材料科学：ネットワークに基づくスケールリッチなメタマテリアル

材料は本質的に、均一性（均一な結合、一定の厚さ、離散的な長さスケール）によって規定されるネットワークである。機械的メタマテリアルは、構造的にはより多様な微細構造を示す一方、依然として、それらの単位格子、細孔サイズ、あるいは繰り返し構造という均質性によって規定されている。対照的に、ネットワーク科学が明らかにしているとおり、インターネットから脳に至るまで、現実世界の系や生物系は、接続性と結合長における広範でマルチスケールにわたる多様性から機能を生み出している。今回我々は、ネットワークの不均質性を機械的メタマテリアルに組み込む設計の枠組みであるスケールリッチメタマテリアルを提示し、このメタマテリアルで、リガメントの長さ、厚さ、接続性において何桁にも及ぶ不均質性を実現したことを報告する。スケールリッチなネットワークは、わずか2つのパラメーターで制御されており、構造的特徴が数桁の幅にわたっていて、メタマテリアル設計における従来の制約を克服している。我々は、これらのネットワークモデルを物理的に実現可能な材料に変換し、シミュレーションと実験によって、スケールリッチメタマテリアルが、高度に調整可能な弾性異方性、高いエネルギー吸収を伴う非局在化した非線形変形、動的荷重下でのエネルギー散逸の増大、プログラム可能な弾性波制御など、従来の単一スケールの系では得られない特性を示すことを明らかにした。このネットワークに基づく枠組みは、機械的挙動がスケールの多様性から直接生じる多機能材料を設計するための、最小で普遍的なモデルを確立するとともに、ネットワーク科学そのものにも新たな探究の道を開く。

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