主要成果
ハルビン工業大学のJianbin Feng氏らの研究チームは、構造的な強度を維持しながら、電磁波の吸収と低周波騒音の低減を同時に実現する多機能メタマテリアルを開発しました。この素材は厚さわずか24mmでありながら、従来の構造的な課題であった「空隙（ポーラス構造）の確保」と「物理的強度の維持」というジレンマを解消しています。具体的には、1,750kgの車両のタイヤ下で、一角に438kgの荷重がかかっても亀裂が入らずに耐える高い耐荷重性能を示しました。
技術・詳細
本素材は、蝶や蛾の鱗粉に見られる微細な多機能構造を模倣したバイオミメティック（生物模倣）設計を採用しています。技術的な詳細は以下の通りです。
- 構造設計： 従来のハニカム構造で問題となる鋭角なコーナーを排除し、緩やかな曲線を持つ「ジャイロイド（gyroidal）」経路を採用しました。これにより、衝撃エネルギーの吸収効率が標準的なハニカム構造の21.9倍に向上し、破壊ではなく秩序ある変形によって衝撃を吸収します。
- 電磁波吸収： ジャイロイド構造の内部にカーボンナノチューブとカーボンブラックのペーストを充填しました。これにより、2〜40 GHzの広帯域において、入射波の93.5%の範囲で90%以上の電力を吸収し、熱として消散させます。
- 騒音低減： 各セルに微細な穴が開いたカバーを設置し、音響共鳴器として機能させています。これにより、商用ターボプロペラ機のキャビンで典型的な600〜900 Hzの周波数帯において、音響エネルギーの90%を捕捉・消散させます。
背景・業界の文脈
航空機や高速鉄道、電気自動車の設計において、乗客を保護する剛性構造、電子機器を守る電磁波遮蔽、エンジン音を抑える吸音材の3点は不可欠です。しかし、従来はこれらを個別の層（金属フレーム、電磁波吸収材、厚い吸音フォーム）として重ねて接着するしかなく、構造の肥大化、重量増加による燃費悪化、接着剤の疲労による剥離といった課題がありました。特に、吸音や電磁波のインピーダンス整合には高い空隙率が必要ですが、空隙を増やすと構造強度が低下し、逆に強度を高めると音や電磁波を反射してしまうという物理的なトレードオフが存在していました。
今後の展望
研究チームは、個別の用途に合わせて構造を最適に設計できるコンピュータシステムも構築しており、このバイオミメティック・メタマテリアルの実用的な導入を容易にするとしています。接着剤を完全に排除し、単一の薄い構造体で強度・ステルス・静粛性を同時に提供できるため、輸送機器の軽量化と高性能化に大きく寄与すると考えられます。
元記事: https://www.inovacaotecnologica.com.br/noticias/noticia.php?artigo=asa-borboleta-supermaterial
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