تولید ارزان و سریع الیاف نانوی کارآمد و دقیق با استفاده از پرینت سه بعدی

دانشمندان در MIT موفق به ارائه‌ی روشی جدید برای ساخت الیاف نانو با قطر دقیق با استفاده از پرینت سه‌بعدی شده‌اند.

مش‌های ساخته‌شده از الیاف (فیبرها) با قطر نانومتری، طیف گسترده‌ای از کاربردهای بالقوه در مواردی همچون مهندسی بافت، تصفیه‌ی آب، سلول‌های خورشیدی و حتی ساخت پوشش‌های محافظ ​​بدن را در بر می‌گیرند. اما تجاری‌سازی آن‌ها در حال حاضر به‌ خاطر تکنیک‌های ناکارآمد ساخت‌ و تولید، با مشکل مواجه شده است.

پژوهشگران MIT در آخرین شماره‌ی مجله‌ی نانونکنولوژی، از ساخت یک دستگاه جدید برای ساخت مش‌های نانوفیبریگزارش داده‌اند و آن را به‌عنوان دستگاهی توصیف می‌کنند که می‌تواند خود را با سرعت تولید در سطح تجاری و مسائل مربوط به بازده انرژی هماهنگ کند و جانشین‌ مناسبی برای بهترین نمونه‌های فعلی باشد؛ اما دستاورد اصلی مربوط به تغییراتی است که این دستگاه می‌تواند در قطرهای فیبر ایجاد کند و آن‌ها را به‌ میزان قابل توجهی کاهش دهد. این کاهش قطر در بیشتر موارد کاربردی، به‌عنوان یک گزینه‌ی مهم به‌شمار می‌رود.

دستگاه‌های قبلی ارائه‌شده از طرف همین گروه در مرکز MIT، از طریق فرآیند پیچیده‌ای که نیاز به یک اتاق تمیز داشت، به‌وسیله‌ی سیلیکون کار می‌کردند؛ ولی دستگاه جدید از یک پرینتر سه‌بعدی تجاری ۳۵۰۰ دلاری ساخته شده است. به این ترتیب، کار گروه پژوهشی علاوه بر اینکه به تولید یک نانوفیبر قابل اعتمادتر می‌انجامد؛ تولید نانوفیبرهایی ارزان‌تر را نیز برای ما میسر خواهد ساخت.

دستگاه جدید شامل مجموعه‌ای از نازل‌های کوچک است و مایع حاوی ذرات پلیمر، از طریق همین‌ نازل‌ها پمپ می‌شود. این دستگاه به‌عنوان یک دستگاه میکرو فلوید شناخته می‌شود. لوئیس فرناندو ولاسکو گارسیا، یکی از پژوهشگران اصلی آزمایشگاه فناوری‌های میکروسیستم در MIT و نویسنده‌ی ارشد مقاله‌ی جدید، می‌گوید:

نظر شخصی من این است که در چند سال آینده، هیچکس به‌ طرف کار با  تکنیک ساخت در اتاق تمیز نخواهد رفت. هیچ دلیلی برای این کار وجود ندارد. فناوری پرینت سه‌بعدی چیزی است می‌تواند همان کار را بسیار بهتر و با انتخاب بهتر مواد و با امکان واقعی برای ساخت سازه‌ای که می‌خواهید، انجام دهد.

هنگامی که ما اتاق تمیز را انتخاب می‌کنیم، بسیاری اوقات باید هندسه‌ی مورد نظر خود را قربانی فرایند ساخت کنیم و مشکل دوم هزینه‌ی بسیار بالای آن است. گارسیا در این پژوهش با دو دانشجوی دکترای دیگر به‌ نام‌های اریکا گارسیا لوپزو دانیل اولورا ترخو همکاری داشته است.

سازه‌های توخالی

الیاف نانو برای هر کاربردی مفید هستند؛ حتی کاربردهایی با نسبت بالای سطح به حجم‌. به‌عنوان یک نمونه می‌توانیم به سلول‌های خورشیدی اشاره کنیم. در سلول‌های خورشیدی، سعی می‌شود حداکثر میزان قرارگیری در معرض نور خورشید به دست آید. الیاف نانو همچنین می‌توانند موادی را تولید کنند که فقط در مقیاس‌های بسیار کوچک مانند فیلترهای آب قابل استفاده هستند؛ یا موادی مانند محافظ بدن که به‌ نسبت ساختار خود سنگین هستند. اکثر این کاربردها به الیاف با قطر منظم بستگی دارند. ولاسکو گارسیا می‌گوید:

عملکرد الیاف به‌ میزان زیادی بستگی به قطر آن‌ها دارد. اگر توزیع قابل توجهی از یک مقدار داشته باشیم، در واقع بدان معنی است که تنها چند درصد از آن مقادیر واقعا کار می‌کنند. مثلا: شما یک فیلتر دارید و فیلتر دارای حفره‌هایی بین ۵۰ نانومتر و یک میکرون است؛ این فیلتر در واقعیت همان فیلتر یک میکرونی خواهد بود.

