webdonsk.ruКак сделать нановолокно
Добавил пользователь Евгений Кузнецов Обновлено: 03.09.2024
Нанотехнология – это технология производства материалов путем контролируемого манипулирования с атомами, молекулами и частицами сверхмалого размера для получения материалов с фундаментально новыми свойствами. Размерность наночастиц варьируется от0,1 до100 нм. На сегодняшний день в текстиле внедряются следующие нанотехнологии:
-заключительная отделка с использованием нанотехнологий.
Нановолокна можно производить, наполняятрадиционные волокнообразующие полимеры различными по конфигурации наночастицами химических веществ, или путем выработки ультратонких (диаметром в рамках наноразмеров) волокон.
В качестве наполнителей волокон широко используют углеродные нанотрубки с одной или несколькими стенками. Волокна, наполненные нанотрубками, приобретают уникальные свойства– они в6 раз прочнее стали и в100 раз легче ее. Наполнение волокон углеродными наночастицами на5-20% от массы придает им также сопоставимую с медью электропроводность и химическую устойчивость к действию многих реагентов. Углеродные нанотрубки используются в качестве армирующих структур, блоков для получения материалов с высокими прочностными свойствами: экранов дисплеев, сенсоров, хранилищ жидкого топлива, воздушных зондов и т.д. Например, при на- полнении углеродными нанотрубками поливинилспиртового волокна, полу- чаемого по коагуляционной технологии прядения, оно становится в120 раз выносливее, чем стальная проволока и в17 раз легче, чем волокно Кевлар. Подобные нановолокна уже сейчас начинают применять для производства взрывозащищающей одежды и одеял, защиты от электромагнитных излучений.
Интенсивно развиваются исследования и производство синтетических волокон, наполненных наночастицами оксидов металлов: ТiO2, Al2O3, ZnO, MgО. Такие волокна приобретают следующие свойства: фотокаталитическую активность; УФ-защиту; антимикробные свойства; электропроводность; гря- зеотталкивающие свойства; фотоокислительную способность в различных химических и биологических условиях.
Еще одним интересным направлением в производстве нановолокон является придание им ячеистой, пористой структуры с наноразмерами пор. При этом достигается резкое снижение удельной массы(получение легких материалов), хорошая теплоизоляция, устойчивость к растрескиванию. Образую- щиеся нанопоры волокон, могут быть заполнены различными жидкими, твердыми и даже газообразными веществами различного функционального назначения(медицина, ароматизация полотен, биологическая защита).
В 1965 году инженер Гордон Мур предсказал, что количество транзисторов на интегральной схеме, которая является предшественницей микропроцессора, будет увеличиваться в два раза примерно каждые два года. Сегодня мы называем этот прогноз законом Мура, хотя на самом деле данный закон не является научным.
Закон Мура является скорее сбывшимся пророчеством о развитии компьютерной индустрии. Производители микропроцессоров стремятся соответствовать данному закону, так как в противном случае их опередят конкуренты. Чтобы разместить больше транзисторов на одном чипе, инженеры должны проектировать транзисторы меньшего размера.
закон Мура для микросхем
На самом первом чипе было около 2200 транзисторов. А на сегодняшний день один микропроцессорный чип способен вместить сотни миллионов транзисторов. Тем не менее, компании полны решимости спроектировать транзисторы еще меньшего размера, стараясь втиснуть как можно большее их количество в более мелкие чипы.
Уже существуют компьютерные чипы с наноразмерными транзисторами (наноразмер считается от 1 до 100 нанометров – нанометр, в свою очередь, составляет одну миллиардную метра). Транзисторы будущего должны быть еще меньше.
Структура нановолокон имеет удивительное соотношение длины с шириной. Нановолокно может быть невероятно тонким — можно создать нановолокна диаметром всего один нанометр, хотя инженеры и ученые, как правило, работают с нановолокнами шириной от 30 до 60 нанометров.
Ученые надеются, что вскоре мы сможем использовать нановолокна для создания самых маленьких транзисторов, однако на этом пути есть довольно серьезные препятствия.
Нановолокна
В зависимости от того, из чего сделано нановолокно, оно может обладать свойствами таких материалов как:
- Диэлектрика
- Полупроводника
- Металла
Диэлектрики не пропускают электрического тока, в то время как металлы являются очень хорошими проводниками. Полупроводники занимают промежуточную позицию, обладая электропроводимостью при соответствующих условиях.
нановолокна
Располагая полупроводники в надлежащей конфигурации, инженеры могут создать транзисторы, которые работают либо как переключатели, либо усилители.
