携帯電話を自由に折りたたむことができますか?科学者が開発した弾性強誘電体材料ならそれができる！

制作：中国科学普及協会

著者: Shi Wuyao (生物学博士)

プロデューサー: 中国科学博覧会

体にぴったりフィットする衣服を着用することで、心拍数や呼吸などの情報をいつでもモニタリングし、常に健康に気を配ることができると想像できますか?毎日使う携帯電話が柔らかく、ぴったりフィットし、自由に折りたためることを想像できますか?

新しい弾性強誘電体材料の出現により、これらのアイデアが現実のものとなるかもしれません。

2023年8月4日、中国科学院寧波材料工学研究所のフレキシブル磁電機能材料・デバイスチームは、新しいタイプのポリマー強誘電体材料に関する論文を科学誌「サイエンス」に発表しました。この材料は弾性と強誘電性の両方を備えており、材料分野における大きなギャップを埋めています。

研究結果はサイエンス誌に掲載された。

（画像出典：サイエンス誌）

強誘電体とは何ですか?

強誘電体材料は、材料分野における絶縁機能材料の重要なクラスであり、通常は強誘電特性を持つ材料、主に結晶材料を指します。

一部の結晶材料では、結晶を構成する基本単位セルの内部正電荷中心と負電荷中心が一致しないため、電気双極子モーメントが生成され、結晶の自発分極が生じ、その結果、材料に強誘電特性が与えられます。

最も硬い結晶物質の一つであるダイヤモンド

（写真提供：veerフォトギャラリー）

強誘電体は外部電場の変化に応じて結晶の電気双極子モーメントの方向が変化するため、独自のメモリ機能を持ち、自由にデータを保存・読み出すことができます。

強誘電体材料は、主に電気センサー、光電子デバイス、高精度モーターなどの重要な分野で使用されており、私たちの日常生活で使用する電子製品にも欠かせない部分となっています。

結晶自体には弾性特性がないため、外力を受けたときに発生する反発力は5％未満であり、従来の強誘電体材料にも弾性がありません。

フレキシブルエレクトロニクス、インテリジェントセンシング、ウェアラブル電子デバイスなどの発展に伴い、強誘電体材料の性能に対する要求はますます高まっています。

強誘電体材料は、データの保存と検索、センシング、その他のパフォーマンスの向上を実現するために必要であるだけでなく、材料の変形を実現するための弾力性も必要であり、さらにウェアラブルのニーズを完全に満たすために材料の任意の曲げを実現する必要があります。

ウェアラブルデバイス: スマートウォッチ

（写真提供：veerフォトギャラリー）

強誘電体材料を「跳ね返す」にはどうすればよいでしょうか?

強誘電体材料内部の結晶領域は、強誘電体材料が機能を果たす主な領域です。

従来の材料内部の結晶化領域における分子の配列は直線的で規則的な構造であり、分子鎖間に共有結合はありません。したがって、材料に外力が加わると、材料の内部構造が破壊され、材料の強誘電特性が破壊されます。

科学者らは、ポリフッ化ビニリデン-トリフルオロエチレンを反応マトリックス材料として使用し、曲げたり折り畳んだりできる構造を持つ鎖状のポリエチレンオキシドジアミンを架橋剤として選択し、「マイクロ架橋法」を採用して、架橋剤によって形成されたネットワークで結晶を包み込み、材料の準備を完了した。

弾性強誘電体材料の概念と合成

(A) 外力下での強誘電体材料の分子サイズの変化と塑性変形および弾性変形の応力-ひずみ曲線の模式図。 (B) 弾性ポリマー架橋の模式図

（画像出典：参考文献[1]）

新しい素材は、内部に漁網のような織り構造を持っています。 70％のひずみの外力を受けると、漁網のような構造が外力を分散させ、結晶化領域の分子が正常に機能することを確保し、それによって材料の強誘電特性を維持することができます。

同時に、材料合成プロセス中の架橋剤の使用を制御することにより、材料が可逆的な変形を生成できることを保証できます。新素材の伸び率は125%に達し、従来の素材の数十倍に相当します。

