Nanogitter
Ett nanogitter är ett syntetiskt poröst material som består av nanometerstora delar mönstrade till en ordnad gitterstruktur, som en rymdram . Nanogittret är en nytillkommen materialklass som har utvecklats snabbt under det senaste decenniet. Nanogitter omdefinierar gränserna för det materiella egenskapsutrymmet. Trots att de består av 50-99% luft är nanogitter väldigt mekaniskt robusta eftersom de drar fördel av storleksberoende egenskaper som vi vanligtvis ser i nanopartiklar, nanotrådar och tunna filmer. De mest typiska mekaniska egenskaperna hos nanogitter inkluderar ultrahög hållfasthet, skadetolerans och hög styvhet. Således har nanogitter ett brett användningsområde.
Drivna av utvecklingen av 3D-utskriftstekniker utvecklades nanogitter som syftar till att utnyttja fördelaktiga materialstorlekseffekter genom miniatyriserade gitterdesigner först i mitten av 2010-talet. Nanogitter är de minsta konstgjorda gallerfackverksstrukturerna och en klass av metamaterial som får sina egenskaper från både sin geometri (allmän metamaterialdefinition) och den lilla storleken på deras element. Därför kan de ha effektiva egenskaper som inte finns i naturen, och som kanske inte uppnås med större gitter med samma geometri.
Syntes
För att producera nanogittermaterial tillverkas polymermallar med högupplösta 3D-utskriftsprocesser, såsom multifotonlitografi , självmontering , självutbredning fotopolymervågledare och direkt laserskrivteknik. Dessa metoder kan syntetisera strukturen med en enhetscellstorlek ner till storleksordningen 50 nanometer. Genteknik har också potential att syntetisera nanogitter. Keramiska , metaller eller kompositmaterial nanogitter bildas genom efterbehandling av polymermallarna med tekniker inklusive pyrolys , atomskiktsavsättning , elektroplätering och strömlös plätering . Pyrolys, som dessutom krymper gittren med upp till 90 %, skapar strukturer av minsta storlek, varvid det polymera mallmaterialet omvandlas till kol, eller andra keramer och metaller, genom termisk nedbrytning i inert atmosfär eller vakuum.
Egenskaper
På nanoskala kan storlekseffekter och olika dimensionella begränsningar, som korngränser, dislokationer och fördelning av tomrum, förändra ett materials egenskaper enormt. Nanogitter har oöverträffade mekaniska egenskaper. Nanogitter är de starkaste befintliga cellulära materialen trots att de är extremt lätta. Även om nanogittret består av 50-99 % luft, kan det vara lika starkt som stål. Dess effektiva styrka kan nå upp till 1 GPa. I storleksordningen 50 nm eliminerar den extremt lilla volymen av deras individuella medlemmar, såsom väggar, noder och takstolar, därigenom statistiskt nästan materialfelpopulationen och basmaterialet i nanogitter kan nå mekaniska styrkor i storleksordningen av den teoretiska hållfastheten av en perfekt, perfekt kristall. Medan sådana effekter vanligtvis är begränsade till individuella, geometriskt primitiva strukturer som nanotrådar , tillåter den specifika arkitekturen nanogitter att utnyttja dem i komplexa, tredimensionella strukturer av avsevärt större totalstorlek. Nanogitter kan utformas mycket deformerbara och återvinningsbara, även med keramiska basmaterial. Nanogitter kan genomgå 80 % tryckpåkänning utan katastrofala misslyckanden och återhämtar sig sedan till 100 % ursprunglig form. Nanogitter kan ha mekaniska metamaterialegenskaper som auxetic (negativt Poissons förhållande) eller metafluidiskt beteende (stor bulkmodul). Nanogitter kan kombinera mekanisk motståndskraft och ultralåg värmeledningsförmåga och kan ha elektromagnetiska metamaterialegenskaper som optisk cloaking . En av utmaningarna inom nanogitterforskning är dock att ta reda på hur man kan behålla de robusta egenskaperna samtidigt som man skalar upp. Det är i och för sig svårt att hålla storlekseffekter i nanoskala i bulkstruktur. Den enkla lösningen för att övervinna denna utmaning är att kombinera bulkprocesser med tunnfilmsavsättningstekniker för att behålla ramutrymmets ihåliga struktur.
Ansökan
Den första marknaden för nanogitter kan vara småskaliga komponenter i små partier för biomedicinska, elektrokemiska, mikrofluidiska och rymdtillämpningar, som kräver mycket anpassningsbara och extrema kombinationer av egenskaper. Inom flygindustrin kan användningen av nanogitter göra flygplanet lättare och spara mycket energi.