私たちは弾性材料をよく知っている – 伸ばした後に元の形に戻るゴムバンドを思い浮かべてみればよい。
人類は数千年にわたって弾性材料を使用してきた。現代では、光ファイバーから航空機、建築物に至るまで、あらゆるところで使用されている。しかし、これまで科学者たちは、これらの材料がどのように元の形に戻るのかを正確に特定できていなかった。分子レベルで何が起きているのだろうか？
本日『Nature Materials』誌に掲載された我々の新しい研究では、柔軟な結晶の特性を利用して、分子間の相互作用が弾性をどのように生み出すのかを理解した。これにより、300年以上前にイギリスの博学者Robert Hookeが開発した弾性モデルに新しい知見をもたらした。
我々の発見により、複雑な航空宇宙材料や建築材料、電子機器の部品を設計する新しい方法を開発することが可能となる。
弾性の謎
材料が変形後に元の構造に戻ることができる場合、その材料は弾性を持つと言える。例えば、ゴムバンドは伸ばした後に元の形に戻る。しかし、強く引きすぎると切れてしまう。これは「非弾性変化」として知られており、材料がもはや元の形に戻れなくなることを意味する。
最も有用な弾性材料は、構造に大きな変化が生じても元の形に戻ることができる。これには多くの工学的用途がある。例えば、橋は強風時に倒壊を防ぐため、弾性的に動くように設計されている。
すべての材料には少なくともわずかな弾性がある：構造のごくわずかな変化後には自己回復できる。紙を振れば、まだ平らに横たわる。しかし折り曲げると、しわは永久的となる – これは折り紙に不可欠な非弾性的な挙動である。
我々の研究以前には、弾性を理解するための主要な2つのアプローチが存在した。
17世紀に、Robert Hookeは弾性材料の働きを初めて記述した。彼は、弾性材料を伸ばすのに必要な力が、伸ばす距離に比例することを発見し、これを数学的に記述した。
しかし、これを知っているだけでは、より優れた弾性特性を持つ新しい材料の開発に取り組む我々のような化学者や物理学者にとって、十分な洞察とはならない。
近年では、コンピュータを使用して、材料の構造と物理学の基本法則から弾性特性を計算することが行われている。しかし、コンピュータが問題を理解できても、必ずしも人間が理解しやすくなるわけではない。ここで我々の柔軟な結晶に関する研究が重要となる。
結晶はどのように柔軟になりうるのか？
通常は硬くて脆い結晶は、原子や分子の繰り返しパターンで構成されている。原子や分子が整然と積み重なっているため、それらを動かすことは困難である。
これが、炭素原子の結晶であるダイヤモンドが硬い一方で、同じく主に炭素でできているが結晶ではない石炭が柔らかく崩れやすい理由である。
我々が開発した柔軟な結晶では、分子間に弱い相互作用が存在する。これらの結晶は、単純な有機分子と金属イオンの組み合わせでできている。
それらの間の相互作用により、結晶が破壊されることなく、結び目を作れるほど大きく曲げることができる。
我々の新しいアプローチにより、人間は結晶内の分子間の微妙な相互作用が弾性をどのように生み出すのかを理解できるようになった。
まず、オーストラリアのシンクロトロンでX線回折を使用した。これは結晶内の原子と分子の位置を決定する技術であり、我々の柔軟な結晶が曲がったときに分子配列がどのように変化するかを理解することができた。
次に、コンピュータを使用して分子のペア間の相互作用をモデル化した。我々の結果は、これらの相互作用を使用して、結晶全体の理論モデルと同程度の精度で弾性を計算できることを示した。
では、我々の結晶が高度な弾性を持つ理由は何か？結果は、結晶が曲がったとき、原子間の相互作用のどれも構造に「満足」していないことを示している。あるものは一方向に動きたがり、他のものは反対方向に動きたがる。それらは妥協しなければならない。
これは、分子や原子が変化に強く抵抗しないことを意味し、通常の硬い結晶に典型的な分子構造を持っているにもかかわらず、結晶は高度な弾性を示す。
これは従来の弾性分析アプローチでは学ぶことができなかった。
また、結晶が曲がったときにその内部に蓄えられるエネルギーを計算することもでき、自身の重量の30倍の質量を1メートル上空に持ち上げるのに十分なエネルギーがあることがわかった。これは弓矢を射ることに似ている。弓を引くとき、弾性エネルギーが蓄えられる。矢を放つと、その弾性エネルギーは運動エネルギー – 動き – に変換される。
我々の柔軟な結晶は、まだ橋やスカイスクレーパーの建設に使用できるほど堅牢ではない。
しかし、我々の研究がもたらした弾性に関する新しい理解は、スマートデバイス、ウェアラブル電子機器、さらには宇宙船の部品の新しい製造方法につながる可能性がある。
