[論文レビュー] Bubbles enable volumetric negative compressibility in metastable elastocapillary systems

Davide Caprini, F. Battista+12 more|arXiv (Cornell University)|Oct 11, 2023

Electrospun Nanofibers in Biomedical ApplicationsMaterials Science参考文献 52被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、毛細管力によって弾性材料を事前に圧縮し、疎水性空洞への可逆的液体侵入によって歪みを解放することで、巨大な体積的負の圧縮率を達成する準安定エラストキャピラリ系（MES）を提案する。この手法により、ミリメートルスケールのメタマテリアルで−10⁷ TPa⁻¹を超える記録的な負の圧縮率を実現し、従来のシステムを桁違いに上回る性能を発揮する。

ABSTRACT

Although coveted in applications, few materials expand when subject to compression or contract under decompression, i.e., exhibit the negative compressibility phenomenon. A key step to achieve such counterintuitive behaviour is the destabilisations of (meta)stable equilibria of the constituents. Here, we propose a simple strategy to obtain negative compressibility exploiting capillary forces both to precompress the elastic material and to release such precompression by a threshold phenomenon -- the reversible formation of a bubble in a lyophobic flexible cavity. We demonstrate that the solid part of such metastable elastocapillary systems displays negative compressibility across different scales: hydrophobic microporous materials, proteins, and millimetre-sized laminae. This concept is applicable to fields such as porous materials, biomolecules, sensors and may be easily extended to create unexpected material susceptibilities.

研究の動機と目的

• 毛細管力による事前圧縮と可逆的相転移を用いて、さまざまなスケールの材料で負の圧縮率を達成する一般化された、クロススケールのプラットフォームを開発すること。
• 平衡系における体積的負の圧縮率の熱力学的限界を打ち破るために、準安定状態を活用すること。
• 毛細管力が、サブナノメートルスケールからマクロスケールの両方の系において、大きな可逆的機械的応答を引き起こせることを示すこと。
• 金属有機フレームワークから生物学的イオンチャネルに至る多様な系にわたり、負の圧縮率の物理的メカニズムを統一すること。
• 技術的応用を想定し、記録的な負の圧縮率を示すミリメートルスケールのメタマテリアルを設計・検証すること。

提案手法

• 毛細管力によって弾性マトリックスを事前に圧縮する準安定エラストキャピラリ系を、疎水性で柔軟な多孔質材料（例：ZIF-67）を用いて構築する。
• 外部圧力下で疎水性空洞への液体侵入・排出という可逆的1次相転移を設計し、蓄えられた弾性エネルギーを放出する。
• 静水圧を印加して、閾値的な転移を誘発し、圧縮によって構造的緩和が生じることで体積が拡張する現象を観察する。
• X線および中性子回折技術を用いて、歪みの圧力微分として定義される負の圧縮率βₗ = (1/a₀)(da/dp)を測定する。
• 負の圧縮率応答を最大化するように、疎水性および多孔性を調整したミリメートルスケールのMES（milliMES）を設計する。
• アドバンスドフォトンソースおよび国立標準技術研究所でのイン・スイット走査を用いて、複数サイクルにわたる可逆性と機械的安定性を検証する。

Figure 1: Negative Compressibility. ( A ) Sketch of the negative compressibility behaviour of Metastable Elastocapillary Systems (MESs) under hydrostatic pressure and ( B ) summary of the cross-scale and cross-domain concept of MES leading to systems with giant negative compressibility. See also Mov

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 準安定エラストキャピラリ系における毛細管力は、複数の長さスケールで負の圧縮率を誘発できるか？
• RQ2 機械的に可逆的で、完全に物理的な系として実現可能な、最大の負の圧縮率は何か？
• RQ3 毛細管力による事前圧縮と可逆的液体侵入の相乗作用が、圧縮時に予想に反して体積が拡張するメカニズムは何か？
• RQ4 MESメカニズムは、サブナノメートルスケールのMOFsから生物学的イオンチャネルまで、広範な材料に一般化可能か？
• RQ5 MESプラットフォームは、圧力、温度、濃度のセンサーやスイッチとして機能するように設計可能か？

主な発見

• ZIF-67を用いたMESプラットフォームは、5 °Cで内部圧力下で−286 TPa⁻¹、外部圧力下で−269 TPa⁻¹の記録的な負の圧縮率を達成し、過去の記録を1000倍以上上回った。
• ミリメートルスケールのMES（milliMES）は、−10⁷ TPa⁻¹の負の圧縮率と18%の相対的変形を示し、機械的性能の新たな基準を確立した。
• このメカニズムは、サブナノメートルスケールの孔（ZIF-67）から生物学的イオンチャネル（MscLおよびBK）まで、長さスケールで6桁以上にわたって有効に機能し、普遍的な現象的性質を示した。
• 全システムにおいて、侵入／排出転移の可逆性が確認され、核化メカニズムはスケールに応じて異なる：サブナノスケールでは蒸気核化、ミリメートルスケールでは気泡の融合。
• ZIF-67では、容易な蒸気核化により鋭いNC応答を示す一方、疎水性ラミナはより滑らかな転移を示し、応用に応じた応答のチューニングが可能である。
• MESメカニズムにより、圧力センサーや閾値スイッチとして機能する多機能材料の設計が可能となり、バイオ医療デバイスや適応性材料への応用が期待される。

Figure 2: Model of a metastable elastocapillary system exhibiting negative compressibility. ( A ) Sketch of a thought intrusion and extrusion experiment in which (a) two plates kept together by a spring of constant $k$ are immersed in water (b), then the pressure is progressively increased (c) until