Fysikere får et perfekt materiale til luftfiltre

Et forskerhold fra Institut for Teoretisk og Eksperimentel Biofysik ved Det Russiske Videnskabsakademi har syntetiseret et materiale, der er perfekt til beskyttelse af åndedrætsorganer, analytisk forskning og andre praktiske formål. Et næsten vægtløst stof lavet af nylon nanofibre med en diameter på mindre end 15 nm slår ethvert andet lignende materiale med hensyn til filtrering og optiske egenskaber.

Forskerne, hvis arbejde er udgivet i European Polymer Journal , karakterisere deres materiale som letvægts (10-20 mg/m2), næsten usynlig (95 procent lystransmission, mere end vinduesglas), viser lav modstand mod luftstrøm og effektiv aflytning af <1 mikrometer fine partikler.

"Nanofibre" er mere end et buzzword i forskernes artikel. Tidligere, det samme hold viste, at reduktion af fiberdiameter fra 200 nm ned til 20 nm reducerede filtermodstanden mod luftstrøm med to tredjedele, og at denne effekt ikke længere kunne forklares med klassisk aerodynamik. Når en forhindringsstørrelse er mindre end den frie vej for gasmolekyler, standardmetoderne til estimering af aerodynamisk modstand baseret på kontinuumteorien virker ikke længere. Under normale forhold, den gennemsnitlige frie vej for luftmolekyler er 65 nm.

Den gennemsnitlige frie vej er den gennemsnitlige afstand, et molekyle dækker, før det kolliderer med et andet. Hvis alle forhindringer er større end denne værdi, den frie strøm, der kommer til dem, kan betragtes som et kontinuerligt medie.

Forskerne brugte en teknik kaldet elektrospinning, hvor en stråle af en opløst polymer udstødes gennem en speciel dyse rettet mod et mål under påvirkning af et elektrisk felt. Ethanol elektrosprayes fra den modsatte side. Polymerstrålen og alkoholionerne tager de modsatte elektriske ladninger. kolliderer i luften, de danner ultratynde fibrøse film. Elektrospinningsteknologi som en måde at producere nonwoven fibrøse filtre blev udviklet tilbage i 1950'erne for at rense luft i atomindustrien. Imidlertid, forskerne introducerede en vigtig forbedring. I stedet for at opnå nanomater på et solidt ledende substrat, den nye teknologi producerede et frit filter, der dækkede et 55 mm hul i en ikke-ledende polycarbonatskærm.

Det offentliggjorte arbejde fuldender cyklussen af ​​forfatternes artikler om udvikling af fremstillingsteknologi og undersøgelser af nanofiltre fremstillet ved hjælp af denne nye proces. De unikke optiske og filtrerende egenskaber stammer fra en særlig mekanisme til at "hele" huller og defekter i fritstående filtre. Sådanne huller tiltrækker bogstaveligt talt fibre, der lander på filteroverfladen. Som resultat, et godt filter uden store huller kan fås fra en minimumsmængde af nanofibre, og følgelig med minimal modstand mod luftstrøm. I øvrigt, aktiv heling af store huller mellem gevind giver filtrene de egenskaber, der ligger i filtre med kalibrerede porer, såkaldte sporætsede membraner (nukleporer). Forskerne har også påvist, at den "helende" mekanisme ikke virker i den konventionelle elektrospinningsteknik, hvor nanofibre afsættes på et ledende substrat fuldstændig tilfældigt.

Afprøvning af nylon-4, 6 elektrospundne film viste, at næsten vægtløse og usynlige stoffer fanger ikke mindre end 98 procent af luftbårne støvpartikler. Til test, forskerne brugte partikler fra 0,2 til 0,3 mikrometer i diameter. Dette svarer nogenlunde til den mængde støv, der ikke fanges af næsesvælget og trænger ind i lungerne, forårsager en række farlige medicinske tilstande. Submikron partikler ( <1 mikrometer i diameter) er dem, der også bruges til at teste industrielle og medicinske filtre. For at vurdere præstationer, modstand mod luftstrøm testes også.

Eksperimenter for at måle modstand er blevet lavet på enkeltprøver indtil videre. I rigtige filtre bruges normalt en flerlagsoverflade med en kompleks konfiguration. Forsøgene viste, at nylon-4, 6 filtreringsmateriale havde de bedste egenskaber ud af alle typer af tidligere beskrevet stof. Med hensyn til forholdet mellem opfangningsgrad og filtervægt og forholdet mellem opfangningsmodstand og luftstrøm, det nye filtreringsmateriale slår alle eksisterende ækvivalenter med flere gange.

diskutere mulige anvendelser af dette materiale, forskerne hævder, at det er mere end den åbenlyse luft- og vandrensning fra partikler. Da materialet overgår glas i gennemsigtighed, det kan bruges i biologisk forskning. For eksempel, efter at have pumpet luft eller vand gennem det nye filter, opsnappede mikroorganismer kan observeres direkte på det transparente filter under et mikroskop. Igen, denne effekt skyldes ultrafine tråde. Deres tykkelse er betydeligt mindre end selv det synlige lys bølgelængde.