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3-D印刷設(shè)備構(gòu)建更好的納米纖維

2017-11-03 10:45:41 作者：本網(wǎng)整理來源：材料科技在線分享至：

3-D印刷的制造裝置可以擠出直徑僅為75納米或人頭發(fā)寬度的千分之一的纖維。來源：Luis FernandoVelásquez-García

由納米級直徑的纖維制成的網(wǎng)格可以應(yīng)用在很多方面，包括組織工程，水過濾，太陽能電池，甚至身體護甲。但是，它們的商業(yè)化受到制造技術(shù)效率低下的制約。

在最新一期的納米技術(shù)雜志上，麻省理工學(xué)院的研究人員介紹了一種用于生產(chǎn)納米纖維網(wǎng)格的新器件，該設(shè)備使生產(chǎn)率與其性能最好的前身的功率效率相匹配，而且有效減少了纖維直徑的變化，這是大多數(shù)應(yīng)用是的重要因素。

但是，來自麻省理工學(xué)院同一組的前身設(shè)備是通過安裝空氣“潔凈室”的復(fù)雜過程被刻蝕成硅，新設(shè)備是使用3,500美元的商用3-D打印機構(gòu)建的。因此，這項工作指向納米纖維制造，不僅更可靠，而且便宜。

新裝置由一組小型噴嘴組成，其中包含泵送的聚合物顆粒的流體。因此，它是所謂的微流體裝置。

麻省理工學(xué)院微系統(tǒng)技術(shù)實驗室的主要研究科學(xué)家和新文章的資深作者路易斯•費爾南多•韋拉斯奎斯-加西亞（Luis FernandoVelásquez-García）說：“我個人認為，在未來幾年內(nèi)，沒有人會在潔凈室內(nèi)做微流體。“沒有理由這樣做，3-D打印是一種可以做得更好的技術(shù)，有更多的選擇材料，可以真正做出你想要的結(jié)構(gòu)，當你經(jīng)常去干凈房間時，你就犧牲了你想要制作的幾何，第二個問題是它是非常昂貴的。”

Velásquez-García加入他的團體的ErikaGarcía-López和Daniel Olvera-Trejo兩個博士后的論文中。兩人都在墨西哥的Tecnológicode Monterrey獲得博士學(xué)位，并通過作為MIT和Tecnológicode Monterrey的納米研究伙伴與Velásquez-García合作。
空出來

納米纖維可用于受益于表面積與體積比例高的任何應(yīng)用，例如試圖最大限度地暴露在陽光下的太陽能電池，或催化其表面反應(yīng)的燃料電池電極。納米纖維還可以生產(chǎn)僅在非常小的尺度下滲透的材料，例如水過濾器，或者對于它們的重量非常堅硬，例如身體護甲。

以它們的交錯間隔，發(fā)射器可以產(chǎn)生緊密堆積的“對準的”納米纖維，這意味著它們可以收集在旋轉(zhuǎn)鼓上而不重疊。來源：Luis FernandoVelásquez-García

大多數(shù)這種應(yīng)用取決于具有規(guī)則直徑的纖維。 Velásquez-García說：“纖維的性能主要取決于它們的直徑。 “如果你有一個明顯的差距，那真正意味著只有幾個百分點是真正的工作。例如：你有一個過濾器，過濾器的孔隙在50納米和1微米之間，這真的是一個1微米的過濾器。

因為該組的早期器件是在硅片中蝕刻的，所以它被“外部饋電”，這意味著電場在各個發(fā)射極的側(cè)面上提取聚合物溶液。流體流動由蝕刻到發(fā)射器側(cè)面的矩形柱調(diào)節(jié)，但仍然不穩(wěn)定，以產(chǎn)生不規(guī)則直徑的纖維。

相比之下，新發(fā)射器是“內(nèi)部供電的”：它們有孔穿過它們，液壓將液體推入孔中直到它們被填滿。只有這樣，電場才能將流體吸引到微小的纖維中。

在發(fā)射器的下面，將鉆孔的通道纏繞成線圈，并沿著它們的長度逐漸變細。該錐度是調(diào)節(jié)納米纖維直徑的關(guān)鍵，實際上不可能用潔凈室微細加工技術(shù)實現(xiàn)。Velásquez-García說：“微加工確實是為了直線切割。

在新裝置中，噴嘴被排列成彼此稍微偏移的兩排。這是因為該器件被設(shè)計用來展示納米纖維 - 納米纖維的對準，它們通過旋轉(zhuǎn)鼓收集時保持其相對位置。對齊的納米纖維在一些應(yīng)用中特別有用，例如組織腳手架。為了充分應(yīng)用未對準的纖維，噴嘴可以布置成格柵，從而提高輸出速率。

快速迭代

Velásquez-García表示，除了成本和設(shè)計靈活性之外，3D打印的另一個優(yōu)勢是能夠快速測試和修改設(shè)計。他說：“他的團隊的微加工設(shè)備，從理論建模到發(fā)表的論文通常需要兩年時間，在此期間，他和他的同事們可能會在基本設(shè)計上測試兩三個變體。使用新設(shè)備，這個過程已經(jīng)接近一年了，他們能夠測試70次迭代的設(shè)計。”

在電氣和系統(tǒng)工程以及機械工程和應(yīng)用力學(xué)方面聯(lián)合任命的賓夕法尼亞大學(xué)(Alfred Fitler）摩爾教授馬克•艾倫教授（Mark Allen）說：“確定性地設(shè)計電紡纖維的位置和尺寸的一種方法可以讓您開始考慮能夠控制由這些纖維制成的材料的機械性能，它允許您考慮纖維中特定方向的優(yōu)先細胞生長。“我預(yù)計有人會采用這種技術(shù)，并以非常有創(chuàng)意的方式使用它，如果您需要這種確定性設(shè)計的光纖網(wǎng)絡(luò)，我認為這是實現(xiàn)這一目標的一種非常優(yōu)雅的方式。”