Een onderzoeksteam van het Instituut voor Theoretische en Experimentele Biofysica van de Russische Academie van Wetenschappen heeft een materiaal gesynthetiseerd dat perfect is voor de bescherming van ademhalingsorganen, analytisch onderzoek en andere praktische doeleinden. Een bijna gewichtloze stof gemaakt van nylon nanovezels met een diameter van minder dan 15 nm verslaat elk ander vergelijkbaar materiaal in termen van filtering en optische eigenschappen.

De wetenschappers, wiens werk is gepubliceerd in de European Polymer Journal , karakteriseren hun materiaal als lichtgewicht (10-20 mg/m2), bijna onzichtbaar (95 procent lichttransmissie, meer dan dat van vensterglas), met lage weerstand tegen luchtstroom en efficiënte onderschepping van <1 micrometer fijnstof.

"Nanovezels" is meer dan een modewoord in het artikel van de onderzoekers. Eerder, hetzelfde team toonde aan dat het verminderen van de vezeldiameter van 200 nm tot 20 nm de filterweerstand tegen luchtstroom met tweederde verminderde, en dat dit effect niet langer kon worden verklaard door de klassieke aerodynamica. Wanneer een obstakel kleiner is dan de vrije weg van gasmoleculen, de standaardmethoden voor het schatten van de aerodynamische weerstand op basis van de continuümtheorie werken niet meer. Onder normale omstandigheden, het gemiddelde vrije pad van luchtmoleculen is 65 nm.

Het gemiddelde vrije pad is de gemiddelde afstand die een molecuul aflegt voordat het met een ander botst. Als alle obstakels groter zijn dan deze waarde, de gratis stroom die op hen afkomt, kan worden beschouwd als een continu medium.

De wetenschappers gebruikten een techniek die elektrospinning wordt genoemd, waarbij een straal van een opgelost polymeer door een speciaal mondstuk wordt uitgestoten dat op een doelwit wordt gericht onder invloed van een elektrisch veld. Ethanol wordt van de andere kant geëlektrosproeid. De polymeerstraal en de alcoholionen nemen de tegenovergestelde elektrische ladingen op. Botsend in de lucht, ze vormen ultradunne vezelige films. Electrospinning-technologie als een manier om niet-geweven vezelachtige filters te produceren, werd in de jaren vijftig ontwikkeld om lucht in de atoomindustrie te zuiveren. Echter, de onderzoekers brachten een belangrijke verbetering aan. In plaats van nanomats te verkrijgen op een vast geleidend substraat, de nieuwe technologie produceerde een gratis filter dat een gat van 55 mm bedekt in een niet-geleidend polycarbonaatscherm.

Het gepubliceerde werk voltooit de cyclus van de artikelen van de auteurs die zijn gewijd aan de ontwikkeling van de productietechnologie en studies van nanofilters die met dit nieuwe proces zijn vervaardigd. De unieke optische en filtereigenschappen komen voort uit een speciaal mechanisme van "helende" gaatjes en defecten in vrijstaande filters. Dergelijke gaten trekken letterlijk vezels aan die op het filteroppervlak terechtkomen. Als resultaat, een goede filter zonder grote gaten kan worden verkregen uit een minimale hoeveelheid nanovezels, en dienovereenkomstig, met een minimale weerstand tegen luchtstroom. Bovendien, actieve genezing van grote gaten tussen draden geeft de filters de eigenschappen die inherent zijn aan filters met gekalibreerde poriën, zogenaamde track-etched membranen (nucleporiën). De wetenschappers hebben ook aangetoond dat het "genezende" mechanisme niet werkt in de conventionele elektrospintechniek waarbij nanovezels volledig willekeurig op een geleidend substraat worden afgezet.

Het testen van nylon-4, 6 electrospun films toonden aan dat bijna gewichtloze en onzichtbare stoffen niet minder dan 98 procent van de stofdeeltjes in de lucht opvangen. Om uit te proberen, de wetenschappers gebruikten deeltjes met een diameter van 0,2 tot 0,3 micron. Dit komt ongeveer overeen met de hoeveelheid stof die niet wordt opgevangen door de neuskeelholte en de longen binnendringt, waardoor een aantal gevaarlijke medische aandoeningen ontstaan. Submicron deeltjes ( <1 micrometer in diameter) worden ook gebruikt om industriële en medische filters te testen. Om de prestaties te beoordelen, weerstand tegen luchtstroom wordt ook getest.

Experimenten om weerstand te meten zijn tot nu toe uitgevoerd op enkelvoudige monsters. In echte filters wordt normaal gesproken een meerlaags oppervlak met een complexe configuratie gebruikt. De experimenten toonden aan dat de nylon-4, 6 filtermateriaal had de beste eigenschappen van alle soorten eerder beschreven weefsels. In termen van de mate van onderschepping tot filtergewichtverhouding en de onderscheppingsweerstand tot luchtstroomverhouding, het nieuwe filtermateriaal verslaat alle bestaande equivalenten meerdere keren.

Mogelijke toepassingen van dit materiaal bespreken, de wetenschappers beweren dat het meer is dan de voor de hand liggende lucht- en waterzuivering van fijnstof. Aangezien het materiaal glas in transparantie overtreft, het kan worden gebruikt in biologisch onderzoek. Bijvoorbeeld, na het pompen van lucht of water door het nieuwe filter, onderschepte micro-organismen kunnen direct onder een microscoop op het transparante filter worden waargenomen. Opnieuw, dit effect is te danken aan ultrafijne draden. Hun dikte is aanzienlijk minder dan zelfs de golflengte van zichtbaar licht.