نانولتیس

چپ|بندانگشتی|ریزنگارهٔ SEM از یک نانو‌لاتیس کربنی (شبکهٔ سه‌بعدی با اعضای نانومقیاس)
چپ|بندانگشتی|نمونه‌ای از ساختارهای شبکه‌ای بسیار سبک
نانو‌لتیس یا نانولاتیس (به انگلیسی: Nanolattice) یک ردهٔ نوظهور از متامتریال‌های مکانیکی است. این ماده جزوی از مواد مصنوعی و مواد متخلخلِ مهندسی‌شده است که از یک شبکهٔ سه‌بعدی منظم و تکرارشونده (سلول واحد) با اعضای نانومقیاس (تیرک‌ها، دیواره‌ها و گره‌ها در حد ده‌ها تا صدها نانومتر) تشکیل می‌شود. خواص مؤثر این مواد تنها از جنس مادهٔ پایه ناشی نمی‌شود، بلکه از «هندسهٔ معماری‌شدهٔ شبکه» و همچنین «اثر اندازه در مقیاس نانو» نیز تأثیر می‌گیرد.

نانو‌لتیس‌ها به‌دلیل نمایش ترکیب‌هایی که در مواد توده‌ای کمتر دیده می‌شود -مانند «فوق‌سبک بودن» همراه با «استحکام و سختی بالا»- در سال‌های اخیر در علم مواد، نانوفناوری و چاپ سه‌بعدی پیشرفته مورد توجه قرار گرفته‌اند. گزارش‌ها نشان می‌دهد برخی نانو‌لتیس‌ها با وجود این‌که حدود ۵۰ تا ۹۹٪ حجمشان هوا است، استحکام و سختی بسیار بالایی دارند و حتی می‌توانند تا کرنش‌های فشاری بزرگ، بدون شکست فاجعه‌آمیز، تغییر شکل دهند.

 تعریف و جایگاه در مهندسی مواد 
نانو‌لتیس نوعی مادهٔ متخلخل مصنوعی است که در آن «فضای خالی» بخش عمده‌ای از حجم را تشکیل می‌دهد، اما برخلاف بسیاری از ساختارهای نامنظم (مانند برخی آئروژل‌ها)، هندسهٔ منظم و اتصال‌های طراحی‌شده باعث می‌شود بار به‌صورت کارآمدتری در شبکه پخش شود. در این مواد تیرک‌ها، دیواره‌ها و گره‌ها ابعادی در حد چند ده نانومتر دارند و به‌صورت منظم در قالب یک شبکهٔ فضایی (Space frame) چیده شده‌اند. این ساختارها کوچک‌ترین شبکه‌های خرپایی ساخت بشر به‌شمار می‌آیند و به‌عنوان زیرگروهی از «مواد سلولی» و «متامتریال‌های مکانیکی» طبقه‌بندی می‌شوند.

در چارچوب نظریهٔ مواد سلولی، عملکرد چنین شبکه‌هایی با کمیت‌هایی مانند «چگالی نسبی» (نسبت چگالی ساختار شبکه‌ای به چگالی مادهٔ جامدِ پایه) سنجیده می‌شود و توپولوژی شبکه می‌تواند تعیین کند که سازه «کشش‌محور» است یا «خمش‌محور».

از نظر مفهومی، نانو‌لتیس‌ها به خانوادهٔ متامتریال‌ها، نانومواد و شبکه‌های سبک‌وزن مانند «میکرو‌لتیس» نزدیک‌اند، با این تفاوت مهم که در نانو‌لتیس‌ها ابعاد اعضا آن‌قدر کوچک است که اثرات وابسته به اندازه -که معمولاً فقط در نانوذره‌ها، نانوسیم‌ها و فیلم‌های نازک دیده می‌شود- در یک ساختار سه‌بعدی بزرگ‌تر هم قابل بهره‌برداری می‌شود.

