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新技术使纳米纤维生产率提高四倍

发布时间:2018-05-15

em麻省理工学院的科学家已经展示了一种通过静电纺丝生产纳米纤维的系统方法,该方法可提高产量,同时将能耗降低92%。 / em

纳米纤维 - 直径只有几百纳米的聚合物长丝 - 具有广泛的潜在应用范围,从太阳能电池到水过滤到燃料电池。但到目前为止,他们的制造成本很高,已经把他们降到了少数几个行业。

在最新一期的“纳米技术”杂志中,麻省理工学院的研究人员描述了一种生产纳米纤维的新技术,将生产率提高四倍,同时将能耗降低90%以上,从而展示了廉价高效纳米纤维生产的前景。

麻省理工学院微系统技术实验室的主要研究科学家Luis FernandoVelásquez-García指出:“我们已经展示了一种通过静电纺丝生产纳米纤维的系统方法,该方法超越了现有技术的水平。 “但是这样做的方式开启了一个非常有趣的可能性。我们的团队和许多其他团体正在努力进一步推动3D打印,以便打印可以在不同领域之间交换能量(如太阳能,电动或机械)的传感器,进行传导的组件。我们有一些自然适合该图片的东西。我们拥有一系列可以被认为是点阵打印机的发射器,您可以单独控制每个发射器来打印纳米纤维。“

纠结的故事

纳米纤维适用于从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于阳光下的太阳能电池,或催化表面反应的燃料电池电极。纳米纤维也可以产生仅在非常小的尺度上可渗透的材料,例如水过滤器,或者对于它们的重量而言非常坚韧的材料如防弹衣。

制造纳米纤维的标准技术被称为静电纺丝,它有两个品种。首先,聚合物溶液通过小喷嘴泵入,然后强电场将其拉出。然而,这个过程很慢,每单位面积的喷嘴数量受到泵液压系统尺寸的限制。

另一种方法是在由金属锥体覆盖的旋转鼓和集电极之间施加电压。锥体浸入聚合物溶液中,电场使溶液流向锥体的顶部,在那里它作为纤维向电极发射。然而,这种方法是不稳定的,并且产生不均匀长度的纤维;它也需要高达100,000伏的电压。

小思考

Velásquez-García及其合着者 - 前机械工程硕士学生Philip Ponce de Leon;法拉西斯希尔是Velásquez-García集团的前博士后,目前在KLA-Tencor;和当前的博士后Eric Heubel--采用第二种方法,但规模小得多,采用微电子机械系统制造中常见的技术来生产密集的微型发射体阵列。发射器体积小,可降低驱动它们所需的电压,并允许将更多的电压封装在一起,从而提高生产率。

与此同时,在发射器侧面蚀刻的绒毛质地调节流体流向其顶端的速率,即使在高制造速率下也能产生均匀的纤维。 Velásquez-García说:“我们做了各种各样的实验,所有这些实验都表明排放量是统一的。”Velásquez-García说。

为了建立它们的发射器,Velásquez-García和他的同事们使用了一种称为深反应离子蚀刻的技术。在硅晶片的任一面上,它们都会蚀刻密集的微小矩形柱阵列 - 几十微米 - 这将调节流体在发射器两侧的流动。然后他们从晶圆上切出锯齿图案。锯齿垂直安装,并将其底座浸入去离子水,乙醇和溶解聚合物的溶液中。

当电极安装在锯齿对面并在它们之间施加电压时,水 - 乙醇混合物向上流动,同时拖动聚合物链。水和乙醇迅速溶解,在电极上留下与每个发射体相对的聚合物长丝的缠结。

研究人员能够在一面大约35毫米的方形芯片上打包数毫米长的225个发射器。在8000伏的较低电压下,该器件的单位面积纤维数量是最佳商业静电纺丝设备的四倍。

这项工作是“展示传统MEMS(微机电系统)制造工艺向平行纳米制造强大能力的优雅和创造性方式,”马里兰大学电气工程教授Reza Ghodssi说。他补充说,相对于其他方法,在保持应用处理方法的完整性和准确性的同时,“扩大了扩展的潜力”。

出版物:Philip J Ponce de Leon等人,“通过微制造的外部馈送发射器阵列的电流体动力学喷射的平行纳米制造”,Nanotechnology,2015,26,225301; DOI:10.1088 / 0957-4484 / 26 /二十二万五千三百○一分之二十二

资料来源:麻省理工学院新闻节目Larry Hardesty

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