释放纳米纤维的能源应用潜力

纳米纤维——直径只有几百纳米的聚合物细丝——有着广泛的潜在应用，从太阳能电池到水过滤再到燃料电池。但到目前为止，它们的高制造成本使它们只能在少数小众行业中使用。

在杂志上纳米技术麻省理工学院的研究人员描述了一种生产纳米纤维的新技术，该技术将生产速度提高了四倍，同时将能耗降低了90%以上，为廉价、高效的纳米纤维生产提供了前景。

麻省理工学院微系统技术实验室的首席研究科学家路易斯·费尔南多Velásquez-García领导了这项新工作，他说:“我们已经展示了一种通过静电纺丝生产纳米纤维的系统方法，这种方法超越了目前的技术水平。”“但这种方法开启了一种非常有趣的可能性。我们的团队和其他许多团队正在努力推动3d打印的进一步发展，使其能够打印出在不同领域之间转换、驱动、交换能量的组件，比如太阳能到电力或机械。我们有一些东西很自然地符合这幅图。我们有一系列发射器，可以被认为是一个点阵打印机，在那里你可以单独控制每个发射器来打印纳米纤维沉积物。”

纠结的故事

纳米纤维对于任何得益于高表面积体积比的应用都是有用的，例如太阳能电池，它试图最大限度地暴露在阳光下。另一个例子是燃料电池电极，它在表面催化反应。纳米纤维还可以制造出只有在很小的尺度上才能渗透的材料，比如水过滤器，或者是相对于它们的重量来说非常坚硬的材料，比如防弹衣。

制造纳米纤维的标准技术被称为静电纺丝，有两种。首先，聚合物溶液被泵入一个小喷嘴，然后一个强电场将其拉伸。然而，这个过程是缓慢的，每单位面积的喷嘴数量受到泵液压系统尺寸的限制。

另一种方法是在由金属锥覆盖的旋转鼓和集电极之间施加电压。锥体浸入聚合物溶液中，电场使溶液流动到锥体的顶部，在那里它作为纤维向电极发射。然而，这种方法是不稳定的，产生的纤维长度不均匀;它还需要高达10万伏特的电压。

考虑小

Velásquez-García和他的合作者philip Ponce de Leon，前机械工程硕士研究生;Frances Hill, Velásquez-García小组的前博士后，现在在KLA-Tencor工作;和埃里克·休贝尔(Eric Heubel)，一位现任博士后，采用了第二种方法。然而，它的规模要小得多，使用的是制造微机电系统中常见的技术，以生产密集的微型发射器阵列。发射器的小尺寸降低了驱动它们所需的电压，并允许将更多的发射器封装在一起，从而提高了生产率。

同时，蚀刻在发射器侧面的块状纹理调节了流体流向其尖端的速度，即使在高制造速率下也能产生均匀的纤维。Velásquez-García说:“我们做了各种各样的实验，所有的实验都表明，辐射是均匀的。”

为了制造他们的发射器，Velásquez-García和他的同事使用了一种称为深度反应离子蚀刻的技术。在硅晶片的两面，他们蚀刻密集的小矩形柱阵列——直径几十微米——这将调节发射器两侧的流体流动。然后他们在晶圆片上切割锯齿状图案。锯齿垂直安装，其底座浸入去离子水、乙醇和溶解聚合物的溶液中。

当一个电极安装在锯齿的对面，并在它们之间施加电压时，水-乙醇混合物向上流动，拖着聚合物链。水和乙醇迅速溶解，在电极上留下一团聚合物细丝，在每个发射器的对面。

研究人员能够将225个几毫米长的发射器装在一个边长约35毫米的方形芯片上。在相对较低的8000伏特电压下，该设备每单位面积产生的纤维量是最好的商用静电纺丝设备的四倍。

麻省理工学院(MIT)

www.mit.edu

- Chris Vavra编辑，制作编辑，控制工程，cvavra@cfemedia.com．查看更多控制工程这里有关于能源效率的故事．

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