 تاریخچه و پیدایش 
ایدهٔ ساخت مواد سبک و مستحکم پیشینه‌ای طولانی دارد، اما تولید سازه‌های منظم در مقیاس نانو تا مدت‌ها به‌دلیل محدودیت‌های ساخت ممکن نبود. ظهور نانو‌لتیس‌ها به پیشرفت فناوری‌های چاپ سه‌بعدی در مقیاس نانو، به‌ویژه پس از حدود سال ۲۰۱۵، گره خورده است. با پیشرفت روش‌های چاپ و لیتوگرافی سه‌بعدی در مقیاس زیرمیکرون -به‌ویژه «لیتوگرافی/ پلیمریزاسیون چندفوتونی» و «نوشتار لیزری مستقیم»- از اوایل دههٔ ۲۰۱۰ میلادی امکان ساخت قالب‌های شبکه‌ای بسیار ریز فراهم شد و در میانهٔ دههٔ ۲۰۱۰ نانو‌لتیس‌ها به‌عنوان یک ردهٔ نوظهور مطرح شدند.

در گزارش‌های پژوهشی مرتبط با گروه‌های دانشگاهی از جمله در کلتک، ساختارهای شبکه‌ای نانومقیاس با استفاده از طرح‌ریزی دیجیتال، چاپ قالب پلیمری به روش دو/چندفوتونی و سپس پوشش‌دهی (مثلاً با سرامیک‌ها) توسعه یافت. این پژوهش‌ها نشان داد وقتی ابعاد ویژگی‌های سازه‌ای (مثل ضخامت دیواره یا قطر تیرک) به مقیاس نانو می‌رسد، حساسیت به عیوب و ترک‌های بحرانی می‌تواند کاهش یابد و در نتیجه مواد شکننده (مانند برخی سرامیک‌ها) در قالب معماری مناسب رفتاری مقاوم‌تر و حتی تا حدی بازیاب‌پذیر نشان دهند.

در دههٔ ۲۰۱۰ و اوایل ۲۰۲۰، پژوهش‌های تجربی و شبیه‌سازی‌های عددی نشان دادند که نانو‌لتیس‌های سرامیکی و فلزی می‌توانند به استحکام‌های نزدیک به حد نظری کریستال‌های ایده‌آل برسند و هم‌زمان رفتارهایی مانند کرنش‌پذیری بالا، بازیابی الاستیک پس از کرنش‌های بزرگ و خواص متامتریالی (مثل پواسون منفی) را نشان دهند.

 ساختار و هندسه 
نانو‌لتیس‌ها عموماً به‌صورت شبکه‌های سه‌بعدی منظم از تیرک‌ها (اعضای تیرمانند (Beam)) و دیواره‌ها (Plate) طراحی می‌شوند. هندسهٔ شبکه می‌تواند از الگوهای متنوعی پیروی کند؛ از خرپاهای کلاسیک تا معماری‌های الهام‌گرفته از ساختارهای بلوری و اشکال ریاضی سه‌بعدی (مانند شبکه‌های BCC، تعمیم‌یافتهٔ FCC، ساختارهای صفحه‌ای (plate‑nanolattices) یا ساختارهای quasi‑BCC). انتخاب هندسه تعیین می‌کند شبکه تحت بارگذاری عمدتاً «کشش/فشار» را حمل کند یا «خمش» را و همین موضوع به‌شدت روی نسبت استحکام به وزن اثر می‌گذارد.

در این ساختارها، حجم هر تیرک یا دیواره آن‌قدر کوچک است که جمعیت عیوب حجیم (مانند ترک‌های میکروسکوپی و حفرات تصادفی) عملاً حذف یا بسیار کم می‌شود و در نتیجه، استحکام محلی هر عنصر شبکه به حد نظری مادهٔ پایه نزدیک می‌شود. ترکیب این اثر با طراحی معماری مناسب، منجر به موادی می‌شود که در عین جرم بسیار کم، استحکام و سختی در حد فلزات مهندسی دارند.

