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バイオイメージングおよび生命科学
自然から学ぶこと: 高強度スーパー材料の開発

自然は何百万年もの進化を経て、比較的弱い構成要素を使って非常に強い材料を製造することを完成させました。アサリやムール貝などの二枚貝の殻はその好例で、比較的弱い炭酸カルシウムでできているにもかかわらず、個々の結晶がこのように配置されているため、比較的薄いにもかかわらず、信じられないほどの強度を持っています。

材料科学者は自然から学び、自然の構造を模倣した合成材料を開発しようとしています。しかしこれを効果的に行うためには、自然界に存在する材料の特性を把握し、その優れた強度の理由を理解する必要があります。電子後方散乱回折(EBSD)はそのための理想的な技術であり、オックスフォード・インストゥルメンツ社が開発したCMOSベースのEBSD検出器は、生体材料の特性評価を日常的なプロセスにするために必要なスピードと感度を提供しています。

材料科学者は貝殻から何を学べるのか?

貝殻中の炭酸カルシウム(CaCO3)にはアラゴナイトとカルサイトの2つの形態があります。化学的に区別がつかないこれらの形態は、異なる結晶構造を持ち、どちらも貝殻の構造によく見られます。どちらの鉱物も比較的弱いのですが、自然はアラゴナイトの厚さがミクロン以下の板状のものを真珠層と呼ばれる層状構造に配列させることで、材料の強度を大幅に高めています。この配列を合成材料で再現することで、材料科学者は高ストレス環境で大きな影響を与える超強靭な材料を作り出すことができます。しかし、自然から学ぶためには、真珠層の詳細な構造を特徴づけることが不可欠です。

オックスフォード・インストゥルメンツは、どのようにして生体材料分析に役立つEBSDシステムを開発したのですか?

カルサイトやアラゴナイトのような鉱物は電子線に敏感ですが、比較的弱い回折パターンを生成します。真珠の構造を効果的に特徴づけることができるようにするためには、高速でありながら非常に感度の高いEBSD検出器が必要とされます。CMOS技術をオックスフォード・インストゥルメンツのEBSD検出器に革新的に組み込むことで、低ビームエネルギーと低電流を用いて、ミリ秒単位のタイムフレームで高品質の回折パターンを収集することが可能になりました。したがって、真珠層は、従来のCCDベースのEBSD技術では不可能だったナノスケールの分解能で数分で特性評価することができます。

研究者はどのように実践しているのでしょうか?

アラゴナイト真珠層の高解像度の配向図を用いて、研究者たちは極限の強度をもたらすアラゴナイト板の複雑な結晶構造の配置を理解することができるようになりました。この理解により、合成材料を用いてそのような構造を再現することが可能になりました。研究者たちは、Al2O3やCaHPO4などの幅広い結晶性材料を用いて実験を行い、並外れた強度と靭性を持つ人工真珠層を作り出しています。これらの材料は、バイオメディカル、航空宇宙、軍事分野で多くの応用があります。

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アプリケーションノート

二枚貝の詳細なEBSD研究

Symmetryを使用して特徴づけられたムール貝の殻の構造を詳細に見ることができます。カルサイトとナノ構造のアラゴナイト真珠層の両方を、前例のないレベルの詳細さとスピードで測定します。.

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