Nät tillverkade av fibrer med nanometerskaliga diametrar har ett brett utbud av potentiella tillämpningar, inklusive vävnadsteknik, vattenfiltrering, solceller, och även pansar. Men deras kommersialisering har hämmats av ineffektiva tillverkningstekniker.

I senaste numret av tidskriften Nanoteknik , MIT-forskare beskriver en ny enhet för att producera nanofibernät, som matchar produktionshastigheten och effekteffektiviteten hos dess bäst presterande föregångare – men avsevärt minskar variationen i fibrernas diametrar, en viktig faktor i de flesta applikationer.

Men medan föregångaren, från samma MIT-grupp, etsades in i kisel genom en komplex process som krävde ett luftlåst "rent rum, "den nya enheten byggdes med en $3, 500 kommersiell 3D-skrivare. Arbetet pekar alltså mot nanofibertillverkning som inte bara är mer pålitlig utan också mycket billigare.

Den nya enheten består av en rad små munstycken genom vilka en vätska som innehåller partiklar av en polymer pumpas. Som sådan, det är vad som kallas en mikrofluidisk enhet.

"Min personliga åsikt är att under de närmaste åren, ingen kommer att göra mikrofluidik i renrummet, " säger Luis Fernando Velásquez-García, en huvudsaklig forskare vid MIT:s Microsystems Technology Laboratories och senior författare på den nya uppsatsen. "Det finns ingen anledning att göra det. 3D-utskrift är en teknik som kan göra det så mycket bättre - med bättre materialval, med möjlighet att verkligen göra den struktur som du skulle vilja göra. När du går till rena rummet, många gånger offrar du den geometri du vill göra. Och det andra problemet är att det är otroligt dyrt."

Velásquez-García får sällskap på tidningen av två postdoktorer i sin grupp, Erika García-López och Daniel Olvera-Trejo. Båda tog sin doktorsexamen från Tecnológico de Monterrey i Mexiko och arbetade med Velásquez-García genom MIT och Tecnológico de Monterreys nanotekniska forskningspartnerskap.

Ihålig

Nanofibrer är användbara för alla applikationer som drar nytta av ett högt förhållande mellan ytarea och volym - som solceller, 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 kroppsskydd.

De flesta sådana applikationer är beroende av fibrer med regelbunden diameter. "Fibrernas prestanda beror starkt på deras diameter, " säger Velásquez-García. "Om du har en betydande spridning, vad det egentligen betyder är att bara några få procent verkligen fungerar. Exempel:Du har ett filter, och filtret har porer mellan 50 nanometer och 1 mikron. Det är verkligen ett 1-mikrons filter."

Eftersom gruppens tidigare enhet var etsad i kisel, den matades externt, " vilket betyder att ett elektriskt fält drog en polymerlösning upp på sidorna av de individuella sändarna. Vätskeflödet reglerades av rektangulära kolonner etsade in i sidorna av sändaren, men det var fortfarande oregelbundet nog att ge fibrer med oregelbunden diameter.

De nya utsläppen, däremot är "invärtes matade":de har hål borrade genom dem, och hydrauliskt tryck trycker in vätska i hålen tills de är fyllda. Först då drar ett elektriskt fält ut vätskan till små fibrer.

Under utsläppen, kanalerna som matar hålen är inlindade i spolar, och de avsmalnar gradvis längs sin längd. Den avsmalningen är nyckeln till att reglera diametern på nanofibrerna, och det skulle vara praktiskt taget omöjligt att uppnå med mikrotillverkningstekniker i renrum. "Mikrotillverkning är egentligen tänkt att göra raka snitt, " säger Velásquez-García.

Snabb iteration

I den nya enheten, munstyckena är anordnade i två rader, som är något förskjutna från varandra. Det beror på att enheten konstruerades för att demonstrera inriktade nanofibrer - nanofibrer som bevarar sin relativa position när de samlas upp av en roterande trumma. Justerade nanofibrer är särskilt användbara i vissa applikationer, såsom vävnadsställningar. För tillämpningar där oriktade fibrer är lämpliga, munstyckena kan arrangeras i ett galler, ökande produktionshastighet.

Förutom kostnads- och designflexibilitet, Velásquez-García säger, en annan fördel med 3D-utskrift är möjligheten att snabbt testa och revidera design. Med sin grupps mikrotillverkade enheter, han säger, det tar vanligtvis två år att gå från teoretisk modellering till en publicerad artikel, och under tiden, han och hans kollegor kanske kan testa två eller tre varianter av deras grundläggande design. Med den nya enheten, han säger, processen tog närmare ett år, och de kunde testa 70 iterationer av designen.

"Ett sätt att deterministiskt konstruera positionen och storleken på elektrospunna fibrer gör att du kan börja tänka på att kunna kontrollera de mekaniska egenskaperna hos material som är gjorda av dessa fibrer. Det låter dig tänka på preferentiell celltillväxt längs särskilda riktningar i fibrerna. — många bra potentiella möjligheter där, " säger Mark Allen, Alfred Fitler Moore professor vid University of Pennsylvania, med gemensamma anställningar inom el- och systemteknik samt maskinteknik och tillämpad mekanik. "Jag förväntar mig att någon kommer att ta den här tekniken och använda den på väldigt kreativa sätt. Om du har behov av den här typen av deterministiskt konstruerat fibernätverk, Jag tycker att det är ett väldigt elegant sätt att uppnå det målet."