[論文レビュー] Micro-Structured Two-Component 3D Metamaterials with Negative Thermal-Expansion Coefficient from Positive Constituents

Jingyuan Qu, Muamer Kadic+2 more|Repository KITopen (Karlsruhe Institute of Technology)|Oct 7, 2016

Acoustic Wave Phenomena Research参考文献 22被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、正の熱膨張を示す材料から構成されるが、負の熱膨張係数（NTEC）を達成する3次元マイクロ構造を持つ二成分ポリマーメタマテリアルを実証した。ねじれ構造のバイマテリアルラティスを設計し、非対称な熱応答を発現させることで、ビームの曲げが回転運動を引き起こし、膨張を過補正する。その結果、加熱によって全体として収縮する現象が生じ、人工材料における熱膨張のチューナブル制御の新たな道筋を提供する。

ABSTRACT

Controlling the thermal expansion of materials is of great technological importance. Uncontrolled thermal expansion can lead to failure or irreversible destruction of structures and devices. In ordinary crystals, thermal expansion is governed by the asymmetry of the microscopic binding potential, which cannot be adjusted easily. In artificial crystals called metamaterials, thermal expansion can be controlled by structure. Here, following previous theoretical work, we fabricate three-dimensional two-component polymer microlattices by using gray-tone laser lithography. We perform cross-correlation analysis of optical microscopy images taken at different sample temperatures. The derived displacement-vector field reveals that the thermal expansion and resulting bending of the bi-material beams leads to a rotation of the 3D chiral crosses arranged onto a 3D checkerboard pattern within one metamaterial unit cell. These rotations can over-compensate the expansion and lead to an effectively negative thermal length-expansion coefficient for all positive constituents evidencing a striking level of thermal-expansion control.

研究の動機と目的

• チューナブルな熱膨張特性を有する3次元マイクロ構造メタマテリアルの設計および作製。
• 非対称なポテンシャル井戸に起因する自然素材の固有の正の熱膨張の制限を克服すること。
• 材料組成ではなく構造的設計によって、正の成分からも負の熱膨張が生じることを示すこと。
• 理論的予測であるねじれ3次元ラティスにおけるNTECを、熱変形の実験的測定によって検証すること。

提案手法

• ビーム幾何形状および組成を精密に制御できるグレーサイドレーザー光リソグラフィーを用いて、3次元二成分ポリマー微小ラティスを製造。
• 3次元チェッカーボードユニットセルに配置されたねじれクロス構造の設計により、熱的荷重下での回転自由度を実現。
• 異なる温度で撮影した画像から変位ベクトル場を抽出するために、光学顕微鏡とクロス相関解析を用いる。
• ユニットセル内の構造要素の回転および相対変位を追跡することで熱膨張を測定。
• 実験的変位データと有限要素シミュレーションを比較し、負の熱膨張のメカニズムを検証。
• バイマテリアルビームの熱応答の分析により、異なる膨張率が曲げと回転運動を引き起こす仕組みを解明。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 正の熱膨張を示す成分のみから構成される3次元メタマテリアルが、全体として負の熱膨張係数を示すことは可能か？
• RQ2 ねじれラティスにおける回転自由度が、どのように熱膨張を過補正する機構を提供するか？
• RQ3 バイマテリアルビームの幾何形状および材料対比が、ユニットセルの全体的熱膨張挙動にどのように影響を与えるか？
• RQ4 材料選択ではなく、構造的設計によって熱膨張係数をどれほどチューニングできるか？
• RQ5 実験的測定によって、3次元マイクロ構造メタマテリアルにおける理論的予測の負の熱膨張が確認できるか？

主な発見

• 作製された3次元メタマテリアルは、すべての構成材料が正の熱膨張を示すにもかかわらず、負の熱長さ膨張係数を示した。
• 負の熱膨張は、ユニットセル内でのねじれクロスの回転に起因し、バイマテリアルビームの異なる熱膨張率に起因する。
• 顕微鏡画像のクロス相関解析により、定量的な変位場および回転運動がNTECメカニズムと整合することが明らかになった。
• 観察された回転が、材料の固有の膨張を上回り、加熱による全体的収縮を引き起こした。
• 実験結果は理論的予測を確認しており、人工材料における熱膨張の制御に、強固でスケーラブルな道筋を示した。
• 本手法は、レア材料を必要とせず、構造的設計と一般的なポリマーのみで熱膨張を精密に制御可能である。