做座麻省理工研发出新型纳米纤维网格设备

麻省理工研发出新型纳米纤维格设备

麻省理工学院的研究人员一直在研究能够在一段时间内产生纳米纤维格的设备。

纳米纤维材料在许多应用中都很有价值:组织工程、太阳能电池、水过滤和防弹衣等。但是由纳米直径的纤维组成的格，在商界中并不是普遍存在，因为它们很难用现有的方法生产。然而，这种情况可能正在改变。

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现在，麻省理工学院的研究人员研发了新款设备，无论在生产率还是功率效率上和表现最好的前代设备一样好，但是有几点关键的不同。这种新装置大大降低了纤维直径的变化，并且是3D打印的。而前一款通过一个复杂过程在硅中蚀刻，并且需要在无尘室中进行。最新的设备不需要这样的预防措施。

新装置采用微流体技术，由一组小喷嘴组成，用于汲取含有聚合物颗粒的液体。它是用一种价值3500美元的商业3D打印机制造的。这种方法比以前的制造方法更便宜，也更可靠。

“我个人的看法是，在接下来的几年里没有人会在无尘室里做微流体，”MIT微系统的主要研究员 Luis Fernando Velsquez-Garca说，“因为没有理由这么做。3d打印技术可以做得更好为外观汽车部件中的功能性轻量化结构带来了无穷的可能—有更好的材料选择，并且有可能制造出你真正想要的结构。当你去无尘室时，很多时候你会牺牲你想要的几何形状，而且它短时间看非常昂贵。”

纳米材料因其高的相对表面积而被频繁采用。例如，它们在太阳能电池中很有用，因为太阳能电池需要在阳光中最大限度地曝光；燃料电池电极需要在其表面进行催化反应。纳米纤维也可以用于制造只能在很小的尺寸内渗透的材料，比如水过滤器；或者制造轻而高强度的材料，比如防弹衣。这些类型的应用要求纳米纤维有规则的直径。

“纤维的性能很大程度上取决于其直径，”Velsquez-Garca说，“如果你有明确的范围，那就意味着真正起作用的纤维只有百分之几。例如，你有一个过滤器，孔洞直径在50纳米和1微米之间，那实际上是1微米过滤器。”

前一款在硅上进行蚀刻的设备是外部送料的，意味着电场牵引聚合物溶液到侧面单独的滴头。蚀刻进侧面滴头的矩形柱控制液体流动，但是无法防止纤维形成不规则的直径。然而新3D打印设备的滴头是内部送料的。孔洞从中间穿过，液压将流体推入洞中直到填满。然后电场将流体抽到细小的纤维中。

在滴头的下面，送料的通道被包裹进线圈并在长度上呈锥形，这可以控制纳米纤维的直径。使用传统技术几乎不可能创造出这种锥度，这就是为什么3D打印如此有价值的原因。设备的喷嘴排列成两排，彼此之间稍微偏置。该装置的设计目的是展示均衡的纳米纤维，当它们被旋转鼓轮收集时可以便于广大客户材料研究需要以保护它们的相对位置。均衡的纳米纤维对于像组织脚手架等应用很有用。

为了创造这样一个设备，从理论概念到发表论文通常需要两年的时间。而用3D打印，这个过程只花了将近一年的时间，因为团队能够快速地生产和测试设计。在项目的过程中，研究人员能够测试70次设计。

“这种能确切地设计静电纺丝纤维的位置和尺寸的方法允许你开始思考这些纤维产生的机械性能。它允许你思考在纤维的特定方向上的优先单元生长—那有很多好的机会。” 宾州大学的教授 Mark Allen说。他同时任命于电气及系统工程和机械工程及应用力学专业。“我预期有人会采用这种技术并以非常有创意的方式使用它。如果你确定需要这种类型的工程纤维络，我认为这是实现这一目标的一种非常优雅的方式。”