Mazen gemaakt van vezels met een diameter op nanometerschaal hebben een breed scala aan potentiële toepassingen, inclusief tissue engineering, water filtratie, zonnepanelen, en zelfs kogelvrije vesten. Maar hun commercialisering wordt belemmerd door inefficiënte productietechnieken.

In het laatste nummer van het tijdschrift Nanotechnologie , MIT-onderzoekers beschrijven een nieuw apparaat voor het produceren van nanovezelgaasjes, die overeenkomt met de productiesnelheid en energie-efficiëntie van zijn best presterende voorganger, maar de variatie in de diameters van de vezels aanzienlijk vermindert, een belangrijke overweging in de meeste toepassingen.

Maar terwijl het vorige apparaat, van dezelfde MIT-groep, werd in silicium geëtst via een complex proces dat een luchtgesloten "clean room, " het nieuwe apparaat is gebouwd met een $3, 500 commerciële 3D-printer. Het werk wijst dus in de richting van de fabricage van nanovezels die niet alleen betrouwbaarder is, maar ook veel goedkoper.

Het nieuwe apparaat bestaat uit een reeks kleine mondstukken waardoor een vloeistof wordt gepompt die deeltjes van een polymeer bevat. Als zodanig, het is wat bekend staat als een microfluïdisch apparaat.

"Mijn persoonlijke mening is dat in de komende jaren, niemand gaat microfluïdica doen in de cleanroom, " zegt Luis Fernando Velásquez-García, een hoofdonderzoeker bij MIT's Microsystems Technology Laboratories en senior auteur van het nieuwe artikel. "Er is geen reden om dat te doen. 3D-printen is een technologie die het zoveel beter kan - met een betere materiaalkeuze, met de mogelijkheid om echt de structuur te maken die je zou willen maken. Als je naar de schone kamer gaat, vaak offer je de geometrie op die je wilt maken. En het tweede probleem is dat het ongelooflijk duur is."

Velásquez-García wordt op het papier vergezeld door twee postdocs in zijn groep, Erika García-López en Daniel Olvera-Trejo. Beiden behaalden hun doctoraat aan Tecnológico de Monterrey in Mexico en werkten samen met Velásquez-García via het MIT en het nanotech-onderzoekspartnerschap van Tecnológico de Monterrey.

Uitgehold

Nanovezels zijn nuttig voor elke toepassing die profiteert van een hoge verhouding van oppervlakte tot volume, zoals zonnecellen, 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 meeste van dergelijke toepassingen zijn afhankelijk van vezels met regelmatige diameters. "De prestatie van de vezels hangt sterk af van hun diameter, " zegt Velásquez-García. "Als je een aanzienlijke spreiding hebt, wat dat echt betekent, is dat slechts een paar procent echt werkt. Voorbeeld:je hebt een filter, en het filter heeft poriën tussen 50 nanometer en 1 micron. Dat is echt een filter van 1 micron."

Omdat het eerdere apparaat van de groep in silicium was geëtst, het was "uitwendig gevoed, wat betekent dat een elektrisch veld een polymeeroplossing langs de zijkanten van de individuele emitters trok. De vloeistofstroom werd geregeld door rechthoekige kolommen die in de zijkanten van de emitters waren geëtst, maar het was nog steeds grillig genoeg om vezels met een onregelmatige diameter op te leveren.

De nieuwe zenders, daarentegen, zijn "inwendig gevoed":er zijn gaten in geboord, en hydraulische druk duwt vloeistof in de boringen totdat ze gevuld zijn. Alleen dan trekt een elektrisch veld de vloeistof naar buiten in kleine vezels.

Onder de zenders, de kanalen die de boringen voeden zijn gewikkeld in spoelen, en ze lopen geleidelijk taps toe in hun lengte. Die tapsheid is de sleutel tot het reguleren van de diameter van de nanovezels, en het zou vrijwel onmogelijk zijn om dit te bereiken met microfabricagetechnieken in cleanrooms. "Microfabricage is echt bedoeld om rechte sneden te maken, ', zegt Velásquez-García.

Snelle iteratie

Op het nieuwe apparaat de sproeiers zijn in twee rijen gerangschikt, die enigszins van elkaar af staan. Dat komt omdat het apparaat is ontworpen om uitgelijnde nanovezels te demonstreren - nanovezels die hun relatieve positie behouden terwijl ze worden verzameld door een roterende trommel. Uitgelijnde nanovezels zijn bijzonder nuttig in sommige toepassingen, zoals weefselsteigers. Voor toepassingen waarbij niet-uitgelijnde vezels voldoende zijn, de sproeiers kunnen in een rooster worden geplaatst, toenemende outputsnelheid.

Naast kosten- en ontwerpflexibiliteit, Velásquez-García zegt:een ander voordeel van 3D-printen is de mogelijkheid om ontwerpen snel te testen en te herzien. Met de microgefabriceerde apparaten van zijn groep, hij zegt, het duurt meestal twee jaar om van theoretische modellering naar een gepubliceerd artikel te gaan, en in de tussentijd hij en zijn collega's kunnen misschien twee of drie variaties op hun basisontwerp testen. Met het nieuwe apparaat hij zegt, het proces duurde bijna een jaar, en ze konden 70 iteraties van het ontwerp testen.

"Een manier om de positie en grootte van elektrospun vezels deterministisch te manipuleren, stelt je in staat om na te denken over de mogelijkheid om de mechanische eigenschappen van materialen die van deze vezels zijn gemaakt te controleren. Het stelt je in staat na te denken over preferentiële celgroei langs bepaalde richtingen in de vezels -veel goede potentiële kansen daar, " zegt Mark Allen, de Alfred Fitler Moore Professor aan de Universiteit van Pennsylvania, met gezamenlijke aanstellingen in elektrotechniek en systeemtechniek en werktuigbouwkunde en toegepaste mechanica. "Ik verwacht dat iemand deze technologie gaat gebruiken en op zeer creatieve manieren gaat gebruiken. Als je behoefte hebt aan dit soort deterministisch ontworpen glasvezelnetwerk, Ik denk dat het een zeer elegante manier is om dat doel te bereiken."