3-D印刷设备构建更好的纳米纤维

2017-11-03 10:45:41 作者：本网整理来源：材料科技在线分享至：

3-D印刷的制造装置可以挤出直径仅为75纳米或人头发宽度的千分之一的纤维。来源：Luis FernandoVelásquez-García

由纳米级直径的纤维制成的网格可以应用在很多方面，包括组织工程，水过滤，太阳能电池，甚至身体护甲。但是，它们的商业化受到制造技术效率低下的制约。

在最新一期的纳米技术杂志上，麻省理工学院的研究人员介绍了一种用于生产纳米纤维网格的新器件，该设备使生产率与其性能最好的前身的功率效率相匹配，而且有效减少了纤维直径的变化，这是大多数应用是的重要因素。

但是，来自麻省理工学院同一组的前身设备是通过安装空气“洁净室”的复杂过程被刻蚀成硅，新设备是使用3,500美元的商用3-D打印机构建的。因此，这项工作指向纳米纤维制造，不仅更可靠，而且便宜。

新装置由一组小型喷嘴组成，其中包含泵送的聚合物颗粒的流体。因此，它是所谓的微流体装置。

麻省理工学院微系统技术实验室的主要研究科学家和新文章的资深作者路易斯•费尔南多•韦拉斯奎斯-加西亚（Luis FernandoVelásquez-García）说：“我个人认为，在未来几年内，没有人会在洁净室内做微流体。“没有理由这样做，3-D打印是一种可以做得更好的技术，有更多的选择材料，可以真正做出你想要的结构，当你经常去干净房间时，你就牺牲了你想要制作的几何，第二个问题是它是非常昂贵的。”

Velásquez-García加入他的团体的ErikaGarcía-López和Daniel Olvera-Trejo两个博士后的论文中。两人都在墨西哥的Tecnológicode Monterrey获得博士学位，并通过作为MIT和Tecnológicode Monterrey的纳米研究伙伴与Velásquez-García合作。
空出来

纳米纤维可用于受益于表面积与体积比例高的任何应用，例如试图最大限度地暴露在阳光下的太阳能电池，或催化其表面反应的燃料电池电极。纳米纤维还可以生产仅在非常小的尺度下渗透的材料，例如水过滤器，或者对于它们的重量非常坚硬，例如身体护甲。

以它们的交错间隔，发射器可以产生紧密堆积的“对准的”纳米纤维，这意味着它们可以收集在旋转鼓上而不重叠。来源：Luis FernandoVelásquez-García

大多数这种应用取决于具有规则直径的纤维。 Velásquez-García说：“纤维的性能主要取决于它们的直径。 “如果你有一个明显的差距，那真正意味着只有几个百分点是真正的工作。例如：你有一个过滤器，过滤器的孔隙在50纳米和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片中蚀刻的，所以它被“外部馈电”，这意味着电场在各个发射极的侧面上提取聚合物溶液。流体流动由蚀刻到发射器侧面的矩形柱调节，但仍然不稳定，以产生不规则直径的纤维。

相比之下，新发射器是“内部供电的”：它们有孔穿过它们，液压将液体推入孔中直到它们被填满。只有这样，电场才能将流体吸引到微小的纤维中。

在发射器的下面，将钻孔的通道缠绕成线圈，并沿着它们的长度逐渐变细。该锥度是调节纳米纤维直径的关键，实际上不可能用洁净室微细加工技术实现。Velásquez-García说：“微加工确实是为了直线切割。

在新装置中，喷嘴被排列成彼此稍微偏移的两排。这是因为该器件被设计用来展示纳米纤维 - 纳米纤维的对准，它们通过旋转鼓收集时保持其相对位置。对齐的纳米纤维在一些应用中特别有用，例如组织脚手架。为了充分应用未对准的纤维，喷嘴可以布置成格栅，从而提高输出速率。

快速迭代

Velásquez-García表示，除了成本和设计灵活性之外，3D打印的另一个优势是能够快速测试和修改设计。他说：“他的团队的微加工设备，从理论建模到发表的论文通常需要两年时间，在此期间，他和他的同事们可能会在基本设计上测试两三个变体。使用新设备，这个过程已经接近一年了，他们能够测试70次迭代的设计。”

在电气和系统工程以及机械工程和应用力学方面联合任命的宾夕法尼亚大学(Alfred Fitler）摩尔教授马克•艾伦教授（Mark Allen）说：“确定性地设计电纺纤维的位置和尺寸的一种方法可以让您开始考虑能够控制由这些纤维制成的材料的机械性能，它允许您考虑纤维中特定方向的优先细胞生长。“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，如果您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。”