纳米科学：3D打印设备可构建更好的纳米纤维！

由纳米级直径纤维制成的网格具有广泛的潜在应用，包括组织工程，水过滤，太阳能电池，甚至防弹衣。但是他们的商业化受到低效制造技术的阻碍。

在最新一期的纳米技术期刊中，麻省理工学院的研究人员描述了一种用于生产纳米纤维网格的新设备，该设备与其性能最佳的前代产品的生产率和功率效率相匹配，但显着降低了纤维直径的变化，这是大多数人的重要考虑因素。应用。

但是，来自同一麻省理工学院的前代设备通过复杂的工艺蚀刻成硅，需要一个气密的“洁净室”，新设备是使用价值3,500美元的商用3-D打印机制造的。因此，该工作指向纳米纤维制造，其不仅更可靠而且更便宜。

新装置由一系列小喷嘴组成，通过这些小喷嘴泵送含有聚合物颗粒的流体。因此，它就是所谓的微流体装置。

“我个人认为，在未来几年内，没有人会在洁净室中做微流体，”麻省理工学院微系统技术实验室的首席研究科学家，新论文的高级作者LuisFernandoVelsquez-Garca说。“没有理由这样做.3-D打印是一种可以做得更好的技术- 更好的材料选择，可以真正制作你想要制作的结构。当你去干净的时候房间，很多时候你牺牲了你想要制作的几何形状。第二个问题是它非常昂贵。“

Velsquez-Garca在他的小组ErikaGarca-Lpez和Daniel Olvera-Trejo的两位博士后加入了论文。两人均获得了墨西哥TecnolgicodeMonterrey的博士学位，并通过麻省理工学院和蒙特雷TecnolgicodeMonterrey的纳米技术研究合作伙伴关系与Velsquez-Garca合作。

挖空了

纳米纤维可用于任何受益于高表面积与体积比的应用- 例如太阳能电池，其试图最大化暴露于阳光下，或燃料电池电极，其催化其表面的反应。纳米纤维还可以产生仅在非常小的尺度下可渗透的材料，例如水过滤器，或者对于它们的重量而言非常坚韧的材料，例如防弹衣。

大多数此类应用依赖于具有规则直径的纤维。“纤维的性能很大程度上取决于它们的直径，”Velsquez-Garca说。“如果你有一个显着的传播，那真正意味着只有百分之几是真的有效。例如：你有一个过滤器，过滤器的孔隙在50纳米到1微米之间。这真的是一个1微米的过滤器。”

因为该组的早期器件是在硅中蚀刻的，所以它是“外部馈电的”，这意味着电场将聚合物溶液吸引到各个发射器的侧面。通过蚀刻到发射器侧面的矩形柱来调节流体流动，但是它仍然不稳定以产生不规则直径的纤维。

相比之下，新的发射器是“内部进给的”：它们有穿过它们的孔，液压将流体推入孔中直到它们被填满。只有这样，电场才能将流体吸收到细小的纤维中。

在发射器下方，供给孔的通道被包裹成线圈，并且它们沿着它们的长度逐渐变细。这种锥度是调节纳米纤维直径的关键，用洁净室微细加工技术实现这一点几乎是不可能的。“微加工真的意味着直接削减，”Velsquez-Garca说。

快速迭代

在新装置中，喷嘴布置成两排，它们彼此略微偏移。这是因为该设备被设计用于展示对齐的纳米纤维- 纳米纤维，当它们被旋转鼓收集时保持它们的相对位置。对齐的纳米纤维在一些应用中特别有用，例如组织支架。对于未对准光纤足够的应用，喷嘴可以布置成网格，从而提高输出速率。

Velsquez-Garca说，除了成本和设计灵活性之外，三维打印的另一个优点是能够快速测试和修改设计。他说，利用他的团队的微型制造设备，从理论建模到发表论文通常需要两年时间，在此期间，他和他的同事可能能够测试两到三个基本设计的变化。他说，使用这种新设备，这个过程花费了将近一年的时间，他们能够测试70次设计的迭代。

“确定性地设计电纺纤维的位置和尺寸的方法允许您开始考虑能够控制由这些纤维制成的材料的机械性能。它允许您考虑沿纤维中特定方向的优先细胞生长那里有很多潜在的机会，“宾夕法尼亚大学的Alfred Fitler摩尔教授马克艾伦说，他在电气和系统工程以及机械工程和应用力学方面有联合任命。“我预计有人会采用这种技术并以非常有创意的方式使用它。如果你需要这种确定性设计的光纤网络，我认为这是实现这一目标的一种非常优雅的方式。”