Teknik kunne producere stærk, modstandsdygtige nanofibre til mange applikationer

Forskere ved MIT har udviklet en proces, der kan producere ultrafine fibre - hvis diameter måles i nanometer, eller milliarder af en meter - der er usædvanligt stærke og hårde. Disse fibre, som skal være billig og let at producere, kunne være valgmaterialer til mange applikationer, såsom beskyttende rustning og nanokompositter.

Den nye proces, kaldet gel electrospinning, er beskrevet i et papir af MIT -professor i kemiteknik Gregory Rutledge og postdoc Jay Park. Papiret vises online og vil blive offentliggjort i februarudgaven af Journal of Materials Science .

Inden for materialevidenskab, Rutledge forklarer, "der er mange afvejninger." Typisk kan forskere forstærke en egenskab ved et materiale, men vil se et fald i en anden egenskab. "Styrke og sejhed er et par sådan:Normalt når du får høj styrke, du mister noget i hårdheden, "siger han." Materialet bliver mere skørt og har derfor ikke mekanismen til at absorbere energi, og det har en tendens til at gå i stykker. "Men i fibrene fremstillet af den nye proces, mange af disse afvejninger elimineres.

"Det er en stor ting, når du får et materiale, der har meget høj styrke og høj sejhed, "Siger Rutledge. Sådan er det med denne proces, som bruger en variation af en traditionel metode kaldet gelspinning, men tilføjer elektriske kræfter. Resultaterne er ultrafine fibre af polyethylen, der matcher eller overstiger egenskaberne for nogle af de stærkeste fibermaterialer, såsom Kevlar og Dyneema, der bruges til applikationer, herunder kuglestopende rustning.

"Vi startede med en mission om at lave fibre i et andet størrelsesinterval, nemlig under 1 mikron [milliontedel af en meter], fordi de har en række interessante funktioner i sig selv, "Rutledge siger." Og vi har set på sådanne ultrafine fibre, undertiden kaldet nanofibre, i mange år. Men der var ikke noget i det, der ville blive kaldt det højtydende fiberprogram. "Højtydende fibre, som omfatter aramider såsom Kevlar, og gelspundne polyethylener som Dyneema og Spectra, bruges også i reb til ekstreme anvendelser, og som forstærkende fibre i nogle højtydende kompositter.

"Der er ikke sket meget nyt på det område i mange år, fordi de har meget højtydende fibre i det mekaniske rum, "Siger Rutledge. Men dette nye materiale, han siger, overgår alle de andre. "Det, der virkelig adskiller dem, er det, vi kalder specifikt modul og specifik styrke, hvilket betyder, at de pr. vægt overgår alt næsten. "Modulus refererer til, hvor stiv en fiber er, eller hvor meget det modstår at blive strakt.

Sammenlignet med kulfiber og keramiske fibre, som er meget udbredt i kompositmaterialer, de nye gel-elektrospundne polyethylenfibre har lignende styrke, men er meget hårdere og har en lavere densitet. Det betyder, at pund for pund, de overgår standardmaterialerne med stor margin, Rutledge siger.

Ved oprettelsen af ​​dette ultrafine materiale, teamet havde til formål bare at matche egenskaberne ved eksisterende mikrofibre, "så at demonstrere, at det ville have været en god bedrift for os, "Siger Rutledge. Faktisk, materialet viste sig at være bedre på væsentlige måder. Selvom testmaterialerne havde et modul, der ikke var helt så godt som de bedste eksisterende fibre, de var ret tæt på - nok til at være "konkurrencedygtige, "siger han. Afgørende, tilføjer han, "styrkerne handler om en faktor to bedre end de kommercielle materialer og kan sammenlignes med de bedste tilgængelige akademiske materialer. Og deres sejhed handler om en størrelsesorden bedre."

Forskerne undersøger stadig, hvad der står for denne imponerende præstation. "Det ser ud til at være noget, vi fik i gave, med reduktion i fiberstørrelse, som vi ikke havde forventet, "Siger Rutledge.

Han forklarer, at "det meste plast er hårdt, men de er ikke så stive og stærke som det, vi får. "Og glasfibre er stive, men ikke særlig stærke, mens ståltråd er stærk, men ikke særlig stiv. De nye gel-electrospun fibre ser ud til at kombinere de ønskelige kvaliteter af styrke, stivhed, og sejhed på måder, der har få lige.

Brug af gelelektrospinding -processen "ligner i det væsentlige meget den konventionelle [gel -spinning] -proces med hensyn til de materialer, vi bringer ind, men fordi vi bruger elektriske kræfter "og bruger en et-trins proces frem for de flere faser af den konventionelle proces, "vi får meget mere stærkt trukne fibre, "med diametre på et par hundrede nanometer frem for de typiske 15 mikrometer, han siger. Forskernes proces kombinerer brugen af ​​en polymergel som udgangsmateriale, som i gelspundne fibre, men bruger elektriske kræfter frem for mekanisk trækning til at trække fibrene ud; de ladede fibre fremkalder en "piskende" ustabilitetsproces, der producerer deres ultrafine dimensioner. Og de snævre dimensioner, det viser sig, førte til fibrernes unikke egenskaber.

Disse resultater kan føre til beskyttelsesmaterialer, der er lige så stærke som eksisterende, men mindre omfangsrige, gør dem mere praktiske. Og, Rutledge tilføjer, "De kan have applikationer, vi ikke har tænkt på endnu, fordi vi lige nu har lært, at de har dette niveau af sejhed. "

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.