 انواع معماری شبکه‌ای (نمونه‌های رایج) 
در نانو‌لتیس‌ها مانند دیگر مواد سلولی، انتخاب معماری شبکه‌ای (توپولوژی واحد سلولی و نوع اعضا) نقش تعیین‌کننده‌ای در رفتار مکانیکی دارد. چند خانوادهٔ رایج به‌طور خلاصه عبارت‌اند از:

 ساختارهای تیرمحور (Beam-based): در این سامانه‌ها شبکه از تیرک‌های نازک تشکیل شده است و بارگذاری عمدتاً از طریق خمش و کشش/فشار در تیرها منتقل می‌شود. این نوع معماری از نظر طراحی و ساخت (به‌ویژه با نوشتار لیزری مستقیم) ساده‌تر است، اما در بسیاری از توپولوژی‌ها رفتار خمش‌محور دارد و بنابراین سختی ویژهٔ آن نسبت به شبکه‌های صفحه‌محور محدودتر است.
 ساختارهای صفحه‌محور یا پوسته‌ای (Shell‑based / Plate-based): در این گروه، واحد سلولی از دیواره‌ها و صفحات نازک تشکیل می‌شود و تبدیل انرژی مکانیکی عمدتاً از طریق خمش یا کشش در این پوسته‌ها انجام می‌گیرد. نتایج پژوهش‌های عددی و تجربی نشان داده است که «نانو‌لتیس‌های صفحه‌ای» می‌توانند به کران‌های نظری سختی و استحکام، مانند کران‌های هاشین–شتریکمن و سوکه، بسیار نزدیک شوند و از بسیاری از مواد سلولی تیرمحور متعارف کاراتر باشند.
 سلول‌های تکرارشوندهٔ کلاسیک: بسیاری از نانو‌لتیس‌ها بر پایهٔ واحدهای سلولی شناخته‌شده مانند مکعبی، هشت‌وجهی و شبکه‌های نزدیک به ساختارهای BCC و FCC طراحی می‌شوند. این هندسه‌ها، اجازه می‌دهند رابطهٔ بین دانسیتهٔ نسبی، مدول مؤثر و استحکام ویژه با استفاده از مدل‌های تحلیلی مواد سلولی پیش‌بینی شود.

 روش‌های ساخت و سنتز 
چپ|بندانگشتی|نمونه‌ای از شماتیک فرایند ساخت افزایشی (برای مقایسهٔ مفهومی با مسیرهای تولید ساختارهای شبکه‌ای)
ساخت نانو‌لتیس‌ها معمولاً چندمرحله‌ای است. مسیر رایج این است که ابتدا قالب پلیمری سه‌بعدی ساخته می‌شود و سپس با پس‌فرآوری به نانو‌لتیس سرامیکی/فلزی/کربنی تبدیل می‌گردد.

 ۱) چاپ قالب پلیمری با لیتوگرافی چندفوتونی و نوشتار لیزری مستقیم 
در بسیاری از کارها ابتدا یک قالب پلیمری سه‌بعدی با استفاده از روش‌هایی مانند لیتوگرافی چندفوتونی (Multiphoton lithography) یا نوشتار لیزری مستقیم (Direct laser writing) ساخته می‌شود. در این فناوری‌ها یک لیزر متمرکز، نقاط کوچکی از رزین فوتوپلیمری را در حجم ماده پلیمریزه می‌کند و سازه به‌صورت لایه‌به‌لایه یا نقطه‌به‌نقطه شکل می‌گیرد. این خانواده از فناوری‌های چاپ افزایشی امکان تولید واحدهای سلولی با ابعاد در حد ده‌ها نانومتر را فراهم کرده‌اند و به همین دلیل، زیرساخت اصلی ساخت نانو‌لتیس‌های سه‌بعدی محسوب می‌شوند.

