Nanovezels - polymeerfilamenten met een diameter van slechts een paar honderd nanometer - hebben een enorm scala aan potentiële toepassingen, van zonnecellen tot waterfiltratie tot brandstofcellen. Maar tot nu toe, hun hoge productiekosten hebben ze gedegradeerd tot slechts een paar niche-industrieën.

In het laatste nummer van het tijdschrift Nanotechnologie , MIT-onderzoekers beschrijven een nieuwe techniek voor het produceren van nanovezels die de productiesnelheid verviervoudigt en het energieverbruik met meer dan 90 procent vermindert, het vooruitzicht van goedkope, efficiënte productie van nanovezels.

"We hebben een systematische manier aangetoond om nanovezels te produceren door middel van elektrospinnen die de stand van de techniek overtreft, " zegt Luis Fernando Velásquez-García, een hoofdonderzoeker in MIT's Microsystems Technology Laboratories, die het nieuwe werk leidde. "Maar de manier waarop het is gedaan, opent een zeer interessante mogelijkheid. Onze groep en vele andere groepen werken eraan om 3D-printen verder te stimuleren, om het mogelijk te maken componenten te printen die transduceren, die in werking stellen, die energie uitwisselen tussen verschillende domeinen, zoals zonne-energie tot elektrisch of mechanisch. We hebben iets dat natuurlijk in dat plaatje past. We hebben een reeks zenders die kunnen worden gezien als een dot-matrixprinter, waar je elke emitter afzonderlijk zou kunnen besturen om afzettingen van nanovezels af te drukken."

verward verhaal

Nanovezels zijn nuttig voor elke toepassing die profiteert van een hoge verhouding van oppervlakte tot volume:zonnecellen, bijvoorbeeld, die proberen de blootstelling aan zonlicht te maximaliseren, of brandstofcelelektroden, die reacties op hun oppervlak katalyseren. Nanovezels kunnen ook materialen opleveren die slechts op zeer kleine schaal doorlaatbaar zijn, zoals waterfilters, of die opmerkelijk zwaar zijn voor hun gewicht, zoals kogelvrije vesten.

De standaardtechniek voor het vervaardigen van nanovezels heet elektrospinnen, en het komt in twee varianten. In de eerste, een polymeeroplossing wordt door een klein mondstuk gepompt, en dan rekt een sterk elektrisch veld het uit. Het proces is traag, echter, en het aantal mondstukken per oppervlakte-eenheid wordt beperkt door de grootte van de pomphydraulica.

De andere benadering is om een ​​spanning aan te leggen tussen een roterende trommel bedekt met metalen kegels en een collectorelektrode. De kegels worden ondergedompeld in een polymeeroplossing, en het elektrische veld zorgt ervoor dat de oplossing naar de top van de kegels gaat, waar het als een vezel naar de elektrode wordt uitgezonden. Die benadering is grillig, echter, en produceert vezels van ongelijke lengtes; het vereist ook spanningen zo hoog als 100, 000 volt.

Klein denken

Velásquez-García en zijn co-auteurs—Philip Ponce de Leon, een voormalig masterstudent werktuigbouwkunde; Frances Heuvel, een voormalige postdoc in de groep van Velásquez-García die nu bij KLA-Tencor is; en Eric Heubel, een huidige postdoc - pas de tweede benadering aan, maar op veel kleinere schaal met behulp van technieken die gebruikelijk zijn bij de vervaardiging van micro-elektromechanische systemen om dichte arrays van kleine emitters te produceren. Het kleine formaat van de emitters vermindert de spanning die nodig is om ze aan te drijven en zorgt ervoor dat er meer samen kunnen worden gepakt, toenemende productiesnelheid.

Tegelijkertijd, een noppenachtige textuur die in de zijkanten van de emitters is geëtst, regelt de snelheid waarmee vloeistof naar hun uiteinden stroomt, waardoor uniforme vezels worden verkregen, zelfs bij hoge productiesnelheden. "We hebben allerlei experimenten gedaan, en ze laten allemaal zien dat de emissie uniform is, ', zegt Velásquez-García.

Om hun emitters te bouwen, Velásquez-García en zijn collega's gebruiken een techniek die diepe reactieve ionenetsing wordt genoemd. Aan weerszijden van een siliciumwafel, ze etsen dichte reeksen van kleine rechthoekige kolommen - tientallen micrometers breed - die de vloeistofstroom langs de zijkanten van de emitters regelen. Daarna sneden ze zaagtandpatronen uit de wafel. De zaagtanden zijn verticaal gemonteerd, en hun basen zijn ondergedompeld in een oplossing van gedeïoniseerd water, ethanol, en een opgelost polymeer.

Wanneer een elektrode tegenover de zaagtanden is gemonteerd en er een spanning tussen wordt aangelegd, het water-ethanolmengsel stroomt naar boven, kettingen van polymeer meeslepen. Het water en de ethanol lossen snel op, een wirwar van polymeerfilamenten achterlatend tegenover elke emitter, op de elektrode.

De onderzoekers konden 225 stralers inpakken, enkele millimeters lang, op een vierkante chip ongeveer 35 millimeter aan een kant. Bij de relatief lage spanning van 8, 000 volt, dat apparaat leverde vier keer zoveel vezels per oppervlakte-eenheid op als de beste commerciële elektrospin-apparaten.

Het werk is "een elegante en creatieve manier om het sterke vermogen van traditionele MEMS [micro-elektromechanische systemen] fabricageprocessen in de richting van parallelle nanofabricage te demonstreren, " zegt Reza Ghodssi, een professor in de elektrotechniek aan de Universiteit van Maryland. In vergelijking met andere benaderingen, hij voegt toe, er is "een groter potentieel om het op te schalen met behoud van de integriteit en nauwkeurigheid waarmee de verwerkingsmethode wordt toegepast."

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.