Elektrospinning, en nanofiber tillverkningsmetod, kan producera nanometer- till mikrometer-diameter keramik, polymer, och metallfibrer av olika kompositioner för ett brett spektrum av applikationer:vävnadsteknik, filtrering, bränsleceller och litiumbatterier. Dessa material har unika egenskaper på grund av deras morfologi med hög bildförhållande och stor yta.

Ändå har deras utveckling till stor del skett genom försök och fel, gör det svårt att reproducera pålitligt i industriella miljöer. Denna utmaning härrör från en brist på förståelse för den underliggande dynamiken under processen, vilket innefattar mer än 10 kontrollparametrar.

US Department of Energy's (DOE) Argonne National Laboratory tar gissningarna ur elektrospinning genom att utnyttja sin unika uppsättning möjligheter för att bygga en databas som korrelerar elektrospinning maskinparametrar med nanofiber egenskaper. Sviten gör det möjligt för företag att designa material optimerat för specifika applikationer med högsta hastighet, samtidigt som man möjliggör återkoppling och kontroll i realtid på tillverkningsgolvet.

Den avancerade elektrospinningsanläggningen är en del av Argonnes avancerade tillverkningsvetenskapliga och tekniska ansträngningar för att påskynda materialutveckling och tillverkningsprocesser genom att utveckla plattformsteknologi kompletterad med toppmoderna dator- och diagnostiksystem. Denna kombination möjliggör prediktiv vetenskap som minskar kostsamma test-och-fel-prototyper. Projektet finansieras av Argonnes tillverkningsprogram för laboratorieriktad forskning och utveckling (LDRD).

Argonne har en unik position för att främja elektrospinningsteknik på grund av en kombination av expertis inom materialutveckling och skalning, tillsammans med de unika diagnostiska möjligheterna som finns tillgängliga vid Advanced Photon Source (APS), en DOE Office of Science User Facility och landets synkrotronröntgenkälla med högsta energi.

Forskarna, ledd av Argonne materialvetare Yuepeng Zhang, utför röntgenmätningar på plats vid 12 ID-B-strållinjen vid APS. Mätningarna fångar struktur i realtid, fysisk och kemisk information från nanofibrer när de bildas och förändras under behandlingen, underlätta korrelation med bearbetningsparametrar (t.ex. Spänning, arbetsavstånd och prekursorviskositet).

Zhang säger, "Mätningarna ger - för första gången - en systematisk förståelse av processerna för spinning och glödgning för att kontrollera och förbättra produktens prestanda."

Nästa steg är att mata in röntgendata i maskininlärningsalgoritmer som körs på högpresterande datoranläggningar i Argonne. Dessa beräkningar kommer att optimera hastigheten ytterligare, minska materialfel, förutsäga nya egenskaper och eliminera kostsamma test-och-fel-prototyper.

Elektrospinningskapaciteten kan också anpassas för användning med rull-till-rull-tillverkningsprocesser (som innebär kontinuerlig bearbetning av ett flexibelt substrat när det överförs mellan två rörliga materialrullar) för att påskynda kommersialisering och minska kostnader. Argonne demonstrerar roll-to-roll-konceptet och dess första tillämpning genom att producera LLZO-elektrolyter med stor yta för energilagringsapplikationer.

Industri kan samarbeta med experter på Argonne för att utveckla elektrospinningsprocesser för sina befintliga material, samt samarbeta om nya eller framväxande (sammansatta) material och konstruktioner, inklusive skalning.