Nye mikrofiberemittere øger produktionen af ​​alsidige fibre fire gange, reducere energiforbruget med 92 procent

Nanofibre - polymerfilamenter på kun et par hundrede nanometer i diameter - har en lang række potentielle anvendelser, fra solceller til vandfiltrering til brændselsceller. Men indtil videre, deres høje produktionsomkostninger har henvist dem til blot nogle få nicheindustrier.

I det seneste nummer af tidsskriftet Nanoteknologi , MIT-forskere beskriver en ny teknik til fremstilling af nanofibre, der firedobler produktionshastigheden, mens energiforbruget reduceres med mere end 90 procent, med udsigt til billige, effektiv nanofiberproduktion.

"Vi har demonstreret en systematisk måde at producere nanofibre på gennem elektrospinning, der overgår den nyeste teknologi, " siger Luis Fernando Velásquez-García, en hovedforsker i MIT's Microsystems Technology Laboratories, der ledede det nye arbejde. "Men måden, det er gjort på, åbner en meget interessant mulighed. Vores gruppe og mange andre grupper arbejder på at skubbe 3-D-printning yderligere, for at gøre det muligt at udskrive komponenter, der transducerer, der aktiverer, der udveksler energi mellem forskellige domæner, som sol til elektrisk eller mekanisk. Vi har noget, der naturligt passer ind i det billede. Vi har en række emittere, der kan opfattes som en matrixprinter, hvor du ville være i stand til individuelt at kontrollere hver emitter for at udskrive aflejringer af nanofibre."

Indviklet fortælling

Nanofibre er nyttige til enhver applikation, der drager fordel af et højt forhold mellem overfladeareal og volumen - solceller, for eksempel, som forsøger at maksimere eksponeringen for sollys, eller brændselscelleelektroder, som katalyserer reaktioner på deres overflader. Nanofibre kan også give materialer, der kun er permeable i meget små skalaer, som vandfiltre, eller som er bemærkelsesværdigt hårde for deres vægt, som kropsrustning.

Standardteknikken til fremstilling af nanofibre kaldes elektrospinning, og den findes i to varianter. Først og fremmest, en polymeropløsning pumpes gennem en lille dyse, og så strækker et stærkt elektrisk felt det ud. Processen er langsom, imidlertid, og antallet af dyser pr. arealenhed er begrænset af størrelsen af ​​pumpens hydraulik.

Den anden fremgangsmåde er at påføre en spænding mellem en roterende tromle dækket af metalkegler og en kollektorelektrode. Keglerne dyppes i en polymeropløsning, og det elektriske felt får løsningen til at rejse til toppen af ​​keglerne, hvor det udsendes mod elektroden som en fiber. Den tilgang er uberegnelig, imidlertid, og producerer fibre af ujævne længder; det kræver også spændinger så høje som 100, 000 volt.

Tænker småt

Velásquez-García og hans medforfattere – Philip Ponce de Leon, en tidligere kandidatstuderende i maskinteknik; Frances Hill, en tidligere postdoc i Velásquez-Garcías gruppe, som nu er hos KLA-Tencor; og Eric Heubel, en aktuel postdoc-tilpas den anden tilgang, men i meget mindre skala, ved hjælp af teknikker, der er almindelige i fremstillingen af ​​mikroelektromekaniske systemer til at producere tætte arrays af bittesmå emittere. Emitternes lille størrelse reducerer den nødvendige spænding for at drive dem og gør det muligt at pakke flere af dem sammen, stigende produktionshastighed.

På samme tid, en nubbly tekstur ætset ind i emitternes sider regulerer den hastighed, hvormed væske strømmer mod deres spidser, giver ensartede fibre selv ved høje produktionshastigheder. "Vi lavede alle slags eksperimenter, og alle viser, at emissionen er ensartet, " siger Velásquez-García.

At bygge deres emittere, Velásquez-García og hans kolleger bruger en teknik kaldet dyb reaktiv ion-ætsning. På begge sider af en siliciumwafer, de ætser tætte arrays af bittesmå rektangulære søjler - titusinder af mikrometer på tværs - som vil regulere væskestrømmen op ad siderne af emitterne. Så skærer de savtandmønstre ud af oblaten. Savtænderne monteres lodret, og deres baser nedsænkes i en opløsning af deioniseret vand, ethanol, og en opløst polymer.

Når en elektrode er monteret modsat savtænderne, og der påføres en spænding mellem dem, vand-ethanol-blandingen strømmer opad, trække kæder af polymer med sig. Vandet og ethanolen opløses hurtigt, efterlader et virvar af polymerfilamenter modsat hver emitter, på elektroden.

Forskerne var i stand til at pakke 225 emittere, flere millimeter lange, på en firkantet chip omkring 35 millimeter på en side. Ved den relativt lave spænding på 8, 000 volt, denne enhed gav fire gange så meget fiber pr. arealenhed som de bedste kommercielle elektrospinningsenheder.

Værket er "en elegant og kreativ måde at demonstrere den stærke kapacitet af traditionelle MEMS [mikroelektromekaniske systemer] fremstillingsprocesser mod parallel nanofremstilling, " siger Reza Ghodssi, en professor i elektroteknik ved University of Maryland. I forhold til andre tilgange, tilføjer han, der er "et øget potentiale for at skalere det op og samtidig bevare den integritet og nøjagtighed, hvormed behandlingsmetoden anvendes."

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.