MIT： 解锁纳米纤维的潜力



MIT： 解锁纳米纤维的潜力

纳米纤维是指直径只有几百纳米的聚合物纤维，它在太阳能电池、水过滤及燃料电池等方面具有很大的应用潜力，但目前为止，由于其制造成本较高，只运用在几个细分行业。

美国麻省理工学院的研究人员提出了一种生产纳米纤维的新技术，可以将生产率提高4倍，同时减少90%以上的能源消耗。这是一种成本较低而高效的纳米纤维生产技术。

麻省理工微系统技术实验室是通过超先进的静电纺丝技术制备纳米纤维的，这一方法开发了一种有趣的可能性。研发团队人员正努力进一步推动3D打印，以打印转换、驱动或不同领域间能量交换(例如太阳能到电能或机械能)的组件。他们找到了一些适合这一情形的东西。用一些可以想象成点阵发射器阵列的打印器来单独控制每个发射器，从而沉积纳米纤维。

纳米纤维比表面积大的优势，使它在一些领域有很大应用。例如：太阳能电池，纳米纤维可以最大限度地暴露在太阳下；燃料电池电极，可以在纳米纤维表面发生催化反应。纳米纤维也可以生产一类材料，如水过滤器，或具有软质、高强、如同身体的防护盔甲，这种材料只有在非常小的尺度上才具有渗透性。

纳米纤维制备的常用技术是静电纺丝，它有两种方法。一种是聚合物溶液通过一个小的喷嘴压出，然后在强电场下拉伸。但这个过程很慢，由于液压泵的尺寸因素，单位面积喷嘴的数量是有限的。另一种方法是在铁覆盖的旋转筒和集电极间施加一个电压，将尖锥浸渍在聚合物溶液中，电场使溶液流动到锥形体的头部，由此发射到电极上形成纤维。但这种方法不稳定，产生的纤维长度不均匀，且制备过程要求的电压高达100 kV。

麻省理工学院的研究人员采用了第二种方法，但尺寸小很多。他们通过微机电系统技术制造了密集微小的发射阵列。发射器的小尺寸减小了驱动所需的电压，并且可以将很多个发射器排列在一起，生产效率得以提高。同时，在发射器的一侧有块状的纹理蚀刻以调节流体向尖端流动的速率，从而在较高的生产速率下也能制造出均匀的纤维(图1)。

图1　　　　发射阵列有矩形蚀刻的新型超细纤维发射器的扫描电子显微镜照片(来源：麻省理工学院)

研究人员通过很多试验证明了这种发射是均匀的。为了建立这种发射，使用了深层离子刻蚀技术。在硅晶片的两个表面，都密集地刻蚀了数万个微米级的矩形阵列来调节发射器两侧液体的流动。然后削减成锯齿型晶片，锯齿垂直安装，将它的底部沉浸在去离子水、乙醇和可溶解的聚合物中。当电极安装在锯齿的对面，并在期间施加电压，水-乙醇的混合溶液向上流，聚合物溶液随着它向上流动。水和乙醇很快互溶，而在每一个发射器对面电极上留下了缠结的聚合物丝。研究人员能在一个边长约35mm的正方形芯片上装有225个几毫米长的发射器。在相对低的电压(约8 kV)下，该设备单位面积的纤维生产率是目前市场上最好的静电纺丝装置的4倍。

美国马里兰大学的研发人员认为这是一项杰出的且具有创造性的工作。它展示了传统的MEMS(微机电系统)的制造工艺在类似的纳米制造上的应用。相对于其他方法它还有一个潜力，就是在保持生产过程的完整性和准确性的同时，还能扩大规模。

钟晓慧 译王依民 校