 同氏によると、「凝縮物質の究極の状態」である溶融材料の幅広い温度と特性により、より優れた熱管理、より高い処理温度、発電や熱流の電気制御が可能になるという。

3D プリントによる新しい製造業モデル

従来の製造では、生産プロセスのセットアップに必要な固定費のため、特に大量の生産量といった規模の経済が必要ですが、3D プリンティングやその他の積層造形テクノロジーは、高性能でカスタマイズ可能な製品やデバイスの代替手段を提供します、とアソシエイト機械工学教授のA.ジョン・ハート氏はこう語った。

積層造形はすでに年間 60 億ドル規模のビジネスとなっており、ハリウッドの特殊効果からハイテク ジェット エンジンのノズルまでその範囲が広がっています。 「積層造形により、プラスチックの押出成形、金属の溶解、レーザーの使用、基本的に点単位の制御で行われる調整された化学反応など、材料、用途、および関連プロセスの多様なコレクションがすでに可能になっています」とハート氏は説明しました。

「私たちは、一般に 3D プリンティングとも呼ばれる積層造形を使用して作成する製品の価値という観点から、新しい領域にアクセスすることを考えることができます。3D プリンティングは、製造プロセスの経済的実行可能性を判断する軸を再構築しています。たとえば、生産量だけでなく、形状の複雑さによる利点や、製品を特定の市場や個人向けにカスタマイズすることによる利点についても考えることができます。このようにして、3- D プリンティングは製品ライフサイクル全体に影響を与えています」とハート氏は述べています。

たとえば、ハート氏のグループは既存の 3D プリンタを研究し、歯車などの手持ち機械部品を印刷するプロセスを約 60 分からわずか 5 ～ 10 分に短縮する方法を発見しました。 ハート氏によると、SM '15の元大学院生ジェイミソン・ゴー氏がこの作業を主導し、小型電子レンジほどの大きさのデスクトップ3Dプリンターを構築したという。 このシステムは、モーターを隅に移動させるプリントヘッドの制御システムを備えています。 原料ポリマーフィラメントをスクリューのように駆動する押出機構。 そしてポリマーを貫通して溶解するレーザー。

「高速動作制御、高い熱伝達、および高い力を組み合わせることで、既存のシステムの限界を克服できます」とハート氏は説明しました。 新しい設計は、既存のマシンよりもビルド速度が 3 ～ 10 倍高速です。

「このような前進は、オブジェクトの作成についての私たちの考え方も変える可能性があります。何かを速く作ることができれば、自分や他の人がどのように異なる方法で作業するかを考えることができます。」と彼は言いました。 同氏は、例えば、緊急医療手術のために部品を 3D プリントする必要があるかもしれない医師や、多くのスペア部品の在庫を持たずに 3D プリンタを使用できる修理技術者について言及した。

ハート氏のグループは現在、オークリッジ国立研究所と協力して、3D プリンティングのツールパスを最適化するアルゴリズムを開発し、彼のイノベーションを大規模 3D プリンタに適用している。 「これらの原則を、小さなものを印刷するだけでなく、大きなものを印刷する高生産性システムにスケールアップすることを考えることができます」とハート氏は述べています。

ハート氏はセルロースの 3D プリントにも取り組んでいます。セルロースは消費者製品や抗菌装置のカスタマイズに使用でき、世界で最も豊富な天然ポリマーです。 彼は、他の 3 人の MIT 教員および Desktop Metal の CEO を務める SL '06 の Ric Fulop とともに、Desktop Metal という会社を共同設立しました。 「同社は設立してまだ2年ですが、金属3Dプリンティングへの全く新しいアプローチを可能にする最初の製品を間もなく出荷する予定です」とハート氏は語った。

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