 ۲) لایه‌نشانی و تبدیل ماده (پس‌فرآوری) 
پس از ساخت قالب پلیمری، معمولاً یکی از مسیرهای پس‌فرآوری زیر برای تبدیل آن به نانو‌لتیس نهایی به‌کار می‌رود:

 لایه‌نشانی اتمی (ALD): در این روش، لایه‌های بسیار نازک و یکنواختی از سرامیک یا فلز روی سطح تیرک‌ها و دیواره‌های قالب پلیمری نشانده می‌شود. سپس با حذف یا سوختن هستهٔ پلیمری، یک شبکهٔ توخالی پوشش‌دار باقی می‌ماند که ضخامت دیواره‌ها و ترکیب شیمیایی‌اش به‌خوبی قابل کنترل است.
 پیرولیز: در این مسیر، قالب پلیمری در جوّ بی‌اثر یا خلأ گرم می‌شود و به کربن شیشه‌ای یا مواد سرامیکی تبدیل می‌گردد. پیرولیز می‌تواند با انقباض قابل‌توجه شبکه همراه باشد، به‌طوری‌که ابعاد اجزای شبکه کوچک‌تر و در مواردی حتی «نانوتر» شوند؛ این ویژگی برای دست‌یابی به ابعاد بسیار کوچک و نزدیک شدن به حد نظری استحکام مفید است.
 آبکاری شیمیایی (الکتروشیمیایی یا الکترولس (Electroless plating)): در برخی طرح‌ها، از رسوب‌دهی الکتروشیمیایی یا الکترولس برای پوشش‌دادن قالب پلیمری با فلز یا کامپوزیت استفاده می‌شود تا در نهایت شبکه‌های فلزی یا کامپوزیتی سه‌بعدی با معماری نانو‌لتیس حاصل شود.

 ۳) مسیرهای جایگزین و نوظهور 
علاوه بر مسیرهای مبتنی بر چاپ افزایشی، پژوهش‌های نوظهوری به‌دنبال استفاده از خودآرایی و سامانه‌های زیست‌الگو برای ساخت نانو‌لتیس‌ها هستند. نمونه‌ای از این رویکردها، استفاده از ساختارهای DNA‑origami به‌عنوان داربست یا الگو برای ایجاد شبکه‌های نانومقیاس سه‌بعدی است که به‌عنوان یک مسیر بالقوه برای عبور از چالش مقیاس‌پذیری و تولید ساختارهای وسیع‌تر با جزئیات نانومتری مطرح شده است.

 خواص مکانیکی و فیزیکی 
چپ|بندانگشتی|نمونه‌ای از منحنی‌های تنش–کرنش در آزمون فشاری چرخه‌ای برای یک ساختار شبکه‌ای فلزی 
بزرگ‌ترین جذابیت نانو‌لتیس‌ها نسبت بسیار بالای «استحکام/سختی به وزن» است. نانو‌لتیس‌ها در حال حاضر یکی از قوی‌ترین مواد سلولی شناخته‌شده محسوب می‌شوند و با وجود این‌که ۵۰ تا ۹۹ درصد حجم آن‌ها هوا است، از نظر مکانیکی مقاوم‌اند و می‌توانند خواصی مانند استحکام، سختی و تحمل آسیب را در دامنه‌ای فراتر از مواد سلولی متعارف نشان دهند. در برخی معماری‌های بهینه، نسبت استحکام به چگالی (استحکام ویژه) در محدوده‌ای قرار می‌گیرد که با فولادهای قوی یا سوپرآلیاژها قابل مقایسه، و حتی در بعضی موارد بالاتر است.

 اثر اندازه (Size effect) و کاهش حساسیت به عیب 
یکی از توضیح‌های کلیدی برای عملکرد بالای نانو‌لتیس این است که وقتی حجم هر عضو شبکه بسیار کوچک می‌شود، جمعیت آماری عیوب بحرانی (ترک‌ها، حفره‌ها و نقص‌های بزرگ) در هر عضو کاهش می‌یابد و در نتیجه استحکام محلی می‌تواند به مقادیر نزدیک‌تر به «حد نظری مادهٔ پایه» برسد. این ایده در نمونه‌های سرامیکیِ توخالی نیز مطرح است؛ جایی که معماری مناسب و مقیاس نانو باعث می‌شود شکست تردِ معمول سرامیک‌ها به‌شکل چشمگیری مهار شود.

