3D印刷喷嘴系统构建更好的纳米纤维

3D印刷制造装置可以挤出直径为75纳米的纤维，或者千分之一的人头发的宽度。图像：Luis FernandoVelásquez-garcía

在新出版的论文中，麻省理工学院研究人员描述了一种用于生产纳米纤维网格的新装置，其与其最佳性能的前身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。

由具有纳米级直径的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，太阳能电池和甚至是体铠装。但他们的商业化因效率低下的制造技术而受到阻碍。

但是，除了从同一麻省理工节组中蚀刻到硅中的前任设备，通过一个需要一个有气锁的“洁净室”的复杂过程，新设备是使用3,500美元的商用3-D打印机建造的。因此，工作指向纳米纤维制造，不仅更可靠，而且更便宜。

新装置包括一系列小喷嘴，通过该阵列通过该阵列泵送了含有聚合物的颗粒的流体。因此，它是一种被称为微流体装置。

“我的个人观点是，在未来几年内，没有人会在洁净室中进行微流体，”麻省理工学院MicroSystems技术实验室和新纸上的高级作者，Luis FernandoVelásquaryz-García说。“没有理由这样做。3-D印刷是一种技术可以更好地做得更好 - 具有更好的材料选择，有可能真正制作您想要制作的结构。当你去干净的房间时，很多时候你牺牲了你想要的几何。第二个问题是它令人难以置信的昂贵。“

在他的小组，ErikaGarcía-lópez和Daniel Olvera-Trejo，由两名邮政编码加入纸质赛车。两者都接受了墨西哥TecnológicodeMonterrey的博士，并通过MIT和TecnológicodeMonterrey'Snotech研究合作伙伴关系工作，与Velásquez-garcía一起使用。

掏空

纳米纤维可用于任何益处的申请，该应用从表面积的高比率与体积 - 如太阳能电池，这试图最大限度地暴露于阳光或燃料电池电极，或燃料电池电极，该燃料电池电极促进其表面的反应。纳米纤维还可以产生仅在非常小的鳞片（例如水过滤器）的材料中渗透物质，或者对于它们的重量非常韧，例如体铠装。

大多数此类应用依赖于规则直径的纤维。“纤维的性能强烈取决于直径，”Velásquez-garcía说。“如果您有重大传播，那么真正意味着只有几个百分点真的工作。例子：您有一个过滤器，过滤器有50纳米和1微米之间的毛孔。这真的是一个1微米过滤器。“

由于该组的早期设备在硅中蚀刻，因此“外部送入”，这意味着电场将聚合物溶液提升到近磷发射器的侧面。通过蚀刻到发射器的侧面中的矩形柱调节流体流动，但仍然足够不稳定，以产生不规则直径的纤维。

相比之下，新的发射商是“内部喂养”的：它们通过它们钻孔孔，液压将流体推入孔中，直至它们填充。只有这样，电场才会将流体拉出到微小的纤维中。

在发射器下方，喂食孔的通道被包裹成线圈，并且它们沿其长度逐渐逐渐变细。锥度是调节纳米纤维直径的关键，并且利用洁净室微制造技术几乎不可能实现。“微制造真的意味着直接切割，”Velásquez-garcía说。

快速迭代

在新设备中，喷嘴布置成两排，彼此略微偏移。这是因为该装置被设计成展示对齐的纳米纤维 - 纳米纤维，其保持其相对位置，因为它们由旋转鼓收集。对齐的纳米纤维在一些应用中特别有用，例如组织脚手架。对于未对齐的纤维足够的应用，喷嘴可以以电网布置，增加输出速率。

除了成本和设计灵活性外，Velásquez-garcía表示，3-D打印的另一个优点是能够快速测试和修改设计。他说，随着他的小组的微制订设备，它通常需要两年时间才能从理论上建模到发表的论文，并且在临时，他和他的同事可能能够测试其基本设计的两三种变化。他说，随着新设备，该过程接近一年，他们能够测试70次设计的迭代。

“一种确定性地工程师的方法，电纺纤维的位置和尺寸允许您开始思考能够控制由这些纤维制成的材料的机械性能。它允许您思考纤维中特定方向的优先细胞增长 - 在宾夕法尼亚大学的阿尔弗雷德佩德勒·摩尔教授Mark Allen说，在宾夕法尼亚大学，在电气和系统工程和机械工程中联合约会和应用力学。“我预计有人会采取这项技术并以非常有创造的方式使用它。如果您需要这种类型的确定性设计的光纤网络，我认为这是实现这一目标的非常优雅的方式。“

出版物：ErikaGarcía-López等，“3D印刷多路复用静电纺丝源，用于大型直径扩散的对齐纳米纤维垫，”2017年纳米技术; DOI：10.1088 / 1361-6528 / AA86CC