3-D-printet enhed bygger bedre nanofibre

Masker lavet af fibre med diametre i nanometerskala har en bred vifte af potentielle anvendelser, herunder vævsteknologi, vandfiltrering, solceller, og endda kropspanser. Men deres kommercialisering er blevet hæmmet af ineffektive fremstillingsteknikker.

I det seneste nummer af tidsskriftet Nanoteknologi , MIT-forskere beskriver en ny enhed til fremstilling af nanofibermasker, som matcher produktionshastigheden og effekteffektiviteten af ​​dens bedst ydende forgænger - men reducerer markant variation i fibrenes diametre, en vigtig overvejelse i de fleste applikationer.

Men hvorimod forgængerenheden, fra samme MIT-gruppe, blev ætset ind i silicium gennem en kompleks proces, der krævede et luftlåst "rent rum, "den nye enhed blev bygget ved hjælp af en $3, 500 kommerciel 3-D printer. Arbejdet peger således mod nanofiberfremstilling, der ikke kun er mere pålidelig, men også meget billigere.

Den nye enhed består af en række små dyser, gennem hvilke en væske indeholdende partikler af en polymer pumpes. Som sådan, det er det, der er kendt som en mikrofluidisk enhed.

"Min personlige mening er, at i de næste par år, ingen kommer til at lave mikrofluidik i det rene rum, " siger Luis Fernando Velásquez-García, en hovedforsker i MIT's Microsystems Technology Laboratories og seniorforfatter på det nye papir. "Der er ingen grund til at gøre det. 3-D-print er en teknologi, der kan gøre det så meget bedre - med bedre valg af materialer, med mulighed for virkelig at lave den struktur, du gerne vil lave. Når du går til renrummet, mange gange ofrer du den geometri, du ønsker at lave. Og det andet problem er, at det er utrolig dyrt.«

Velásquez-García får følgeskab på papiret af to postdocs i hans gruppe, Erika García-López og Daniel Olvera-Trejo. Begge modtog deres ph.d.er fra Tecnológico de Monterrey i Mexico og arbejdede med Velásquez-García gennem MIT og Tecnológico de Monterreys nanoteknologiske forskningspartnerskab.

Udhulet

Nanofibre er nyttige til enhver applikation, der drager fordel af et højt forhold mellem overfladeareal og volumen - såsom solceller, 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, såsom vandfiltre, eller som er bemærkelsesværdigt hårde for deres vægt, såsom rustning.

De fleste sådanne applikationer afhænger af fibre med regelmæssige diametre. "Fibrenes ydeevne afhænger stærkt af deres diameter, " siger Velásquez-García. "Hvis du har en betydelig spredning, hvad det egentlig betyder er, at kun nogle få procent virkelig arbejder. Eksempel:Du har et filter, og filteret har porer mellem 50 nanometer og 1 mikron. Det er virkelig et 1-mikron filter."

Fordi gruppens tidligere enhed var ætset i silicium, det blev "udvortes fodret, " hvilket betyder, at et elektrisk felt trak en polymeropløsning op ad siderne af de individuelle emittere. Væskestrømmen blev reguleret af rektangulære søjler ætset ind i siderne af emitterne, men den var stadig uberegnelig nok til at give fibre med uregelmæssig diameter.

De nye emittere, derimod er "internt fodret":De har huller boret igennem dem, og hydraulisk tryk skubber væske ind i boringer, indtil de er fyldt. Først da trækker et elektrisk felt væsken ud i bittesmå fibre.

Under emitterne, kanalerne, der fodrer boringer, er pakket ind i spoler, og de tilspidses gradvist langs deres længde. Den tilspidsning er nøglen til at regulere diameteren af ​​nanofibrene, og det ville være praktisk talt umuligt at opnå med mikrofabrikationsteknikker i rene rum. "Mikrofabrikation er virkelig beregnet til at lave lige snit, " siger Velásquez-García.

Hurtig iteration

I den nye enhed, dyserne er arrangeret i to rækker, som er lidt forskudt fra hinanden. Det skyldes, at enheden blev udviklet til at demonstrere justerede nanofibre - nanofibre, der bevarer deres relative position, når de opsamles af en roterende tromle. Justerede nanofibre er særligt nyttige i nogle applikationer, såsom vævsstilladser. Til applikationer, hvor ujusterede fibre er tilstrækkelige, dyserne kunne arrangeres i et gitter, stigende outputhastighed.

Udover omkostninger og designfleksibilitet, Velásquez-García siger, en anden fordel ved 3-D-print er evnen til hurtigt at teste og revidere designs. Med sin gruppes mikrofabrikerede enheder, han siger, det tager typisk to år at gå fra teoretisk modellering til et publiceret papir, og i mellemtiden, han og hans kolleger kan måske teste to eller tre varianter af deres grundlæggende design. Med den nye enhed, han siger, processen tog tættere på et år, og de var i stand til at teste 70 iterationer af designet.

"En måde at deterministisk konstruere positionen og størrelsen af ​​elektrospundne fibre giver dig mulighed for at begynde at tænke på at være i stand til at kontrollere de mekaniske egenskaber af materialer, der er lavet af disse fibre. Det giver dig mulighed for at tænke på foretrukken cellevækst langs bestemte retninger i fibrene. - masser af gode potentielle muligheder der, " siger Mark Allen, Alfred Fitler Moore professor ved University of Pennsylvania, med fælles ansættelser inden for el- og systemteknik og maskinteknik og anvendt mekanik. "Jeg forventer, at nogen vil tage denne teknologi og bruge den på meget kreative måder. Hvis du har behov for denne type deterministisk konstrueret fibernetværk, Jeg synes, det er en meget elegant måde at nå det mål på."