Nanofibrer - polymerfilament som bara är ett par hundra nanometer i diameter - har ett stort antal potentiella tillämpningar, från solceller till vattenfiltrering till bränsleceller. Men hittills, deras höga tillverkningskostnad har förvisat dem till bara några få nischbranscher.

I senaste numret av tidskriften Nanoteknik , MIT-forskare beskriver en ny teknik för att producera nanofibrer som ökar produktionstakten fyra gånger samtidigt som energiförbrukningen minskar med mer än 90 procent, med utsikterna till billiga, effektiv nanofiberproduktion.

"Vi har visat ett systematiskt sätt att producera nanofibrer genom elektrospinning som överträffar den senaste tekniken, " säger Luis Fernando Velásquez-García, en huvudforskare vid MIT:s Microsystems Technology Laboratories, som ledde det nya arbetet. "Men sättet det görs på öppnar en mycket intressant möjlighet. Vår grupp och många andra grupper arbetar för att driva 3D-utskrift ytterligare, för att göra det möjligt att skriva ut komponenter som transducerar, som aktiverar, som utbyter energi mellan olika domäner, som solenergi till elektrisk eller mekanisk. Vi har något som naturligt passar in i den bilden. Vi har en rad sändare som kan ses som en matrisskrivare, där du skulle kunna kontrollera varje sändare individuellt för att skriva ut avlagringar av nanofibrer."

Trasslig berättelse

Nanofibrer är användbara för alla tillämpningar som drar nytta av ett högt förhållande mellan ytarea och volym – solceller, till exempel, som försöker maximera exponeringen för solljus, eller bränslecellselektroder, som katalyserar reaktioner på deras ytor. Nanofibrer kan också ge material som är genomsläppliga endast i mycket små skalor, som vattenfilter, eller som är anmärkningsvärt tuffa för sin vikt, som kroppsrustningar.

Standardtekniken för tillverkning av nanofibrer kallas elektrospinning, och den finns i två varianter. I den första, en polymerlösning pumpas genom ett litet munstycke, och sedan sträcker ett starkt elektriskt fält ut det. Processen är långsam, dock, och antalet munstycken per ytenhet begränsas av storleken på pumpens hydraulik.

Det andra tillvägagångssättet är att applicera en spänning mellan en roterande trumma täckt av metallkoner och en kollektorelektrod. Konerna doppas i en polymerlösning, och det elektriska fältet får lösningen att resa till toppen av konerna, där det sänds ut mot elektroden som en fiber. Det tillvägagångssättet är oberäkneligt, dock, och producerar fibrer med ojämna längder; det kräver också spänningar så höga som 100, 000 volt.

Tänker litet

Velásquez-García och hans medförfattare—Philip Ponce de Leon, en före detta magisterstudent i maskinteknik; Frances Hill, en tidigare postdoc i Velásquez-Garcías grupp som nu är på KLA-Tencor; och Eric Heubel, en aktuell postdoc – anpassa det andra tillvägagångssättet, men i mycket mindre skala, använda tekniker som är vanliga vid tillverkning av mikroelektromekaniska system för att producera täta grupperingar av små sändare. Strålarnas ringa storlek minskar den spänning som krävs för att driva dem och gör att fler av dem kan packas ihop, ökande produktionstakt.

På samma gång, en nubbig textur etsad in i sändarens sidor reglerar hastigheten med vilken vätska strömmar mot deras spetsar, ger enhetliga fibrer även vid höga tillverkningshastigheter. "Vi gjorde alla typer av experiment, och alla visar att utsläppet är enhetligt, " säger Velásquez-García.

Att bygga sina utsläppare, Velásquez-García och hans kollegor använder en teknik som kallas djup reaktiv jonetsning. På vardera sidan av en silikonwafer, de etsar täta uppsättningar av små rektangulära kolumner – tiotals mikrometer tvärs över – som kommer att reglera vätskeflödet upp på sidorna av strålarna. Sedan skar de sågtandsmönster ur rånet. Sågtänderna är monterade vertikalt, och deras baser är nedsänkta i en lösning av avjoniserat vatten, etanol, och en löst polymer.

När en elektrod är monterad mittemot sågtänderna och en spänning appliceras mellan dem, vatten-etanolblandningen strömmar uppåt, dra med sig polymerkedjor. Vattnet och etanolen löses snabbt upp, lämnar en härva av polymerfilament mittemot varje emitter, på elektroden.

Forskarna kunde packa 225 sändare, flera millimeter lång, på ett fyrkantigt chip ca 35 millimeter på en sida. Vid den relativt låga spänningen på 8, 000 volt, den enheten gav fyra gånger så mycket fiber per ytenhet som de bästa kommersiella elektrospinningsenheterna.

Verket är "ett elegant och kreativt sätt att demonstrera den starka förmågan hos traditionella MEMS [mikroelektromekaniska system] tillverkningsprocesser mot parallell nanotillverkning, " säger Reza Ghodssi, professor i elektroteknik vid University of Maryland. I förhållande till andra tillvägagångssätt, han lägger till, det finns "en ökad potential att skala upp det samtidigt som den integritet och noggrannhet som bearbetningsmetoden tillämpas med bibehålls."

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.