Una nanored es un material poroso sintético que consta de elementos de tamaño nanométrico dispuestos en una estructura reticular ordenada, como un marco espacial . La nanored es una clase de material de reciente aparición que se ha desarrollado rápidamente durante la última década. Las nanoredes redefinen los límites del espacio de propiedades de los materiales. A pesar de estar compuestas por un 50-99% de aire, las nanoredes son muy robustas mecánicamente porque aprovechan las propiedades dependientes del tamaño que generalmente vemos en nanopartículas, nanocables y películas delgadas. Las propiedades mecánicas más típicas de las nanoredes incluyen resistencia ultraalta, tolerancia al daño y alta rigidez. Por lo tanto, las nanoredes tienen una amplia gama de aplicaciones.
Impulsadas por la evolución de las técnicas de impresión 3D , las nanoredes que apuntan a explotar los efectos beneficiosos del tamaño del material a través de diseños de red miniaturizados se desarrollaron por primera vez a mediados de la década de 2010. [2] [3] [4] [5] Las nanoredes son las estructuras de celosía más pequeñas hechas por el hombre [2] [6] [1] y una clase de metamateriales que derivan sus propiedades tanto de su geometría (definición general de metamaterial) como del pequeño tamaño de sus elementos. [5] Por lo tanto, pueden poseer propiedades efectivas que no se encuentran en la naturaleza, y que pueden no lograrse con redes de mayor escala de la misma geometría.
Para producir materiales nanolattice, las plantillas de polímeros se fabrican mediante procesos de impresión 3D de alta resolución, como litografía multifotónica , autoensamblaje , guías de ondas de fotopolímeros autopropagantes y técnicas de escritura láser directa. Esos métodos pueden sintetizar la estructura con un tamaño de celda unitaria de hasta el orden de 50 nanómetros. La ingeniería genética también tiene el potencial de sintetizar nanolattice. Las nanoredes de materiales cerámicos , metálicos o compuestos se forman mediante el postratamiento de las plantillas de polímeros con técnicas que incluyen pirólisis , deposición de capas atómicas , galvanoplastia y galvanoplastia sin corriente eléctrica . [5] La pirólisis, que además encoge las redes hasta en un 90%, crea las estructuras de tamaño más pequeño, por lo que el material de la plantilla polimérica se transforma en carbono, [1] u otras cerámicas [7] y metales, [8] a través de la descomposición térmica en atmósfera inerte o vacío.
En la nanoescala, los efectos de tamaño y las diferentes restricciones dimensionales, como los límites de grano, las dislocaciones y la distribución de huecos, pueden cambiar enormemente las propiedades de un material. Las nanoredes poseen propiedades mecánicas incomparables. Las nanoredes son los materiales celulares existentes más fuertes a pesar de ser extremadamente livianos. Aunque consisten en un 50%-99% de aire, la nanored puede ser tan fuerte como el acero. [2] [5] [1] Su resistencia efectiva puede alcanzar hasta 1 GPa. En el orden de 50 nm, el volumen extremadamente pequeño de sus miembros individuales, como paredes, nodos y cerchas, elimina estadísticamente casi la población de defectos del material y el material base de las nanoredes puede alcanzar resistencias mecánicas del orden de la resistencia teórica de un cristal ideal y perfecto. Si bien estos efectos generalmente se limitan a estructuras individuales, geométricamente primitivas como los nanocables , la arquitectura específica permite que las nanoredes los exploten en estructuras tridimensionales complejas de un tamaño general notablemente mayor. Las nanoredes pueden diseñarse de manera que sean altamente deformables y recuperables, [4] [9] incluso con materiales de base cerámicos. Las nanoredes pueden soportar una tensión de compresión del 80% sin fallas catastróficas y luego recuperarse al 100% de su forma original. Las nanoredes pueden poseer propiedades metamateriales mecánicas como auxéticas (coeficiente de Poisson negativo) o comportamiento metafluídico (módulo de volumen grande). [1] Las nanoredes pueden combinar resiliencia mecánica y conductividad térmica ultrabaja y pueden tener características metamateriales electromagnéticas como encubrimiento óptico . [10] Sin embargo, uno de los desafíos en la investigación de nanoredes es descubrir cómo retener las propiedades robustas mientras se aumenta la escala. Es inherentemente difícil mantener los efectos del tamaño nanométrico en la estructura a granel. La solución sencilla para superar este desafío es combinar procesos a granel con técnicas de deposición de película delgada para retener la estructura hueca del espacio del marco. [ cita requerida ]
El primer mercado para las nanoredes puede ser el de los componentes a pequeña escala y en lotes pequeños para aplicaciones biomédicas, electroquímicas, microfluídicas y aeroespaciales, que requieren combinaciones extremas y altamente personalizables de propiedades. En la industria aeroespacial, la aplicación de nanoredes podría hacer que las aeronaves sean más ligeras y ahorren mucha energía.