En forskargrupp från Institutet för teoretisk och experimentell biofysik vid den ryska vetenskapsakademin har syntetiserat ett material som är perfekt för skydd av andningsorgan, analytisk forskning och andra praktiska syften. Ett nästan viktlöst tyg av nylonfiber med en diameter mindre än 15 nm slår något annat liknande material när det gäller filtrering och optiska egenskaper.
Forskarna, vars verk publiceras i European Polymer Journal , karakterisera deras material som lätt (10-20 mg/m2), nästan osynlig (95 procent ljustransmission, mer än fönsterglas), visar lågt motstånd mot luftflöde och effektiv avlyssning av <1 mikrometer fina partiklar.
"Nanofibrer" är mer än ett modeord i forskarnas artikel. Tidigare, samma team visade att minskning av fiberdiameter från 200 nm till 20 nm minskade filtermotståndet mot luftflöde med två tredjedelar, och att denna effekt inte längre kunde förklaras av klassisk aerodynamik. När ett hinder är mindre än den fria vägen för gasmolekyler, standardmetoderna som uppskattar aerodynamiskt motstånd baserat på kontinuitetsteorin fungerar inte längre. Under normala förhållanden, den fria medelvägen för luftmolekyler är 65 nm.
Den genomsnittliga fria vägen är det genomsnittliga avståndet en molekyl täcker innan den kolliderar med en annan. Om alla hinder är större än detta värde, den fria strömmen som kommer mot dem kan betraktas som ett kontinuerligt medium.
Forskarna använde en teknik som kallas elektrospinning där en stråle av en upplöst polymer matas ut genom ett speciellt munstycke riktat mot ett mål under påverkan av ett elektriskt fält. Etanol elektrosprayas från motsatt sida. Polymerstrålen och alkoholjonerna tar motsatta elektriska laddningar. Kolliderar i luften, de bildar ultratunna fibrösa filmer. Elektrospinningsteknik som ett sätt att tillverka fiberfiberfilter utvecklades redan på 1950-talet för att rena luft i atomindustrin. Dock, forskarna introducerade en viktig förbättring. Istället för att erhålla nanomater på ett fast ledande substrat, den nya tekniken producerade ett fritt filter som täckte ett 55 mm hål i en icke-ledande polykarbonatskärm.
Det publicerade arbetet avslutar cykeln av författarnas uppsatser för utveckling av tillverkningsteknik och studier av nanofilter som tillverkats med denna nya process. De unika optiska och filtrerande egenskaperna härrör från en speciell mekanism för att "läka" hål och defekter i fristående filter. Sådana hål lockar bokstavligen fibrer som landar på filterytan. Som ett resultat, ett bra filter utan stora hål kan erhållas från en minsta mängd nanofibrer, och följaktligen, med ett minimalt motstånd mot luftflöde. Dessutom, aktiv läkning av stora hål mellan trådarna ger filtren de egenskaper som finns i filter med kalibrerade porer, så kallade spåretsade membran (nukleporer). Forskarna har också visat att den "läkande" mekanismen inte fungerar i den konventionella elektrospinningstekniken där nanofibrer deponeras på ett ledande substrat helt slumpmässigt.
Testning av nylon-4, 6 elektrospunna filmer visade att nästan viktlösa och osynliga tyger fångar inte mindre än 98 procent av luftburna dammpartiklar. För provning, forskarna använde partiklar från 0,2 till 0,3 mikrometer i diameter. Detta motsvarar grovt sett mängden damm som inte fångas upp av nässtrupen och tränger igenom lungorna, orsakar ett antal farliga medicinska tillstånd. Submikron partiklar ( <1 mikrometer i diameter) är de som också används för att testa industriella och medicinska filter. För att bedöma prestanda, motståndet mot luftflöde testas också.
Experiment för att mäta motstånd har hittills gjorts på enstaka prover. I riktiga filter används normalt en flerskiktsyta med en komplex konfiguration. Experimenten visade att nylon-4, 6 filtreringsmaterial hade de bästa egenskaperna av alla typer av tidigare beskrivet tyg. När det gäller förhållandet mellan avlyssningsgrad och filtervikt och förhållandet mellan avlyssningsmotstånd och luftflöde, det nya filtreringsmaterialet slår alla befintliga motsvarigheter med flera gånger.
Diskuterar möjliga tillämpningar av detta material, forskarna hävdar att det är mer än den uppenbara luft- och vattenreningen från partiklar. Eftersom materialet överträffar glas i transparens, den kan användas i biologisk forskning. Till exempel, efter att ha pumpat luft eller vatten genom det nya filtret, fångade mikroorganismer kan observeras direkt på det genomskinliga filtret under ett mikroskop. På nytt, denna effekt beror på ultrafina trådar. Deras tjocklek är betydligt mindre än våglängden för synligt ljus.
