Le nanofibre, fili di materiale di appena un paio di centinaia di nanometri di diametro, hanno una vasta gamma di possibili applicazioni:scaffold per organi bioingegnerizzati, filtri aria e acqua ultrafini, e armatura leggera in Kevlar, per citarne solo alcuni. Ma così lontano, la spesa per produrli li ha relegati a pochi di fascia alta, applicazioni di nicchia.

Luis Velásquez-Garcia, un ricercatore principale presso i Microsystems Technology Laboratories del MIT, e il suo gruppo sperano di cambiarlo. Al workshop internazionale sulle micro e nanotecnologie per le applicazioni di generazione di energia e conversione di energia a dicembre, Velásquez-Garcia, il suo allievo Philip Ponce de Leon, e Francesca Hill, un postdoc nel suo gruppo, descriverà un nuovo sistema per la filatura delle nanofibre che dovrebbe offrire significativi aumenti di produttività riducendo drasticamente il consumo di energia.

Utilizzando tecniche di produzione comuni nell'industria dei microchip, i ricercatori MTL hanno costruito una serie di punte coniche di un centimetro quadrato, che hanno immerso in un fluido contenente una plastica disciolta. Hanno quindi applicato una tensione all'array, producendo un campo elettrostatico che è più forte alle punte dei coni. In una tecnica nota come elettrofilatura, i coni espellono la plastica disciolta come un flusso che si solidifica in una fibra di soli 220 nanometri di diametro.

Nei loro esperimenti, i ricercatori hanno utilizzato una serie di coni cinque per cinque, che produce già un aumento di sette volte della produttività per centimetro quadrato anche rispetto ai migliori metodi esistenti. Ma, Velásquez-García dice, dovrebbe essere relativamente semplice confezionare più coni su un chip, aumentando ancora di più la produttività. Infatti, lui dice, in lavori precedenti su una tecnica simile chiamata elettrospray, il suo laboratorio è stato in grado di stipare quasi mille emettitori in un solo centimetro quadrato. E più array potrebbero essere combinati in un pannello per aumentare ulteriormente i rendimenti.

Superfici, da zero

Poiché il nuovo documento è stato preparato per una conferenza sull'energia, si concentra sulle applicazioni energetiche. Ma le nanofibre potrebbero essere utili per qualsiasi dispositivo che ha bisogno di massimizzare il rapporto tra superficie e volume, dice Velásquez-García. I condensatori, componenti del circuito che immagazzinano elettricità, ne sono un esempio, perché la capacità scala con l'area della superficie. Gli elettrodi utilizzati nelle celle a combustibile sono un altro, perché maggiore è la superficie degli elettrodi, più efficientemente catalizzano le reazioni che guidano la cellula. Ma quasi tutti i processi chimici possono trarre vantaggio dall'aumento della superficie dei catalizzatori, e l'aumento della superficie degli scaffold di organi artificiali fornisce alle cellule più punti in cui aderire.

Un'altra promettente applicazione delle nanofibre è nelle maglie così sottili da consentire il passaggio solo di particelle su scala nanometrica. L'esempio nel nuovo articolo viene ancora dalla ricerca energetica:le membrane che separano le metà di una cella a combustibile. Ma reti simili potrebbero essere utilizzate per filtrare l'acqua. Tali applicazioni, Velásquez-García dice, dipendono in modo determinante dalla consistenza del diametro della fibra, un altro aspetto in cui la nuova tecnica offre vantaggi rispetto ai suoi predecessori.

Le tecniche di elettrofilatura esistenti si basano generalmente su piccoli ugelli, attraverso il quale viene forzato il polimero disciolto. Variazioni nelle condizioni operative e nella forma degli ugelli possono causare grandi variazioni nel diametro della fibra, e l'idraulica degli ugelli significa che non possono essere imballati così strettamente insieme. Alcuni produttori hanno sviluppato dispositivi per la filatura delle fibre che utilizzano campi elettrostatici, ma i loro emettitori sono realizzati utilizzando processi molto più rozzi rispetto alle tecniche di produzione di chip sfruttate dai ricercatori MTL. Come conseguenza, non solo le matrici di punte sono molto meno dense, ma i dispositivi consumano più energia.

"Il campo elettrostatico aumenta se il diametro della punta è più piccolo, " dice Velásquez-García. "Se avete consigli su, dire, diametro millimetrico, quindi se applichi abbastanza tensione, si può innescare la ionizzazione del liquido e delle fibre spin. Ma se riesci a renderli più nitidi, allora hai bisogno di molta meno tensione per ottenere lo stesso risultato."

vimini malvagio

L'uso delle tecnologie di microfabbricazione non solo ha permesso ai ricercatori MTL di imballare i loro coni più strettamente e affilare le loro punte, ma dava loro anche un controllo molto più preciso della struttura delle superfici dei coni. Infatti, i lati dei coni hanno una trama ruvida che aiuta i coni ad assorbire il fluido in cui è disciolto il polimero. Negli esperimenti in corso, i ricercatori hanno anche ricoperto i coni con quella che Velásquez-García descrive come una "lana" di nanotubi di carbonio, che dovrebbe funzionare meglio con alcuni tipi di materiali.

Infatti, Velásquez-García dice, i risultati del suo gruppo dipendono non solo dal design degli stessi emettitori, ma su un preciso equilibrio tra la struttura dei coni e il loro rivestimento strutturato, l'intensità del campo elettrostatico, e la composizione del bagno fluido in cui sono immersi i coni.

"Produrre emettitori esattamente identici in parallelo con un'elevata precisione e un'elevata produttività:questo è il loro contributo principale, secondo me, "dice Antonio Luque Estepa, un professore associato di ingegneria elettrica presso l'Università di Siviglia, specializzato in deposizione elettrospray ed elettrofilatura. "Fabbricarne uno è facile. Ma 100 o 1, 000 di loro, non è così facile. Molte volte ci sono problemi con le interazioni tra un output e l'output accanto."

La tecnica di microfabbricazione che impiega il gruppo di Velásquez-García, Luca aggiunge, "non limita il numero di uscite che possono integrare su un chip." Sebbene resti da vedere fino a che punto il gruppo può aumentare la densità di emettitori, Luca dice, è fiducioso che "possono fare un aumento di dieci volte rispetto a ciò che è disponibile in questo momento".

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca del MIT, innovazione e didattica.