Nanofibrer - materialsträngar som bara är ett par hundra nanometer i diameter - har ett stort antal möjliga tillämpningar:ställningar för biotekniska organ, ultrafina luft- och vattenfilter, och lätt kevlar kroppsrustning, för att nämna några stycken. Men hittills, kostnaden för att producera dem har överlämnat dem till ett fåtal high-end, nischapplikationer.

Luis Velásquez-García, en huvudforskare vid MIT:s Microsystems Technology Laboratories, och hans grupp hoppas kunna ändra på det. Vid den internationella workshopen om mikro- och nanoteknik för kraftgenerering och energiomvandlingstillämpningar i december, Velásquez-García, hans elev Philip Ponce de Leon, och Frances Hill, en postdoc i sin grupp, kommer att beskriva ett nytt system för spinning av nanofibrer som ska erbjuda betydande produktivitetsökningar samtidigt som energiförbrukningen drastiskt minskar.

Genom att använda tillverkningstekniker som är vanliga inom mikrochipsindustrin, MTL-forskarna byggde en rad koniska spetsar på en kvadratcentimeter, som de nedsänkte i en vätska innehållande en löst plast. De applicerade sedan en spänning på matrisen, producerar ett elektrostatiskt fält som är starkast i spetsarna av konerna. I en teknik som kallas elektrospinning, konerna skjuter ut den lösta plasten som en ström som stelnar till en fiber som bara är 220 nanometer i diameter.

I sina experiment, forskarna använde en uppsättning av kottar fem gånger fem, som redan ger en sjufaldig ökning av produktiviteten per kvadratcentimeter jämfört med även de bästa befintliga metoderna. Men, Velásquez-García säger, det borde vara relativt enkelt att packa fler kottar på ett chip, öka produktiviteten ännu mer. Verkligen, han säger, i tidigare arbete med en liknande teknik som kallas elektrospray, hans labb kunde packa in nästan tusen sändare på en enda kvadratcentimeter. Och flera arrayer kan kombineras i en panel för att ytterligare öka avkastningen.

Ytor, från början

Eftersom den nya tidningen förbereddes för en energikonferens, den fokuserar på energitillämpningar. Men nanofibrer kan vara användbara för alla enheter som behöver maximera förhållandet mellan ytarea och volym, säger Velásquez-García. Kondensatorer – kretskomponenter som lagrar elektricitet – är ett exempel, eftersom kapacitansen skalar med ytan. Elektroderna som används i bränsleceller är en annan, eftersom ju större elektrodernas yta, desto mer effektivt katalyserar de reaktionerna som driver cellen. Men nästan vilken kemisk process som helst kan dra nytta av att öka katalysatorernas yta, och att öka ytan på konstgjorda organställningar ger celler fler punkter att fästa vid.

En annan lovande tillämpning av nanofibrer är i maskor så fina att de bara tillåter partiklar i nanoskala att passera igenom. Exemplet i den nya artikeln kommer återigen från energiforskningen:membranen som separerar halvorna av en bränslecell. Men liknande maskor kan användas för att filtrera vatten. Sådana applikationer, Velásquez-García säger, beror mycket på konsistensen i fiberdiametern, ett annat avseende där den nya tekniken erbjuder fördelar jämfört med sina föregångare.

Befintliga elektrospinningstekniker förlitar sig i allmänhet på små munstycken, genom vilken den lösta polymeren tvingas. Variationer i driftsförhållanden och i formen på munstyckena kan orsaka stor variation i fiberdiametern, och munstyckenas hydraulik gör att de inte kan packas lika tätt ihop. Ett fåtal tillverkare har utvecklat fiberspinningsenheter som använder elektrostatiska fält, men deras utsändare görs med mycket råare processer än de chiptillverkningstekniker som MTL-forskarna utnyttjade. Som en konsekvens, inte bara är uppsättningarna av spetsar mycket mindre täta, men enheterna förbrukar mer ström.

"Det elektrostatiska fältet förstärks om spetsdiametern är mindre, " säger Velásquez-García. "Om du har tips på, säga, millimeter diameter, sedan om du lägger på tillräckligt med spänning, du kan utlösa joniseringen av vätskan och spinnfibrerna. Men om du kan göra dem skarpare, då behöver du mycket mindre spänning för att uppnå samma resultat."

Elegant flätning

Användningen av mikrotillverkningsteknik gjorde det inte bara möjligt för MTL-forskarna att packa sina koner tätare och vässa sina spetsar, men det gav dem också mycket mer exakt kontroll över strukturen på konernas ytor. Verkligen, sidorna av konerna har en nubby textur som hjälper konerna att suga upp vätskan i vilken polymeren är löst. I pågående experiment, forskarna har också täckt kottarna med vad Velásquez-García beskriver som en "ull" av kolnanorör, vilket borde fungera bättre med vissa typer av material.

Verkligen, Velásquez-García säger, hans grupps resultat beror inte bara på utformningen av själva sändaren, men på en exakt balans mellan konernas struktur och deras strukturerade beläggning, styrkan hos det elektrostatiska fältet, och sammansättningen av vätskebadet i vilket konerna är nedsänkta.

"Att tillverka exakt identiska sändare parallellt med hög precision och mycket genomströmning - detta är deras huvudsakliga bidrag, enligt min åsikt, " säger Antonio Luque Estepa, en docent i elektroteknik vid universitetet i Sevilla som är specialiserad på elektrosprayavsättning och elektrospinning. "Att tillverka en är lätt. Men 100 eller 1, 000 av dem, det är inte så lätt. Många gånger finns det problem med interaktioner mellan en utgång och utgången bredvid."

Den mikrotillverkningsteknik som Velásquez-Garcías grupp använder, Luque tillägger, "begränsar inte antalet utgångar som de kan integrera på ett chip." Även om i vilken utsträckning gruppen kan öka emitterdensiteten återstår att se, Luque säger, han är övertygad om att "de kan göra en tiofaldig ökning jämfört med vad som är tillgängligt just nu."

Den här historien återpubliceras med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT-forskning, innovation och undervisning.