Свойства нановолокна
Некоторые интересные — и парадоксальные – свойства, которыми обладают нанопровода, обусловлены малым размером. Когда вы работаете с предметами, которые находятся на наноуровне или даже меньше, вы сталкиваетесь с миром квантовой механики. Квантовая механика может сбивать с толку даже специалистов этой области, и очень часто она идет в разрез с классической физикой (также известной как ньютоновская физика).
К примеру, обычно электрон не может пройти через диэлектрик. Однако, если диэлектрик достаточно тонкий, электрон может проходить от одной стороны диэлектрика к другой. Это называется туннелирование электронов, но название не дает представления о том, насколько странным может быть этот процесс.
Электрон проходит от одной стороны диэлектрика к другой, фактически не проходя через сам диэлектрик или занимая место внутри него. Можно сказать, он телепортируется с одной стороны к другой. Вы можете предотвратить туннелирование электронов, используя более толстые слои диэлектрика, так как электроны могут перемещаться только на очень маленькие расстояния.
Другим интересным свойством является то, что некоторые нановолокна являются баллистическими проводниками.
нанопровода
В обычных проводниках электроны сталкиваются с атомами в материале проводника. Это замедляет движение электронов и создает тепло в качестве побочного продукта. В баллистических проводниках электроны могут проходить через проводник без столкновений.
Нановолокна могут эффективно проводить электричество без побочных продуктов в виде интенсивного тепла. На наноуровне свойства элементов могут сильно отличаться от ожидаемых. Например, в сыпучем виде золото имеет температуру плавления более 1000 градусов Цельсия. Уменьшая крупицы золота до размера наночастиц, вы уменьшаете и температуру его плавления, потому что, когда вы уменьшаете любую частицу до наноразмера, происходит значительное увеличение соотношения площади с объемом.
нанозолото
Кроме того, в наноразмере, золото ведет себя как полупроводник, но в сыпучей форме является проводником. Другие элементы также ведут себя необычно на наноуровне. В сыпучем виде алюминий не имеет магнитных свойств, но совсем небольшие группы атомов алюминия обладают собственным магнитным моментом.
Элементарные свойства, с которыми мы сталкиваемся в нашей повседневной жизни, и то, как они, на наш взгляд, должны себя проявлять, могут не соответствовать представлениям, когда мы уменьшаем эти элементы до наноразмеров.
Новый метод изготовления нановолокон придумали исследователи из американского университета. Получение ультратонких полос из полимера теперь стало дешевле. Полимер для нановолокон получают из материалов естественного происхождения, к примеру, белков.
Оригинальный метод позволяет воспроизводить нановолокна без помощи дорогостоящего оборудования. Способ, который разработчики окрестили магнитоспиннингом, не только снижает стоимость производства, но и открывает новые горизонты для разнообразных исследований, так как теперь можно не переживать за научный бюджет.
Нановолокна, толщиной во много раз меньше человеческого волоса, активно используются в сфере медицины – для создания повязок, регенерации ткани, поставки лекарственных препаратов точно к очагу инфекции и так далее. Кроме того, нановолокна популярны в области производства топливных элементов, фильтров, батарей, светодиодных экранов.
На сегодняшний день способом получения такой ультратонкой продукции является электроспиннинг. Для производства нановолокон с помощью этой технологии требуется ток с высоким напряжением, а также специальное оборудование. Кроме того, операторы производства обязательно должны пройти обучающие курсы. Инновационный способ получения нановолокон максимально прост. По словам одного из разработчиков, профессора Сергия Минко, по сути, все, что необходимо для производства – магнит, шприц и миниатюрный моторчик. Соавтор исследования Александр Токарев утверждает, что полученные в результате магнитоспиннинга нановолокна ничуть не уступают по своим характеристикам аналогам, произведенным по другой технологии.
Рис. 1. Принцип магнитоспиннинга: когда магнит, закрепленный на вращающемся диске, проходит мимо капли ферромагнитной жидкости, он притягивает ее к себе, а из удлиняющейся и высыхающей перемычки получается нановолокно. Изображение из обсуждаемой статьи в Advanced Materials
Американские и английские ученые разработали новый метод получения ультратонких полимерных нановолокон. Результаты исследований были опубликованы в журнале Advanced Materials. Новый метод, получивший название магнитоспининг, очень прост в использовании и позволяет получить большие объемы нановолокон с разными характеристиками, которые могут быть использованы для создания новых материалов, а также в медицине для большого круга задач.
