MIT： 解鎖納米纖維的潛力

?

MIT： 解鎖納米纖維的潛力

納米纖維是指直徑只有幾百納米的聚合物纖維，它在太陽能電池、水過濾及燃料電池等方面具有很大的應用潛力，但目前為止，由于其制造成本較高，只運用在幾個細分行業(yè)。

美國麻省理工學院的研究人員提出了一種生產納米纖維的新技術，可以將生產率提高4倍，同時減少90%以上的能源消耗。這是一種成本較低而高效的納米纖維生產技術。

麻省理工微系統(tǒng)技術實驗室是通過超先進的靜電紡絲技術制備納米纖維的，這一方法開發(fā)了一種有趣的可能性。研發(fā)團隊人員正努力進一步推動3D打印，以打印轉換、驅動或不同領域間能量交換(例如太陽能到電能或機械能)的組件。他們找到了一些適合這一情形的東西。用一些可以想象成點陣發(fā)射器陣列的打印器來單獨控制每個發(fā)射器，從而沉積納米纖維。

納米纖維比表面積大的優(yōu)勢，使它在一些領域有很大應用。例如：太陽能電池，納米纖維可以最大限度地暴露在太陽下；燃料電池電極，可以在納米纖維表面發(fā)生催化反應。納米纖維也可以生產一類材料，如水過濾器，或具有軟質、高強、如同身體的防護盔甲，這種材料只有在非常小的尺度上才具有滲透性。

納米纖維制備的常用技術是靜電紡絲，它有兩種方法。一種是聚合物溶液通過一個小的噴嘴壓出，然后在強電場下拉伸。但這個過程很慢，由于液壓泵的尺寸因素，單位面積噴嘴的數量是有限的。另一種方法是在鐵覆蓋的旋轉筒和集電極間施加一個電壓，將尖錐浸漬在聚合物溶液中，電場使溶液流動到錐形體的頭部，由此發(fā)射到電極上形成纖維。但這種方法不穩(wěn)定，產生的纖維長度不均勻，且制備過程要求的電壓高達100 kV。

麻省理工學院的研究人員采用了第二種方法，但尺寸小很多。他們通過微機電系統(tǒng)技術制造了密集微小的發(fā)射陣列。發(fā)射器的小尺寸減小了驅動所需的電壓，并且可以將很多個發(fā)射器排列在一起，生產效率得以提高。同時，在發(fā)射器的一側有塊狀的紋理蝕刻以調節(jié)流體向尖端流動的速率，從而在較高的生產速率下也能制造出均勻的纖維(圖1)。

圖1　　　　發(fā)射陣列有矩形蝕刻的新型超細纖維發(fā)射器的掃描電子顯微鏡照片(來源：麻省理工學院)

研究人員通過很多試驗證明了這種發(fā)射是均勻的。為了建立這種發(fā)射，使用了深層離子刻蝕技術。在硅晶片的兩個表面，都密集地刻蝕了數萬個微米級的矩形陣列來調節(jié)發(fā)射器兩側液體的流動。然后削減成鋸齒型晶片，鋸齒垂直安裝，將它的底部沉浸在去離子水、乙醇和可溶解的聚合物中。當電極安裝在鋸齒的對面，并在期間施加電壓，水-乙醇的混合溶液向上流，聚合物溶液隨著它向上流動。水和乙醇很快互溶，而在每一個發(fā)射器對面電極上留下了纏結的聚合物絲。研究人員能在一個邊長約35mm的正方形芯片上裝有225個幾毫米長的發(fā)射器。在相對低的電壓(約8 kV)下，該設備單位面積的纖維生產率是目前市場上最好的靜電紡絲裝置的4倍。

美國馬里蘭大學的研發(fā)人員認為這是一項杰出的且具有創(chuàng)造性的工作。它展示了傳統(tǒng)的MEMS(微機電系統(tǒng))的制造工藝在類似的納米制造上的應用。相對于其他方法它還有一個潛力，就是在保持生產過程的完整性和準確性的同時，還能擴大規(guī)模。

鐘曉慧 譯王依民 校