Forskere gør nanospinning praktisk

Nanofibre - materialestrenge, der kun er et par hundrede nanometer i diameter - har et stort udvalg af mulige anvendelser:stilladser til bioingeniørorganer, ultrafine luft- og vandfiltre, og letvægts Kevlar -panser, for blot at nævne nogle få. Men indtil videre, udgifterne til at producere dem har overdraget dem til et par high-end, niche applikationer.

Luis Velásquez-García, en hovedforsker ved MIT's Microsystems Technology Laboratories, og hans gruppe håber at ændre det. På det internationale værksted om mikro- og nanoteknologi til applikationer til elproduktion og energikonvertering i december, Velásquez-García, hans elev Philip Ponce de Leon, og Frances Hill, en postdoc i sin gruppe, vil beskrive et nyt system til centrifugering af nanofibre, der skal tilbyde betydelige produktivitetsstigninger og samtidig reducere strømforbruget drastisk.

Ved hjælp af fremstillingsteknikker, der er almindelige i mikrochipindustrien, MTL-forskerne byggede en række kvadratcentimeter koniske spidser, som de nedsænkede i en væske indeholdende en opløst plast. De satte derefter en spænding på arrayet, producerer et elektrostatisk felt, der er stærkest ved spidserne af keglerne. I en teknik kendt som elektrospinning, koglerne skubber den opløste plast ud som en strøm, der størkner til en fiber, der kun er 220 nanometer på tværs.

I deres eksperimenter, forskerne brugte en fem-til-fem række kegler, hvilket allerede giver en syvdoblet stigning i produktiviteten pr. kvadratcentimeter i forhold til selv de bedste eksisterende metoder. Men, Velásquez-García siger, det burde være relativt enkelt at pakke flere kegler på en chip, øger produktiviteten endnu mere. Ja, han siger, i tidligere arbejde med en lignende teknik kaldet elektrospray, hans laboratorium var i stand til at proppe næsten tusind emittere ind i en enkelt kvadratcentimeter. Og flere arrays kunne kombineres i et panel for yderligere at øge udbyttet.

Overflader, fra starten

Fordi det nye papir blev forberedt til en energikonference, det fokuserer på energianvendelser. Men nanofibre kan være nyttige for enhver enhed, der skal maksimere forholdet mellem overfladeareal og volumen, Siger Velásquez-García. Kondensatorer - kredsløbskomponenter, der lagrer elektricitet - er et eksempel, fordi kapacitans skaleres med overfladeareal. Elektroderne, der bruges i brændselsceller, er en anden, fordi jo større elektrodernes overfladeareal er, jo mere effektivt de katalyserer de reaktioner, der driver cellen. Men næsten enhver kemisk proces kan drage fordel af at øge katalysatorernes overfladeareal, og forøgelse af overfladearealet på kunstige orgel-stilladser giver celler flere punkter, hvor de kan klæbe.

En anden lovende anvendelse af nanofibre er i masker så fine, at de kun tillader nanoskala partikler at passere igennem. Eksemplet i det nye papir kommer igen fra energiforskning:membranerne, der adskiller halvdelene af en brændselscelle. Men lignende masker kunne bruges til at filtrere vand. Sådanne applikationer, Velásquez-García siger, afhænger afgørende af konsistensen i fiberdiameteren, en anden respekt, hvor den nye teknik giver fordele i forhold til sine forgængere.

Eksisterende elektrospindingsteknikker er generelt afhængige af små dyser, hvorigennem den opløste polymer tvinges. Variationer i driftsbetingelser og i form af dyserne kan forårsage stor variation i fiberdiameteren, og dysernes hydraulik betyder, at de ikke kan pakkes så tæt sammen. Nogle få producenter har udviklet fiber-roterende enheder, der bruger elektrostatiske felter, men deres udsendere fremstilles ved hjælp af meget mere grove processer end de chipfremstillingsteknikker, som MTL-forskerne udnyttede. Som en konsekvens, ikke kun er arrays af tips meget mindre tætte, men enhederne bruger mere strøm.

"Det elektrostatiske felt forbedres, hvis spidsens diameter er mindre, "Siger Velásquez-García." Hvis du har tips om, sige, millimeter diameter, så hvis du anvender nok spænding, du kan udløse ioniseringen af ​​væsken og spinfibrene. Men hvis du kan gøre dem skarpere, så har du brug for meget mindre spænding for at opnå det samme resultat. "

Ond flet

Brugen af ​​mikrofabrikationsteknologier tillod ikke kun MTL -forskerne at pakke deres kegler tættere og skærpe deres spidser, men det gav dem også meget mere præcis kontrol af strukturen på keglernes overflader. Ja, siderne af koglerne har en nubby tekstur, der hjælper koglerne med at væge væsken, hvori polymeren opløses, op. I igangværende forsøg, forskerne har også dækket koglerne med det, Velásquez-García beskriver som en "uld" af carbon nanorør, hvilket burde fungere bedre med nogle typer materialer.

Ja, Velásquez-García siger, hans gruppes resultater afhænger ikke kun af selve emitterernes design, men på en præcis balance mellem keglernes struktur og deres teksturerede belægning, styrken af ​​det elektrostatiske felt, og sammensætningen af ​​væskebadet, hvor keglerne er nedsænket.

"Fremstilling af nøjagtigt identiske emittere parallelt med høj præcision og meget kapacitet - dette er deres vigtigste bidrag, efter min mening, "siger Antonio Luque Estepa, en lektor i elektroteknik ved University of Sevilla, der har specialiseret sig i elektrosprayaflejring og elektrospinning. "Det er let at fremstille en. Men 100 eller 1, 000 af dem, det er ikke så let. Mange gange er der problemer med interaktioner mellem et output og output ved siden af ​​det. "

Mikrofabrikationsteknikken, som Velásquez-García's gruppe anvender, Luque tilføjer, "begrænser ikke antallet af output, de kan integrere på en chip." Selvom det stadig skal ses i hvilken grad gruppen kan øge emittertætheden, Luque siger, han er overbevist om, at "de kan gøre en tidobling i forhold til det, der er tilgængeligt lige nu."

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT -forskning, innovation og undervisning.