 برگشت‌پذیری و تحمل کرنش‌های بزرگ 
یکی از ویژگی‌های شگفت‌انگیز نانو‌لتیس‌ها، به‌ویژه در سامانه‌های سرامیکی، توانایی تحمل کرنش‌های فشاری تا حدود ۸۰٪ و سپس بازیابی تقریباً کامل شکل اولیه پس از باربرداری است. این رفتار ناشی از ترکیب تغییر شکل الاستیک بزرگ در تیرک‌های نانومقیاس و طراحی معماری است که اجازه می‌دهد شبکه بدون شکست شکننده فروبپاشد و دوباره جمع شود. چنین رفتاری برای یک سرامیک توده‌ای معمولاً ممکن نیست و همین موضوع یکی از دلایل اصلی توجه به نانو‌لتیس‌ها در مهندسی سازه‌های سبک و جذب‌کنندهٔ انرژی است.

 متامتریال‌های مکانیکی 
با تنظیم هندسهٔ واحد سلولی، نانو‌لتیس‌ها می‌توانند رفتارهایی مانند نسبت پواسون منفی (اکستیک) یا مدول حجمی بسیار بزرگ همراه با دانسیتهٔ پایین (رفتار شبه‌سیال سخت – meta‑fluidic) از خود نشان دهند که در مواد متعارف مشاهده نمی‌شود.

 نزدیک‌شدن به کران‌های نظری سختی و استحکام 
مطالعه‌ای در Nature Communications (۲۰۲۰) با معرفی «نانو‌لاتیس‌های صفحه‌ای» نشان داد که معماری سلول‌های بستهٔ صفحه‌ای می‌تواند شبکه را به کران‌های نظری سختی و استحکام برای مواد همسانگرد نزدیک کند (کران‌های هاشین–شتریکمن و سوکه).

 خواص حرارتی و الکترومغناطیسی 
به دلیل توخالی‌بودن و ساختار شبکه‌ای، نانو‌لتیس‌ها می‌توانند در عین داشتن مدول و استحکام بالا، رسانایی حرارتی بسیار پایینی داشته باشند و به‌عنوان عایق‌های حرارتی با بارپذیری مکانیکی بالا مطرح شوند. از سوی دیگر، طراحی معماری و انتخاب مادهٔ پایه اجازه می‌دهد ویژگی‌های متامتریال الکترومغناطیسی، مانند ضریب شکست مؤثر مهندسی‌شده یا حتی «پنهان‌سازی اپتیکی» در فرکانس‌های خاص، به‌دست آید.

 مواد پایه و نمونه‌های رایج 
نانو‌لاتیس‌ها می‌توانند از مواد گوناگون ساخته شوند:

 کربن (اغلب پس از پیرولیز قالب پلیمری)؛
 سرامیک‌ها (برای پایداری دمایی و سختی بالا)؛
 فلزها (برای چقرمگی، رسانایی و کرنش‌پذیری بیشتر)؛
 کامپوزیت‌ها و مواد پوشش‌دار توخالی.

انتخاب مادهٔ پایه به کاربرد هدف وابسته است؛ مثلاً برای عایق‌های باربر، رسانایی گرمایی و پایداری اهمیت دارد، و برای قطعات الکتروشیمیایی، رسانایی الکتریکی و سطح ویژه مهم‌تر است.

 کاربردها 
کاربردهای اولیهٔ محتمل برای نانو‌لتیس‌ها «قطعات کوچک و کم‌تیراژ» ذکر می‌شود که به ترکیب‌های خاصی از خواص نیاز دارند؛ از جمله زیست‌پزشکی، سامانه‌های ریزسیال، قطعات هوافضا و کاربردهای الکتروشیمی‌محور.

 پزشکی و مهندسی بافت 
در مهندسی بافت، داربست‌های متخلخلِ منظم برای هدایت رشد سلول، انتقال مواد و تنظیم سختی محیط مفید هستند. 

به‌دلیل قابلیت تنظیم ترکیب خواص مکانیکی، حرارتی و نفوذ‌پذیری، اولین بازارهای هدف برای نانو‌لتیس‌ها در مقیاس کوچک شامل:

 اجزای میکرومکانیکی،
 داربست‌های بافتی و ایمپلنت‌های سبک و مستحکم،
 بسترهای میکروسیال و الکتروشیمیایی،

پیش‌بینی می‌شود.
بندانگشتی|229x229پیکسل|شماتیک پنل ساندویچی کامپوزیتی با پوسته‌ها و هستهٔ هانی‌کامب (کاربرد رایج در سازه‌های سبک)

 هوافضا و سازه‌های سبک 
در صنعت هوافضا، کاهش جرم به کاهش مصرف سوخت و افزایش کارایی کمک می‌کند و استفاده از نانو‌لتیس‌ها در بخش‌هایی که نیاز به ترکیب «جرم بسیار کم» و «تحمل بار بالا» دارند، می‌تواند به کاهش چشمگیر وزن و صرفه‌جویی در انرژی منجر شود. کاربردهای مطرح شامل اجزای داخلی بدنه، هستهٔ ساندویچی در پنل‌ها و المان‌های جذب انرژی ضربه است.

 انرژی و عایق‌کاری 
به‌دلیل رسانایی حرارتی پایین و نسبت استحکام به وزن بالا، نانو‌لتیس‌ها برای کاربردهایی مانند عایق‌های حرارتی باربر، الکترودهای سه‌بعدی در باتری‌ها و ابرخازن‌ها و سازه‌های سبک در سامانه‌های انرژی پیشرفته مورد توجه قرار گرفته‌اند.

 چالش‌ها و چشم‌انداز 
با وجود پیشرفت‌ها، نانو‌لاتیس‌ها هنوز عمدتاً در مقیاس آزمایشگاهی توسعه می‌یابند. چالش‌های کلیدی عبارت‌اند از:

 حفظ اثر اندازه در ابعاد بزرگ‌تر: چالش اصلی در توسعهٔ نانو‌لتیس‌ها این است که چگونه در حین افزایش ابعاد قطعه، ویژگی‌های وابسته به مقیاس نانو حفظ شود. رویکردهای پیشنهادی شامل ترکیب فرآیندهای حجیم (Bulk) با پوشش‌دهی لایه‌نازک است تا چارچوب توخالی در مقیاس نانو حفظ شود و در عین حال ابعاد کلی سازه برای کاربردهای مهندسی بزرگ‌تر گردد.
 مقیاس‌پذیری و سرعت ساخت: روش‌های دقیق (مانند چاپ چندفوتونی) کند هستند و تولید قطعات بزرگ زمان‌بر است.
 کنترل عیوب ساخت و یکنواختی: در مقیاس نانو، نقص در گره‌ها یا ناهمگنی ضخامت می‌تواند عملکرد را تغییر دهد.
 هزینهٔ تجهیزات: تجهیزات لیتوگرافی/چاپ نانومقیاس هزینه‌بر است.

پژوهش‌های جدید به سمت معماری‌های بهینه‌تر (مانند صفحه‌نانو‌لتیس‌ها)، روش‌های موازی‌سازی چاپ، و همچنین راهبردهای خودآرایی و زیست‌الگو حرکت کرده‌اند تا مسیر صنعتی‌سازی هموارتر شود.

 جستارهای وابسته 

 نانوفناوری
 نانومواد
 علم مواد
 مواد متخلخل
 چاپ سه‌بعدی
 آئروژل
 میکروسکوپ الکترونی روبشی

 پیوند به بیرون 

 مقالهٔ Nanolattice در ویکی‌پدیای انگلیسی
 مقاله لیتوگرافی چندفوتونی در ویکی‌پدیای انگلیسی
 مقالهٔ Science (۲۰۱۴): نانو‌لاتیس‌های سرامیکی سبک و بازیاب‌پذیر
 مقالهٔ Nature Communications (۲۰۲۰): نانو‌لاتیس‌های صفحه‌ای در حد نظری سختی/استحکام
 مقالهٔ مروری Advanced Materials (۲۰۱۷): نانو‌لاتیس‌ها و متامتریال‌های مکانیکی
 مرور دسترس‌آزاد دربارهٔ لیتوگرافی دو/چندفوتونی (۲۰۲۳)

 منابع 

رده:علم مواد
رده:نانوذرات