Optagelse af realtidsdata som nanofibers form gør electrospinning mere overkommelig og effektiv

Elektrospinding, en nanofiber fremstillingsmetode, kan producere nanometer- til mikrometer-diameter keramik, polymer, og metalliske fibre af forskellige sammensætninger til et bredt spektrum af anvendelser:vævsteknologi, filtrering, brændselsceller og lithiumbatterier. Disse materialer har unikke egenskaber på grund af deres morfologi med højt aspektforhold og stort overfladeareal.

Alligevel har deres udvikling stort set været ved forsøg og fejl, gør det svært at reproducere pålideligt i industrielle omgivelser. Denne udfordring stammer fra en manglende forståelse af den underliggende dynamik under processen, som involverer mere end 10 kontrolparametre.

Det amerikanske energiministeriums (DOE) Argonne National Laboratory fjerner gætværket af elektrospinning ved at udnytte sin unikke række af muligheder til at bygge en database, der korrelerer elektrospinningsmaskineparametre med nanofiberegenskaber. Suiten vil give virksomheder mulighed for at designe materialer, der er optimeret til specifikke applikationer, ved tophastighed, samtidig med at det muliggør feedback og kontrol i realtid på produktionsgulvet.

Den avancerede elektrospinningsfacilitet er en del af Argonnes avancerede produktionsvidenskabelige og tekniske indsats for at accelerere materialeudvikling og fremstillingsprocesser ved at udvikle platformsteknologier udvidet med state-of-the-art computer- og diagnosesystemer. Denne kombination muliggør forudsigende videnskab, der reducerer kostbar trial-and-error prototyping. Projektet er finansieret af Argonnes Laboratory-Directed Research and Development (LDRD)-program.

Argonne er i en unik position til at fremme elektrospinningsteknologi på grund af en kombination af ekspertise inden for materialeudvikling og opskalering, sammen med de unikke diagnostiske muligheder, der er tilgængelige på Advanced Photon Source (APS), en DOE Office of Science brugerfacilitet og landets synkrotron røntgenkilde med højeste energi.

Forskerne, ledet af Argonne materialeforsker Yuepeng Zhang, udfører in-situ røntgenmålinger ved 12 ID-B beamline ved APS. Målingerne fanger realtids strukturelle, fysisk og kemisk information fra nanofibre, når de dannes og ændres under forarbejdning, lette korrelation med behandlingsparametre (f.eks. spænding, arbejdsafstand og prækursorviskositet).

Zhang siger, "Målingerne giver - for første gang - en systematisk forståelse af spinde- og udglødningsprocesserne for at kontrollere og forbedre produktets ydeevne."

Det næste trin er at indtaste røntgendataene i maskinlæringsalgoritmer, der kører på højtydende computerfaciliteter hos Argonne. Disse beregninger vil yderligere optimere hastigheden, reducere materialefejl, forudsige nye egenskaber og eliminere dyre forsøg og fejl-prototyper.

Elektrospinningsevnen kan også tilpasses til brug med rulle-til-rulle-fremstillingsprocesser (som involverer kontinuerlig behandling af et fleksibelt substrat, når det overføres mellem to bevægelige ruller af materiale) for at accelerere kommercialisering og reducere omkostninger. Argonne demonstrerer rulle-til-rulle-konceptet og dets første anvendelse ved at producere store LLZO-faststof-elektrolytter til energilagringsapplikationer.

Industrien kan samarbejde med eksperter hos Argonne om at udvikle elektrospinningsprocesser til deres eksisterende materialer, samt samarbejde om nye eller nye (sammensatte) materialer og designs, inklusive scaleup.