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

 

Микропланеты
Микропланеты

Приглашение на вебинар «Комбинация АСМ и оптических методик: новые достижения и приложения»
НТ-МДТ Спектрум Инструментс приглашает Вас принять участие в бесплатном вебинаре «Комбинация АСМ и оптических методик: новые достижения и приложения»

Наносистемы: физика, химия, математика (2019, том 10, № 1)
Опубликован новый номер журнала "Наносистемы: физика, химия, математика". Ознакомиться с его содержанием, а также скачать необходимые Вам статьи можно по адресу: http://nanojournal.ifmo.ru/articles/volume10/10-1
Там же можно скачать номер журнала целиком.

XXI Менделеевский съезд по общей и прикладной химии,
Уважаемые коллеги! Приглашаем вас принять участие в работе XXI Менделеевского съезда по общей и прикладной химии, который состоится с 9 по 13 сентября 2019 года в Санкт-Петербурге и станет одним из основных мероприятий Международного года Периодической таблицы химических элементов, провозглашённого ООН в декабре 2017 г.
Проводится под эгидой Международного союза по теоретической и прикладной химии (IUPAC).

Микроэлементарно, Ватсон: как микроэлементы действуют на организм
Алексей Тиньков
Как на нас воздействуют кадмий, ртуть, цинк, медь и другие элементы таблицы Менделеева рассказал сотрудник кафедры медицинской элементологии РУДН Алексей Тиньков в интервью Indicator.Ru

Зимняя научная конференция студентов 4 курса ФНМ МГУ 22-23 января 2019 г.
Сафронова Т.В.
Настоящий сборник содержит тезисы докладов зимней научной студенческой конференции студентов 4-го курса ФНМ

Самые необычные таблицы Менделеева на выставке Международного года Периодической таблицы химических элементов

6-8 февраля в Российской академии наук состоялось торжественное открытие Международного года периодической таблицы химических элементов в России и приуроченная к этому масштабная интерактивная выставка

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.