Elettrofilatura, un metodo di fabbricazione delle nanofibre, in grado di produrre ceramiche da nanometri a micrometri di diametro, polimero, e fibre metalliche di varia composizione per un ampio spettro di applicazioni:ingegneria tissutale, filtrazione, celle a combustibile e batterie al litio. Questi materiali hanno proprietà uniche a causa della loro morfologia ad alto rapporto d'aspetto e dell'ampia superficie.

Eppure il loro sviluppo è stato in gran parte per tentativi ed errori, rendendo difficile la riproduzione affidabile in ambienti industriali. Questa sfida deriva da una mancanza di comprensione delle dinamiche sottostanti durante il processo, che coinvolge più di 10 parametri di controllo.

L'Argonne National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE) sta eliminando le congetture dall'elettrofilatura sfruttando la sua suite unica di funzionalità per creare un database che metta in relazione i parametri della macchina per l'elettrofilatura con le proprietà delle nanofibre. La suite consentirà alle aziende di progettare materiali ottimizzati per applicazioni specifiche alla massima velocità, rendendo anche possibile il feedback e il controllo in tempo reale sul piano di produzione.

L'avanzato impianto di elettrofilatura fa parte della scienza di produzione avanzata e dello sforzo ingegneristico di Argonne per accelerare lo sviluppo dei materiali e i processi di produzione sviluppando tecnologie di piattaforma potenziate con sistemi informatici e diagnostici all'avanguardia. Questa combinazione consente una scienza predittiva che riduce la costosa prototipazione per tentativi ed errori. Il progetto è finanziato dal programma di ricerca e sviluppo diretto da laboratorio di Argonne (LDRD).

Argonne è in una posizione unica per far progredire la tecnologia dell'elettrofilatura grazie a una combinazione di esperienza nello sviluppo dei materiali e nella scalabilità, insieme alle capacità diagnostiche uniche disponibili presso l'Advanced Photon Source (APS), un DOE Office of Science User Facility e la sorgente di raggi X di sincrotrone a più alta energia della nazione.

I ricercatori, guidato dallo scienziato dei materiali delle Argonne Yuepeng Zhang, stanno conducendo misurazioni a raggi X in situ sulla linea di luce 12 ID-B presso l'APS. Le misurazioni catturano in tempo reale strutture, informazioni fisiche e chimiche dalle nanofibre mentre si formano e cambiano durante la lavorazione, facilitando la correlazione con i parametri di elaborazione (es. voltaggio, distanza di lavoro e viscosità precursore).

Zhang dice, "Le misurazioni forniscono, per la prima volta, una comprensione sistematica dei processi di filatura e ricottura per controllare e migliorare le prestazioni del prodotto".

Il prossimo passo è inserire i dati dei raggi X in algoritmi di apprendimento automatico che funzionano su strutture di calcolo ad alte prestazioni ad Argonne. Questi calcoli ottimizzeranno ulteriormente la velocità, ridurre i difetti dei materiali, prevedere nuove proprietà ed eliminare la costosa prototipazione per tentativi ed errori.

La capacità di elettrofilatura può anche essere adattata per l'uso con processi di produzione roll-to-roll (che comportano l'elaborazione continua di un substrato flessibile mentre viene trasferito tra due rulli di materiale in movimento) per accelerare la commercializzazione e ridurre i costi. Argonne sta dimostrando il concetto roll-to-roll e la sua prima applicazione producendo elettroliti allo stato solido LLZO di grandi aree per applicazioni di accumulo di energia.

L'industria può collaborare con gli esperti di Argonne per sviluppare processi di elettrofilatura per i materiali esistenti, oltre a collaborare su materiali e design nuovi o emergenti (compositi), compreso l'aumento di scala.