Nanovezels – materiaalstrengen met een diameter van slechts een paar honderd nanometer – hebben een enorm scala aan mogelijke toepassingen:steigers voor biotechnologische organen, ultrafijne lucht- en waterfilters, en lichtgewicht Kevlar kogelvrije vesten, om er een paar op te noemen. Maar tot nu toe, de kosten om ze te produceren hebben ze naar een paar high-end, niche toepassingen.

Luis Velásquez-Garcia, een hoofdonderzoeker bij MIT's Microsystems Technology Laboratories, en zijn groep hopen daar verandering in te brengen. Tijdens de internationale workshop over micro- en nanotechnologie voor toepassingen voor energieopwekking en energieconversie in december, Velásquez-Garcia, zijn leerling Philip Ponce de Leon, en Frances Hill, een postdoc in zijn groep, zal een nieuw systeem beschrijven voor het spinnen van nanovezels dat een aanzienlijke productiviteitsverhoging zou moeten bieden en tegelijkertijd het energieverbruik drastisch zou verminderen.

Door gebruik te maken van fabricagetechnieken die gebruikelijk zijn in de microchipindustrie, de MTL-onderzoekers bouwden een reeks conische tips van één vierkante centimeter, die ze onderdompelden in een vloeistof die een opgelost plastic bevatte. Vervolgens zetten ze een spanning op de array, produceren van een elektrostatisch veld dat het sterkst is aan de uiteinden van de kegels. In een techniek die bekend staat als elektrospinnen, de kegels stoten het opgeloste plastic uit als een stroom die stolt tot een vezel van slechts 220 nanometer breed.

In hun experimenten, de onderzoekers gebruikten een vijf-bij-vijf reeks kegels, wat al een zevenvoudige productiviteitsverhoging per vierkante centimeter oplevert ten opzichte van zelfs de beste bestaande methoden. Maar, Velásquez-García zegt:het zou relatief eenvoudig moeten zijn om meer kegels op een chip te verpakken, productiviteit nog meer te verhogen. Inderdaad, hij zegt, in eerder werk aan een vergelijkbare techniek genaamd elektrospray, zijn lab was in staat om bijna duizend stralers in één vierkante centimeter te proppen. En meerdere arrays kunnen in een paneel worden gecombineerd om de opbrengst verder te verhogen.

Oppervlakken, vanaf het begin

Omdat de nieuwe paper werd voorbereid voor een energieconferentie, het richt zich op energietoepassingen. Maar nanovezels kunnen nuttig zijn voor elk apparaat dat de verhouding tussen oppervlakte en volume moet maximaliseren, Velásquez-García zegt. Condensatoren - circuitcomponenten die elektriciteit opslaan - zijn een voorbeeld, omdat de capaciteit schaalt met het oppervlak. De elektroden die in brandstofcellen worden gebruikt, zijn een andere, want hoe groter het oppervlak van de elektroden, hoe efficiënter ze de reacties katalyseren die de cel aandrijven. Maar bijna elk chemisch proces kan profiteren van het vergroten van het oppervlak van de katalysator, en het vergroten van het oppervlak van kunstmatige-orgelsteigers geeft cellen meer punten om zich te hechten.

Een andere veelbelovende toepassing van nanovezels is in mazen die zo fijn zijn dat ze alleen deeltjes op nanoschaal doorlaten. Het voorbeeld in het nieuwe artikel komt weer uit energieonderzoek:de membranen die de helften van een brandstofcel scheiden. Maar soortgelijke mazen kunnen worden gebruikt om water te filteren. dergelijke toepassingen, Velásquez-García zegt:afhankelijk van de consistentie in de vezeldiameter, een ander aspect waarin de nieuwe techniek voordelen biedt ten opzichte van zijn voorgangers.

Bestaande elektrospintechnieken zijn over het algemeen afhankelijk van kleine mondstukken, waardoor het opgeloste polymeer wordt geperst. Variaties in bedrijfsomstandigheden en in de vorm van de mondstukken kunnen grote variaties in de vezeldiameter veroorzaken, en de hydrauliek van de sproeiers zorgt ervoor dat ze niet zo dicht op elkaar kunnen worden gepakt. Enkele fabrikanten hebben vezelspinapparaten ontwikkeld die gebruikmaken van elektrostatische velden, maar hun emitters zijn gemaakt met behulp van veel grovere processen dan de chipproductietechnieken die de MTL-onderzoekers hebben gebruikt. Als gevolg hiervan, niet alleen zijn de reeksen tips veel minder dicht, maar de apparaten verbruiken meer stroom.

"Het elektrostatische veld wordt versterkt als de tipdiameter kleiner is, " zegt Velásquez-García. "Als je tips hebt van, zeggen, millimeter diameter, als u dan voldoende spanning toepast, je kunt de ionisatie van de vloeistof en spinvezels activeren. Maar als je ze scherper kunt maken, dan heb je veel minder spanning nodig om hetzelfde resultaat te bereiken."

slecht rieten

Door het gebruik van microfabricagetechnologieën konden de MTL-onderzoekers niet alleen hun kegels strakker inpakken en hun tips slijpen, maar het gaf hen ook een veel nauwkeurigere controle over de structuur van de oppervlakken van de kegels. Inderdaad, de zijkanten van de kegels hebben een noppenstructuur die de kegels helpt de vloeistof op te nemen waarin het polymeer is opgelost. In lopende experimenten, de onderzoekers hebben de kegels ook bedekt met wat Velásquez-García beschrijft als een "wol" van koolstofnanobuisjes, die beter zou moeten werken met sommige soorten materialen.

Inderdaad, Velásquez-García zegt:de resultaten van zijn groep zijn niet alleen afhankelijk van het ontwerp van de emitters zelf, maar op een nauwkeurig evenwicht tussen de structuur van de kegels en hun getextureerde coating, de sterkte van het elektrostatische veld, en de samenstelling van het vloeistofbad waarin de kegels worden ondergedompeld.

"Het parallel vervaardigen van exact identieke emitters met hoge precisie en veel doorvoer - dit is hun belangrijkste bijdrage, Naar mijn mening, " zegt Antonio Luque Estepa, een universitair hoofddocent elektrotechniek aan de Universiteit van Sevilla, die gespecialiseerd is in elektrosprayafzetting en elektrospinning. "Er een maken is eenvoudig. Maar 100 of 1, 000 van hen, dat is niet zo gemakkelijk. Vaak zijn er problemen met interacties tussen de ene uitgang en de uitgang ernaast."

De microfabricagetechniek die de groep van Velásquez-García gebruikt, Luque voegt eraan toe, "bepert niet het aantal uitgangen dat ze op één chip kunnen integreren." Hoewel de mate waarin de groep de emitterdichtheid kan verhogen nog moet worden afgewacht, Luk zegt, hij is ervan overtuigd dat "ze een vertienvoudiging kunnen realiseren ten opzichte van wat er nu beschikbaar is."

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.