それだけでなく、弾性強誘電体材料は、何千回もの繰り返し伸張に耐えた後でも安定した形状を維持できるため、耐用年数が長いことがわかります。

この伸縮性のある強誘電体材料の出現により、心拍数をリアルタイムで監視し、柔らかくぴったりとフィットする携帯電話を保持する伸縮性のあるベストを着用することが可能になりました。

応力を受けた材料の弾性応答

(AC) 0%および70%のひずみ下での材料の変形。 (D) 0%および70%のひずみ下での材料の電界と分極強度の変化。 (E) 異なるひずみに対する材料の弾性応答

（画像出典：参考文献[1]）

他にはどんなスマートマテリアルがありますか?

私たちが着る衣服から住む建物まで、私たちの生活のあらゆる面で材料が必要です。材料は常に私たちと共にあります。では、弾性強誘電体材料に加えて、科学者はどのようなスマート材料を開発したのでしょうか?

まず最初に、自己修復ポリマー材料をいくつか紹介する必要があります。

科学者たちはバイオエンジニアリングを利用して大腸菌を形質転換し、外部の青色光を感知し、外部の青色光を調節することで特定の機能性タンパク質を発現できるようにした。

その後、科学者たちは大腸菌バイオフィルムをさらにミネラル化し、最終的にミネラル複合材料を得ました。この材料は生体適合性に優れており、将来的には骨損傷の修復分野で使用され、人類の健康に朗報をもたらす可能性があります。

骨損傷の修復

（写真提供：veerフォトギャラリー）

次にご紹介したいのは、インテリジェント温度可変建材です。

科学者たちは電気化学と光学の知識を活用して、インテリジェントで自動的に温度が変化する建築材料を設計しました。

この材料は、赤外線エネルギーを保持して温度を上げる固体銅と、赤外線を放射して温度を下げる水性電解質溶液で構成されています。

固体銅ブロック

（写真提供：veerフォトギャラリー）

したがって、材料の周囲の温度が変化すると、材料は周囲の赤外線熱放射の放射率を自動的に変化させ、それによって自動温度調節を実現することができます。

この建築材料を使用して建てられた建物は、自動的に冬は暖かく、夏は涼しく保たれることがわかります。

次に光応答性ポリマー材料の登場です。

科学技術の進歩により、科学者はフォトクロミックアゾベンゼンを含む光感応性液晶ポリマーフィルムを開発し、それをロボットの表面にコーティングしてロボットにコーティングを施しました。

外部光の変化を通じて、人は外部光を利用してロボットの掴み動作と放し動作を制御することができます。

アゾジフェニルアセチレン液晶ポリマー材料とポリエチレンフィルムを使用して構築された可視光制御マニピュレーター

（画像出典：参考文献[5]）

テクノロジーは生活を変え、イノベーションは生活をより良くします。これらのスマート材料により、輸送、医療、建設工学など多くの分野でより速い発展が達成されると信じています。

参考文献:

[1]Liang Gao et al.精密なわずかな架橋による本質的に弾性のあるポリマー強誘電体。Science381、540-544（2023）。

[2] Xiao Jing、Sun Xiaoqin、Liu Hanxing、他。テクスチャードペロブスカイト強誘電体材料の研究の進歩[J]。珪酸塩紀要、2004年、23(5):5。

[3]Wang Y, An B, Xue B, et al.光誘導性バイオフィルムの勾配石灰化によって製造された生体材料。 Nat Chem Biol 2021年3月;17(3).

[4]Chenxi Sou、Jiankun Pu、Ting-Hsuan Chen、他。オールシーズンの放射温度調節のための動的エレクトロクロミズム。ナット・サステイン（2023）。

[5]Cheng F.、Yin、R.、Zhang Y.、Yen C.-C.、Yu Y.、可視光のみを使用して物体を操作する完全プラスチック製マイクロロボット。ソフトマター、2010年、6、3447。