В настоящее время самый популярный метод получения нановолокон — это электроспиннинг (electrospinning), то есть вытягивание волокна из раствора полимера при помощи высокого напряжения (обзор метода и его приложений см. в статье D. Li, Y. Xia, 2004. Electrospinning of Nanofibers: Reinventing the Wheel?). Электроспиннинг хорош тем, что, в отличие от обычного, механического вытягивания волокон из раствора, он не предъявляет высоких требований к химии процесса, не требует больших температур для затвердевания волокна, а значит, позволяет создавать волокна из длинных и сложных молекул. В результате борьбы капиллярных и электростатических сил, а также процессов внутри раствора заряженная капля сама удлиняется, утоньшается и высыхает в полете. У этого метода, однако, есть существенные недостатки. Он не позволяет работать с растворами полимеров с малой диэлектрической константой, например с раствором тефлона. Кроме того, он использует высоковольтное оборудование, которое, во-первых, достаточно дорого (стоимость типичной установки — больше 10 тысяч долларов), а во-вторых, предъявляет серьезные требования к безопасности работы.
В статье Magnetospinning of Nano- and Microfibers, вышедшей на днях в журнале Advanced Materials, описывается новая методика получения нановолокон, которая лишена этих недостатков. Поскольку в ней для вытягивания волокна используются магнитные поля, авторы назвали ее магнитоспиннинг (magnetospinning). Выглядит она проще, а ее реализация обходится не в пример дешевле электроспиннинга. Авторы подчеркивают, что установку для магнитоспиннинга можно собрать из дешевого магнитика, простого электромотора и шприца. Этот метод позволяет не только радикально удешевить производство волокон, но и открывает университетам, промышленным предприятиям, биотехнологическим компаниям и даже обычным школам широкие возможности для экспериментов с нановолокнами без больших затрат на исследования.
Принцип действия метода магнитоспиннинга показан на рис. 1. На вращающемся диске закреплен постоянный магнит. Рядом с диском, на строго контролируемом расстоянии от него, находится остриё шприца, а на его конце висит капелька феррожидкости — полимерного раствора с магнитными наночастицами. Скорость вращения диска регулируется в широких пределах вплоть до нескольких тысяч оборотов в минуту. Магнит притягивает капельку, и когда он проходит в непосредственной близости от острия иглы, капелька срывается и прилипает к магниту. При подходящей вязкости раствора между иглой и магнитом возникает мостик-перетяжка. Диск продолжает вращаться, расстояние между магнитом и иглой увеличивается, перетяжка вытягивается, утоньшается, но не рвется (см. видео). Растворитель при этом испаряется, нить еще сильнее утоньшается и затвердевает, и в результате образуется нановолокно. Шпулька, закрепленная на противоположной стороне диска, обеспечивает непрерывную намотку волокна.
Замедленная съемка процесса получения нановолокна при помощи магнитоспиннинга
Рис. 2. Массовое производство нановолокна: 2500 волокон, натянутые в виде квадратной рамки, были получены за 5 минут работы устройства на скорости 500 об/мин. Изображение из обсуждаемой статьи в Advanced Materials
Объемы производства нановолокон можно без труда увеличить на пару порядков: достаточно лишь разместить вокруг вращающегося диска сотню иголок, по которым феррожидкость может подаваться независимо из общего резервуара.
Что касается материалов, из которых можно изготавливать волокна, а также характеристик самих волокон, то тут открывается широкая свобода маневра. Весь процесс управляется магнитными наночастицами и магнитным полем, а сам раствор играет роль пассивного буфера. Однако после высыхания именно этот буфер определяет свойства волокна, и вкрапления магнитных частиц не имеют определяющего значения. Например, таким способом авторы получили нановолокна из тефлона, известного сверхгидрофобного материала (рис. 3а).
Рис. 3. Примеры волокон, изготовленных методом магнитоспиннинга: a — волокна из сверхгидрофобного материала тефлона, b — пористое нановолокно, c — серебряный проводок в полиметрной оболочке, d — нановолокно с 10-процентным содержанием многостенных углеродных нанотрубок. Изображение из обсуждаемой статьи в Advanced Materials
При необходимости концентрация магнитных наночастиц может быть уменьшена до 1% без ущерба для технологии. Есть и иной вариант — последующая химическая обработка волокон, которая позволит полностью избавиться от наночастиц и получить пористые волокна (рис. 3b). Добавляя другие материалы в форме наночастиц в исходный раствор, можно получать нановолокна со специальными свойствами, например серебряный нанопровод, покрытый полимерной оболочкой (рис. 3c), или волокна с большой концентрацией углеродных нанотрубок (рис. 3d). Наконец, поскольку наночастицы из оксида железа биоразлагаемы, полученные волокна будут вполне биосовместимы и могут использоваться в медицинских технологиях. Спектр приложений нановолокон ограничен лишь фантазией разработчиков, поскольку технология магнитоспиннинга сделала этот материал доступным практически каждому.
Источник: Alexander Tokarev, Oleksandr Trotsenko, Ian M. Griffiths, Howard A. Stone and Sergiy Minko. Magnetospinning of Nano- and Microfibers // Advanced Materials. Published online 8 May 2015. DOI: 10.1002/adma.201500374.
Читайте также: