Le reti realizzate con fibre con diametri su scala nanometrica hanno una vasta gamma di potenziali applicazioni, compresa l'ingegneria dei tessuti, filtrazione dell'acqua, celle solari, e persino l'armatura. Ma la loro commercializzazione è stata ostacolata da tecniche di produzione inefficienti.

Nell'ultimo numero della rivista Nanotecnologia , I ricercatori del MIT descrivono un nuovo dispositivo per la produzione di reti di nanofibre, che corrisponde alla velocità di produzione e all'efficienza energetica del suo predecessore più performante, ma riduce significativamente la variazione dei diametri delle fibre, una considerazione importante nella maggior parte delle applicazioni.

Ma mentre il dispositivo precedente, dallo stesso gruppo del MIT, è stato inciso nel silicio attraverso un processo complesso che richiedeva una "camera pulita" a camera d'aria, " il nuovo dispositivo è stato costruito utilizzando un $ 3, 500 stampante 3D commerciale. Il lavoro punta quindi verso la produzione di nanofibre che non è solo più affidabile ma anche molto più economica.

Il nuovo dispositivo consiste in una serie di piccoli ugelli attraverso i quali viene pompato un fluido contenente particelle di un polimero. Come tale, è ciò che è noto come dispositivo microfluidico.

"La mia opinione personale è che nei prossimi anni, nessuno farà microfluidica nella camera bianca, "dice Luis Fernando Velásquez-García, uno dei principali ricercatori nei laboratori di tecnologia dei microsistemi del MIT e autore senior del nuovo documento. "Non c'è motivo per farlo. La stampa 3D è una tecnologia che può farlo molto meglio, con una migliore scelta di materiali, con la possibilità di realizzare realmente la struttura che vorresti realizzare. Quando vai in camera bianca, molte volte sacrifichi la geometria che vuoi realizzare. E il secondo problema è che è incredibilmente costoso".

Velásquez-García è affiancato sulla carta da due postdoc nel suo gruppo, Erika García-López e Daniel Olvera-Trejo. Entrambi hanno ricevuto i loro dottorati dal Tecnológico de Monterrey in Messico e hanno lavorato con Velásquez-García attraverso il MIT e la partnership di ricerca sulle nanotecnologie di Tecnológico de Monterrey.

Svuotato

Le nanofibre sono utili per qualsiasi applicazione che beneficia di un elevato rapporto tra superficie e volume, come celle solari, che cercano di massimizzare l'esposizione alla luce solare, o elettrodi per celle a combustibile, che catalizzano le reazioni sulla loro superficie. Le nanofibre possono anche produrre materiali permeabili solo su scale molto piccole, come filtri per l'acqua, o che sono notevolmente dure per il loro peso, come l'armatura.

La maggior parte di tali applicazioni dipende da fibre con diametri regolari. "Le prestazioni delle fibre dipendono fortemente dal loro diametro, " Velásquez-García dice. "Se hai una diffusione significativa, ciò che realmente significa è che solo una piccola percentuale funziona davvero. Esempio:hai un filtro, e il filtro ha pori tra 50 nanometri e 1 micron. Questo è davvero un filtro da 1 micron."

Poiché il dispositivo precedente del gruppo era inciso nel silicio, era "alimentato esternamente, " il che significa che un campo elettrico ha attirato una soluzione polimerica sui lati dei singoli emettitori. Il flusso del fluido era regolato da colonne rettangolari incise sui lati degli emettitori, ma era ancora abbastanza irregolare da produrre fibre di diametro irregolare.

I nuovi emettitori, al contrario, sono "alimentati internamente":hanno fori praticati attraverso di loro, e la pressione idraulica spinge il fluido nei fori finché non vengono riempiti. Solo allora un campo elettrico attira il fluido in minuscole fibre.

Sotto gli emettitori, i canali che alimentano i fori sono avvolti in bobine, e si assottigliano gradualmente lungo la loro lunghezza. Quella conicità è la chiave per regolare il diametro delle nanofibre, e sarebbe praticamente impossibile da ottenere con tecniche di microfabbricazione in camera bianca. "La microfabbricazione è davvero pensata per fare tagli dritti, " dice Velásquez-García.

Iterazione veloce

Nel nuovo dispositivo, gli ugelli sono disposti su due file, che sono leggermente sfalsati tra loro. Questo perché il dispositivo è stato progettato per dimostrare nanofibre allineate, nanofibre che conservano la loro posizione relativa mentre vengono raccolte da un tamburo rotante. Le nanofibre allineate sono particolarmente utili in alcune applicazioni, come l'impalcatura dei tessuti. Per applicazioni in cui le fibre non allineate sono adeguate, gli ugelli possono essere disposti a griglia, aumento della velocità di produzione.

Oltre alla flessibilità dei costi e del design, Velásquez-García dice, un altro vantaggio della stampa 3D è la capacità di testare e rivedere rapidamente i progetti. Con i dispositivi microfabbricati del suo gruppo, lui dice, in genere ci vogliono due anni per passare dalla modellazione teorica a un documento pubblicato, e nel frattempo, lui ei suoi colleghi potrebbero essere in grado di testare due o tre variazioni sul loro progetto di base. Con il nuovo dispositivo, lui dice, il processo è durato più di un anno, e sono stati in grado di testare 70 iterazioni del progetto.

"Un modo per ingegnerizzare in modo deterministico la posizione e le dimensioni delle fibre elettrofilate consente di iniziare a pensare di poter controllare le proprietà meccaniche dei materiali che sono costituiti da queste fibre. Consente di pensare alla crescita cellulare preferenziale lungo particolari direzioni nelle fibre —molte buone potenziali opportunità lì, "dice Mark Allen, l'Alfred Fitler Moore Professor all'Università della Pennsylvania, con incarichi congiunti in ingegneria elettrica e dei sistemi e ingegneria meccanica e meccanica applicata. "Prevedo che qualcuno prenderà questa tecnologia e la utilizzerà in modi molto creativi. Se hai bisogno di questo tipo di rete in fibra progettata in modo deterministico, Penso che sia un modo molto elegante per raggiungere questo obiettivo".