Нанорешетка

Нанорешетка — это синтетический пористый материал , состоящий из элементов нанометрового размера, смоделированных в упорядоченную решетчатую структуру, подобную пространственной раме . Нанорешетка — это недавно появившийся класс материалов, который быстро развивался в течение последнего десятилетия. Нанорешетки переопределяют границы пространства свойств материалов. Несмотря на то, что они состоят на 50–99 % из воздуха, нанорешетки очень механически прочны, поскольку они используют зависящие от размера свойства, которые мы обычно видим в наночастицах, нанопроводах и тонких пленках. Наиболее типичные механические свойства нанорешеток включают сверхвысокую прочность, устойчивость к повреждениям и высокую жесткость. Таким образом, нанорешетки имеют широкий спектр применения.

В середине 2010-х годов, благодаря развитию технологий 3D-печати , впервые были разработаны нанорешетки, нацеленные на использование полезных эффектов размера материала посредством миниатюрных конструкций решеток. ^{[2] [3] [4] [5]} Нанорешетки являются наименьшими искусственными решетчатыми ферменными конструкциями ^{[2] [6] [1]} и классом метаматериалов , свойства которых определяются как их геометрией (общее определение метаматериала), так и малым размером их элементов. ^[5] Следовательно, они могут обладать эффективными свойствами, не встречающимися в природе, и которые не могут быть достигнуты с помощью более крупных решеток той же геометрии.

Для производства нанорешетчатых материалов полимерные шаблоны изготавливаются с помощью процессов 3D-печати высокого разрешения, таких как многофотонная литография , самосборка , самораспространяющиеся фотополимерные волноводы и методы прямой лазерной записи. Эти методы позволяют синтезировать структуру с размером элементарной ячейки до порядка 50 нанометров. Генная инженерия также имеет потенциал в синтезе нанорешеток. Керамические , металлические или композитные нанорешетки из материалов формируются путем последующей обработки полимерных шаблонов с использованием таких методов, как пиролиз , осаждение атомных слоев , гальванопокрытие и химическое осаждение . ^[5] Пиролиз, который дополнительно сжимает решетки до 90%, создает структуры наименьшего размера, в результате чего полимерный шаблонный материал превращается в углерод ^[1] или другие керамики ^[7] и металлы ^[8] посредством термического разложения в инертной атмосфере или вакууме.

В наномасштабе размерные эффекты и различные размерные ограничения, такие как границы зерен, дислокации и распределение пустот, могут значительно изменить свойства материала. Нанорешетки обладают непревзойденными механическими свойствами. Нанорешетки являются самыми прочными из существующих ячеистых материалов, несмотря на то, что они чрезвычайно легкие. Хотя нанорешетка состоит на 50% -99% из воздуха, она может быть такой же прочной, как сталь. ^{[2] [5] [1]} Ее эффективная прочность может достигать 1 ГПа. При размере порядка 50 нм чрезвычайно малый объем ее отдельных элементов, таких как стенки, узлы и фермы, тем самым статистически почти исключает популяцию дефектов материала, а базовый материал нанорешеток может достигать механической прочности порядка теоретической прочности идеального, совершенного кристалла. Хотя такие эффекты обычно ограничиваются отдельными, геометрически примитивными структурами, такими как нанопроволоки , специфическая архитектура позволяет нанорешеткам использовать их в сложных, трехмерных структурах значительно большего общего размера. Нанорешетки могут быть разработаны с высокой степенью деформации и восстановления, ^{[4] [9]} даже с керамическими базовыми материалами. Нанорешетки способны выдерживать 80% деформации сжатия без катастрофического разрушения и затем все еще восстанавливаться до 100% первоначальной формы. Нанорешетки могут обладать механическими метаматериальными свойствами, такими как ауксетичность (отрицательный коэффициент Пуассона) или метажидкостное поведение (большой объемный модуль упругости). ^[1] Нанорешетки могут сочетать механическую устойчивость и сверхнизкую теплопроводность и могут иметь электромагнитные метаматериальные характеристики, такие как оптическая маскировка . ^[10] Однако одной из проблем в исследовании нанорешеток является то, как сохранить прочные свойства при масштабировании. По своей сути сложно сохранить эффекты наномасштабного размера в объемной структуре. Простым решением для преодоления этой проблемы является объединение объемных процессов с методами осаждения тонких пленок для сохранения пустотелой структуры каркасного пространства. ^{[ необходима цитата ]}

Первым рынком для нанорешеток могут стать мелкосерийные компоненты для биомедицинских, электрохимических, микрофлюидных и аэрокосмических приложений, которые требуют высоконастраиваемых и экстремальных комбинаций свойств. В аэрокосмической промышленности применение нанорешеток может сделать самолеты легче и сэкономить много энергии.

• Метаматериалы
• Наноматериалы
• Микрорешетка