Elektrospinnen, een fabricagemethode van nanovezels, kan keramiek met een diameter van nanometer tot micrometer produceren, polymeer, en metaalvezels van verschillende samenstellingen voor een breed spectrum aan toepassingen:weefselengineering, filtratie, brandstofcellen en lithiumbatterijen. Deze materialen hebben unieke eigenschappen vanwege hun morfologie met een hoge beeldverhouding en hun grote oppervlak.

Toch is hun ontwikkeling grotendeels met vallen en opstaan ​​geweest, waardoor het moeilijk is om betrouwbaar te reproduceren in industriële omgevingen. Deze uitdaging komt voort uit een gebrek aan begrip van de onderliggende dynamiek tijdens het proces, die meer dan 10 controleparameters omvat.

Het Argonne National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) haalt het giswerk uit elektrospinnen door gebruik te maken van zijn unieke reeks mogelijkheden om een ​​database te bouwen die de parameters van de elektrospinmachine correleert met nanovezeleigenschappen. Met de suite kunnen bedrijven op topsnelheid materialen ontwerpen die zijn geoptimaliseerd voor specifieke toepassingen, terwijl het ook realtime feedback en controle op de productievloer mogelijk maakt.

De geavanceerde elektrospinningfaciliteit maakt deel uit van Argonne's geavanceerde wetenschappelijke en technische inspanningen op het gebied van productie om materiaalontwikkeling en productieprocessen te versnellen door platformtechnologieën te ontwikkelen, aangevuld met ultramoderne computer- en diagnosesystemen. Deze combinatie maakt voorspellende wetenschap mogelijk die kostbare trial-and-error-prototyping vermindert. Het project wordt gefinancierd door Argonne's programma voor laboratoriumgericht onderzoek en ontwikkeling (LDRD).

Argonne bevindt zich in een unieke positie om de elektrospintechnologie vooruit te helpen vanwege een combinatie van expertise in materiaalontwikkeling en opschaling, samen met de unieke diagnostische mogelijkheden die beschikbaar zijn bij de Advanced Photon Source (APS), een DOE Office of Science User Facility en de meest energierijke synchrotron-röntgenbron van het land.

De onderzoekers, onder leiding van Argonne materiaalwetenschapper Yuepeng Zhang, voeren in-situ röntgenmetingen uit op de 12 ID-B-bundellijn bij de APS. De metingen leggen real-time structurele, fysische en chemische informatie van nanovezels zoals ze zich vormen en veranderen tijdens de verwerking, het vergemakkelijken van correlatie met verwerkingsparameters (bijv. Spanning, werkafstand en viscositeit van de precursor).

Zhang zegt, "De metingen bieden - voor de eerste keer - een systematisch begrip van de spin- en gloeiprocessen om de productprestaties te controleren en te verbeteren."

De volgende stap is om de röntgengegevens in te voeren in algoritmen voor machine learning die worden uitgevoerd op krachtige computerfaciliteiten in Argonne. Deze berekeningen zullen de snelheid verder optimaliseren, materiële gebreken verminderen, voorspellen nieuwe eigenschappen en elimineren kostbare proef-en-fout prototyping.

De elektrospinfunctie kan ook worden aangepast voor gebruik met roll-to-roll fabricageprocessen (waarbij continue verwerking van een flexibel substraat nodig is terwijl het wordt overgebracht tussen twee bewegende rollen materiaal) om de commercialisering te versnellen en de kosten te verlagen. Argonne demonstreert het roll-to-roll-concept en de eerste toepassing ervan door LLZO-elektrolyten met een groot oppervlak te produceren voor energieopslagtoepassingen.

De industrie kan samenwerken met experts van Argonne om elektrospinprocessen te ontwikkelen voor hun bestaande materialen, evenals samenwerken aan nieuwe of opkomende (composiet) materialen en ontwerpen, inclusief scale-up.