از آنجایی که دستگاه قبلی این گروه از سیلیکون ساخته شده بود، آن را بیش از حد تغذیه‌شده ارزیابی می‌کردند؛ به این معنی که میدان الکتریکی، محلول پلیمری کناره‌های فرستنده‌های منفرد را در خود حل می‌کرد. جریان سیال توسط ستون‌های مستطیلی که در کناره‌ی فرستنده‌ها قرار گرفته بودند، تنظیم می‌شد؛ با این حال باز هم برای تولید الیاف با قطرهای نامعمول، به‌اندازه‌ی کافی نامنظم بود.

در سوی مقابل، فرستنده‌های جدید دارای حالت تغذیه‌ی درونی هستند: آن‌ها دارای حفره‌هایی هستند و فشار هیدرولیکی به حفره‌های مایع وارد می‌شود تا آن‌ها را پر کند. تنها پس از این روند است که میدان الکتریکی می‌تواند مایع را به الیاف کوچک برساند.

کانال‌های ایجادشده در زیر فرستنده‌ها ، به سیم‌پیچ‌ها متصل می‌شوند و به‌تدریج طول آن‌ها کاهش می‌یابد. این کانکتور (متصل‌کننده‌) برای تنظیم قطر نانوسیم‌ها کلیدی است و تقریبا غیر ممکن است که با تکنیک اتاق تمیز بتوانیم به چنین کیفیتی دست یابیم. گارسیا می‌گوید:

ساخت در مقیاس میکرو واقعا به معنای برش‌ مستقیم است.

 تکرار سریع

نازل‌ها در دستگاه جدید، به دو ردیف تقسیم می‌شوند. این دو ردیف کمی از یکدیگر انحراف دارند؛ زیرا این دستگاه برای نمایش نانوسیم‌های نانوکامپوزیتی ساخته شده است و موقعیت نسبی آن‌ها را حفظ می‌کند. نانو فیبرهای هم‌ترازشده در مواردی مانند چارچوب‌های بافتی مفید هستند. نازل‌ها می‌توانند برای کاربردهایی که در آن الیاف غیرهم‌ترازشده مناسب باشند، در یک شبکه تنظیم شوند و میزان خروجی کلی را افزایش دهند.

گارسیا باور دارد که علاوه بر تعدیل هزینه و زحمات طراحی، یکی دیگر از مزایای پرینت سه‌بعدی برای ساخت نانوفیبرها، توانایی ما برای تست سریع و تجدید نظر در طرح است. او اشاره می‌کند که با استفاده از دستگاه‌های میکروی گروهش، معمولا از زمان مدل‌سازی نظری تا انتشار یک مقاله‌ی علمی دو سال طول می‌کشد و در مواقعی، او و همکارانش قادر به آزمایش دو یا سه تغییر در طراحی اولیه خود بوده‌اند. با استفاده از دستگاه جدید، همین روند نزدیک به یک سال طول کشید و آن‌ها توانستند ۷۰ تکرار مختلف از یک طراحی را آزمایش کنند. پروفسور مارک آلن، از دانشگاه پنسیلوانیا در این باره می‌گوید:

راهی که بتواند موقعیت و اندازه‌ی الیاف به‌دست‌آمده از فرایندهای الکتریکی را به‌طور تعیین‌کننده‌ای مهندسی کند، به شما امکان می‌دهد در مورد توانایی کنترل خواص مکانیکی مواد ساخته‌شده از این الیاف، فکر کنید. این امر به شما امکان می‌دهد در مورد رشد سلولی در جهت‌های خاصی در الیاف فکر کنید. بسیاری از فرصت‌های بالقوه‌ در این مسیر وجود دارد. من پیش‌بینی می‌کنم که در آینده حتما افراد به‌دنبال این فناوری بروند و از روش‌های بسیار خلاقانه استفاده کنند. اگر کسی به این نوع شبکه از فیبرهای مهندسی‌شده قطعی نیاز داشته باشد، من فکر می‌کنم که این راه بسیار خوبی برای رسیدن به هدف مورد نظرش خواهد بود.