Нанотехнологическое сообщество Нанометр, все о нанотехнологиях
на первую страницу Новости Публикации Библиотека Галерея Сообщество Объявления Олимпиада ABC О проекте
 
  регистрация
помощь
 
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
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
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

Магнитоспиннинг резко упрощает и удешевляет производство полимерных нановолокон

Ключевые слова:  Advanced Materials, Magnetospinning of Nano- and Microfibers, Наноматериалы, Нанотехнологии, периодика, Ультратонкие полимерные нановолокна

Автор(ы): Александр Токарев, Игорь Иванов

Опубликовал(а):  Доронин Федор Александрович

19 мая 2015

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.

Одно из направлений современного материаловедения — разработка методов эффективного производства сверхтонких волокон с настраиваемыми характеристиками. Речь идет о нановолокнах субмикронной толщины, но макроскопической длины, вплоть до многих метров, обладающих по всей своей длине однородными свойствами. Такие нановолокна служат основой для создания новых композитных материалов, покрытий, мембран, «умной одежды», сенсоров, электродов. Двумерные и трехмерные структуры из нановолокон, благодаря своей высокой пористости и способности волокон нести наночастицы, позволяют повысить эффективность каталитических процессов. Они также используются в биомедицинских технологиях: помогают выращивать новые органы, защищают раны от бактерий и позволяют доставлять лекарства непосредственно к очагам инфекций в теле человека.

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

Конечно, для того, чтобы процесс пошел и перетяжка не рвалась, требуется правильно подобрать параметры установки: вязкость жидкости, расстояние от капли до магнита, скорость вращения и т. д. Авторы изучили, как результат зависит от всех этих параметров, и нашли диапазоны их значений, при которых процесс производства волокна идет эффективно и без остановок. Например, на рис. 2 показан результат непрерывной работы устройства на скорости 500 об/мин в течение пяти минут: получилась этакая «пряжа» из 2500 полимерных волокон с толщиной около микрона. При некотором снижении вязкости раствора толщину нановолокна можно уменьшить еще на порядок. Впрочем, здесь есть свой предел — при слишком маленькой вязкости капля просто перепрыгнет на магнит, и перетяжка не образуется.

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).

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.


В статье использованы материалы: Элементы


Средний балл: 10.0 (голосов 1)

 



Для того чтобы оставить комментарий или оценить данную публикацию Вам необходимо войти на сайт под своим логином и паролем. Зарегистрироваться можно здесь

 

Нановселенная
Нановселенная

VIII Международная Конференция «Деформация и разрушение материалов и наноматериалов»
VIII Международная Конференция «Деформация и разрушение материалов и наноматериалов» (http://dfmn.imetran.ru/) пройдет в Москве (ИМЕТ РАН) с 19 по 22 ноября 2019 г. В рамках Конференции пройдет Молодежная школа-конференция.

Более 770 площадок пожелали присоединиться к Всероссийскому химическому диктанту с международным участием 18 мая
Более 770 площадок подали заявки на участие во II Всероссийском химическом диктанте, который в этом году пройдет с международным участием 18 мая в 13:00. Мероприятие организовано Московским государственным университетом имени М.В. Ломоносова, Химическим факультетом МГУ и корпорацией «Российский учебник» при поддержке Ассоциации учителей и преподавателей химии.

Найдены превращающие свет в электричество камни
Ученые обнаружили возникновение электрического тока в неорганических системах, что напоминает первые этапы усваивания энергии Солнца бактериями и растениями в процессе фотосинтеза. Открытое явление протекает в различных минералах и почвах. В отличие от обычного фотосинтеза, в данном случае участвуют только неорганические соединения, которые не имеют отношения к деятельности живых форм.

Материалы к защитам магистерских квалификационных работ на ФНМ МГУ в 2019 году
Семенова Анна Александровна
21-24 мая 2019 года в лабораторном корпусе Б пройдут защиты магистерских диссертаций выпускниками ФНМ МГУ.

«Наука открывает огромные просторы для творчества»
Яна Хлюстова, Екатерина Мищенко
Об олимпиадах школьников и начале научного пути в интервью Indicator.Ru рассказала Екатерина Жигилева, студентка второго курса химического факультета МГУ им. Ломоносова.

Интервью с Константином Козловым - абсолютным победителем XIII Наноолимпиады
Семенова Анна Александровна
Школьник 11 класса Константин Козлов (г. Москва) стал абсолютным победителем Олимпиады "Нанотехнологии - прорыв в будущее!" 2018/2019 по комплексу предметов "физика, химия, математика, биология". О своих впечатлениях, увлечениях и немного о планах на будущее Константин поделился с нами в интервью.

Технопредпринимательство на марше

Мы традиционно просим вас высказать свои краткие суждения по вопросу технопредпринимательства и проектной деятельности школьников. Для нас очевидно, что под технопредпринимательством и под проектной деятельностью школьников каждый понимает свое, но нам интересно ваше мнение, заодно вы сможете увидеть по мере прохождения опроса, насколько оно совпадает или отличается от мнения остальных. Ждем ваших ответов!

О наноолимпиаде замолвите слово...

Прошла XII Всероссийская олимпиада "Нанотехнологии - прорыв в Будущее!" Мы надеемся, что нам для улучшения организации последующих наноолимпиад поможет электронное анкетирование. Мы ждем Ваших замечаний, пожеланий, предложений. Спасибо заранее!

Опыт обучения в области нанотехнологического технопредпринимательства

В этом опросе мы просим поделиться опытом и Вашим отношением к нанотехнологическому технопредпринимательству и смежным областям. Заранее спасибо за Ваше неравнодушие!



 
Сайт создан в 2006 году совместными усилиями группы сотрудников и выпускников ФНМ МГУ.
Сайт модернизирован для ресурсной поддержки проектной деятельности учащихся в рамках ГК 16.647.12.2059 (МОН РФ)
Частичное или полное копирование материалов сайта возможно. Но прежде чем это делать ознакомьтесь с инструкцией.