ナノフォーム
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ナノ構造材料

ナノフォームは、直径100 nm未満の細孔を多数含むナノ構造多孔質材料（フォーム）の一種です。エアロゲルはナノフォームの一例です。[1]

金属

概要

金属ナノフォームはナノフォームのサブカテゴリであり、より具体的には、多くの場合純粋な金属からなるナノフォームが、相互に連結したネットワーク状の靭帯を形成してフォームの構造を形成します。銅、ニッケル、金、白金など、様々な金属が使用されています。[2]金属ナノフォームは、他のポリマーナノフォームに比べていくつかの利点を持つ可能性があります。構造的には、金属の導電性を維持し、延性を高め、ナノフォームが提供する高い表面積とナノ構造特性を備えています。[2]

製造

金属ナノフォームの合成は様々な方法で行うことができる。2006年には、研究者らが高エネルギー金属ビス（テトラゾラト）アミン錯体のペレットを点火することで金属ナノフォームを生成した。この技術を用いて、鉄、コバルト、ニッケル、銅、銀、パラジウムのナノフォームが作製された。これらの材料は、密度が11 mg/cm 3と低く、表面積が258 m 2 /gと高い。これらのフォームは効果的な触媒[3]や電気触媒担体[4]として利用できる。また、金属ナノフォームは、3D多孔質陽極酸化アルミニウム（AAO）などの相互接続された細孔を有するテンプレート内部に金属を電着させることによっても作製できる。[5] [6] [7]このような方法により、組織化された構造を持つナノフォームが得られ、作製された材料の表面積と多孔度を制御することができる。[8] [9] [10]

2016年の研究では、低温・高圧マイクロ波溶媒熱法を用いて純銅、銀、ニッケル金属ナノフォームを製造する方法が検討されました。このプロセスは、無害で、斬新かつ簡便であり、廃棄物が少なく低コストな製造方法であることを強調しています。[11]

さらに、2020年の出版物では、改良された真空熱蒸着法を用いて銀、金、銅、パラジウムからナノフォームフィルムを合成することに成功したと報告されている。[12]

アプリケーション

金属ナノフォームは、触媒、 [13] 、 水素貯蔵、[14] 、燃料電池[15 ]など、幅広い用途に使用されています。さらに、金属ナノフォームの電気触媒としての応用も実り多いもので、ニッケル-鉄ナノフォーム触媒は、優れた電気触媒性能を示すだけでなく、水を分解して水素原子を分離できることが証明されています。[16]クリーンエネルギー産業、特にリチウムイオン電池やその他の燃料電池への応用についても議論されています。[11]

生体高分子

概要

完全に多孔質のナノフォームバイオポリマーの製造を議論した文献は少ないが、最近の取り組みにより、バイオポリマー上にナノフォーム表面が形成されるようになった。[17]これらの例では、コラーゲンやゼラチン[18] 、キトサン[19]、純粋なクルクミン[17]などのバイオポリマーがさまざまな程度に使用されている。

製造

2008年の研究では、フェムト秒レーザー照射を用いて透明材料に恒久的な空間配置を作り出す方法、特にコラーゲンやクルクミンなどのバイオポリマー上に単一の発泡層を形成する方法について調査しました。[17]これらの表面を発泡させることで、細胞接着能力、細胞構造による液体の透過性、ナノスケール繊維の形成など、材料の能力を向上させる可能性のある様々な表面改質がもたらされます。[19]

さらに、キトオリゴ糖のアシル塩支援熱分解プロセスを通じて、鉄-窒素共ドープカーボンナノフォームを製造することを目的とした。[20]

アプリケーション

発泡バイオポリマーは、その表面特性の改変により、バイオメディカルおよび医薬品産業において多様な用途が期待されています。例えば、表面にクルクミンを滴下したゼラチンフィルムは、発泡後にアブレーションに対する耐性が向上しました。この耐性は、クルクミンがタンパク質と結合してフリーラジカルから保護する作用と、その抗酸化作用に起因すると考えられています。[17]これらの知見は、プラズマ照射によるこれらの改変により、より高度な細胞手術やバイオポリマーの製造全般に影響を及ぼす可能性があります。[17]

銀

概要

銀ナノフォームは、主に銀からなる特殊な金属ナノフォームであり、抗菌性と電気特性において独自の評価を得ています。これらの銀ナノフォームの多くは、銀とアルミニウムなどの他の金属との合金です。 [21]階層的な多孔質構造を持つ銀ナノフォームは、現代の研究開発の焦点となっています。ろ過、空気管理、電気システムへの応用など、機械工学、化学工学、生物医学工学の分野で多くの用途があります。

製造

基本原理は、異なるサイズの細孔を（より小さな細孔のおかげで）大きな表面積を持つ材料に統合し、それによって効率的な分子輸送（より大きな細孔が必要）を可能にすることです。これらの材料を製造するプロセスは、一般的に大孔フォームの製造に用いられる複製法と、一般的に小孔フォームの製造に用いられる選択溶解法を組み合わせたものです。[21]

階層的多孔質構造を有する銀フォームは、以下の3段階の方法で製造される。[21]

(i) 大きな球状NaCl粒子を詰め込み、明確な負の空間ネットワークを持つ硬質テンプレートを作成する。次に、このネットワークを液体Al-25Agで満たす。  

（ii）NaClテンプレートを水溶解により除去してAl−25Agマクロ多孔質フォームを形成する。

(iii) HClまたはNaOH水溶液を用いた化学反応によりAlを多く含む相を溶解し、最終的なAgフォームを形成する。これにより、フォームのナノスケールの細孔が形成される。

アプリケーション

銀イオンは強力な抗菌作用を示し、グラム陽性菌およびグラム陰性菌の増殖に影響を及ぼすことが示されています。これは、銀イオンが細菌細胞内のタンパク質または酵素とリガンド複合体を形成する能力によるものです。 [21]この独自の特性により、これらのナノフォームは細菌やその他の微生物をろ過するように設計された優れた空気フィルターを形成し、このレベルのろ過は従来のHCl類似体よりも効果的であることが示されました。[21]

これらの銀ナノフォームは、 CO2からCOへの還元反応のための電気触媒としても使用されています。平均して銀ナノフォームは広い電位ウィンドウ（-0.5～-1.2 VRHE）で90%以上のFECOを維持できることがわかっており、最大CO選択電流密度33 mA cm−2と質量活性23.5 A gAg−1を可能にしました。これは、最近報告された金属フォームベースの電気触媒の中で最高の値です。[22]

炭素

概要

カーボンナノフォームは、 1997年に発見された炭素の同素体です。[23]その構造は、エアロゲルに似た、緩やかな三次元網目構造で繋がれた炭素原子のクラスター集合体で構成されています。この材料の密度は2～10 mg/cm 3 (0.0012 lb/ft 3 )で、現在までに最も軽い材料の一つです。[23] [24] [25] [26] [27]

製造

カーボンナノフォームの形成方法は複数あります。パルスレーザー堆積法（PLD）は、カーボンナノフォームの合成に初めて使用された技術であり[23]、密度と形態を制御したカーボンナノフォームを製造するための最も汎用性の高い方法の一つと考えられています[27] 。パルスレーザー堆積法によるナノフォームの成長プロセスは、「降雪のような」メカニズムで説明されています。 [26]

（i）炭素ナノ粒子は、グラファイトターゲットのレーザーアブレーションによって直接的に、または背景大気の存在によって 生成される。

（ii）ナノ粒子は、堆積チャンバー内で飛行中に成長する マイクロメートルサイズのフラクタル状の凝集体を形成します。

（iii）フラクタル状の集合体が、雪片が地面に着地する のと同じように、適切な基質に着地する

（iv）フラクタル状の集合体を積層することで、空隙の多い網目状のナノフォームが得られる。


PLD 合成の最も一般的な代替手段のうち 2 つを以下に説明します。

セルロース ナノファイバー（CNF）は次のようにしてナノフォームに構築された。[28]

（i）リサイクル牛乳容器用板紙を深共晶溶剤（DES）で前処理し、繊維化させた。

(ii) 前処理したボードを簡単な凍結乾燥処理にかけ、ナノフォームの形状を形成した。

(iii) 次に、シアリル化剤によって繊維の疎水性が高められ、構造が強化されます。

多孔質カーボンナノフォームは次のように作製された。[29]

(i)ピッチとCaCO 3（1:14の比率）を塩化メチレンに溶解し、10mLのNaClを加えた。混合物を連続的に撹拌した。

（ii）サンプルは室温で自然乾燥させた。

(iii) 試料は600℃で2時間炭化された。加熱速度は毎分2℃であった。

（iv）炭化構造を1M HClで洗浄し、余分なCaCO 3ナノ粒子を除去します。

アプリケーション

カーボンナノフォームは、太陽熱蒸気発生器として優れた用途があることが示されています。優れた光吸収性、良好な熱安定性、低密度、低熱伝導性を備えており、これらはすべて太陽光発電器にとって重要な要素です。実験では、カーボンナノフォームは優れた太陽光光熱性能を示し、1回の太陽光照射で1.68 kg/mの蒸発速度を達成しました。[29]

さらに、カーボンナノフォームは極めて効率的なエアロゾルフィルターの開発にも利用されています。研究者たちは、リサイクルされた牛乳パックから採取したセルロースナノファイバーを用いて、360nm未満の粒子に対して0.7重量%のナノフォームサンプルを用いた試験で非常に高いろ過効率（99.5%以上）を達成したカーボンナノフォームを開発しました。この効率値は、N95マスクの標準要件を満たしています。このナノフォームフィルターの構造は、高粒子濃度の粒子を処理する際に、通常のフィルターよりも優れた性能を発揮します[28]。

ガラス

2014年には、フェムト秒レーザーアブレーションによってガラスナノフォームを作製した研究者もいる。彼らの研究は、ガラス表面をフェムト秒レーザーパルスでラスタースキャンし、直径約70nmのワイヤーを持つガラスナノフォームを作製するというものである。[30]

参照

参考文献

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