MIT： 解鎖納米纖維的潛力

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MIT： 解鎖納米纖維的潛力

納米纖維是指直徑只有幾百納米的聚合物纖維，它在太陽能電池、水過濾及燃料電池等方面具有很大的應用潛力，但目前為止，由于其制造成本較高，只運用在幾個細分行業。

美國麻省理工學院的研究人員提出了一種生產納米纖維的新技術，可以將生產率提高4倍，同時減少90%以上的能源消耗。這是一種成本較低而高效的納米纖維生產技術。

麻省理工微系統技術實驗室是通過超先進的靜電紡絲技術制備納米纖維的，這一方法開發了一種有趣的可能性。研發團隊人員正努力進一步推動3D打印，以打印轉換、驅動或不同領域間能量交換(例如太陽能到電能或機械能)的組件。他們找到了一些適合這一情形的東西。用一些可以想象成點陣發射器陣列的打印器來單獨控制每個發射器，從而沉積納米纖維。

納米纖維比表面積大的優勢，使它在一些領域有很大應用。例如：太陽能電池，納米纖維可以最大限度地暴露在太陽下；燃料電池電極，可以在納米纖維表面發生催化反應。納米纖維也可以生產一類材料，如水過濾器，或具有軟質、高強、如同身體的防護盔甲，這種材料只有在非常小的尺度上才具有滲透性。

納米纖維制備的常用技術是靜電紡絲，它有兩種方法。一種是聚合物溶液通過一個小的噴嘴壓出，然后在強電場下拉伸。但這個過程很慢，由于液壓泵的尺寸因素，單位面積噴嘴的數量是有限的。另一種方法是在鐵覆蓋的旋轉筒和集電極間施加一個電壓，將尖錐浸漬在聚合物溶液中，電場使溶液流動到錐形體的頭部，由此發射到電極上形成纖維。但這種方法不穩定，產生的纖維長度不均勻，且制備過程要求的電壓高達100 kV。

麻省理工學院的研究人員采用了第二種方法，但尺寸小很多。他們通過微機電系統技術制造了密集微小的發射陣列。發射器的小尺寸減小了驅動所需的電壓，并且可以將很多個發射器排列在一起，生產效率得以提高。同時，在發射器的一側有塊狀的紋理蝕刻以調節流體向尖端流動的速率，從而在較高的生產速率下也能制造出均勻的纖維(圖1)。

圖1　　　　發射陣列有矩形蝕刻的新型超細纖維發射器的掃描電子顯微鏡照片(來源：麻省理工學院)

研究人員通過很多試驗證明了這種發射是均勻的。為了建立這種發射，使用了深層離子刻蝕技術。在硅晶片的兩個表面，都密集地刻蝕了數萬個微米級的矩形陣列來調節發射器兩側液體的流動。然后削減成鋸齒型晶片，鋸齒垂直安裝，將它的底部沉浸在去離子水、乙醇和可溶解的聚合物中。當電極安裝在鋸齒的對面，并在期間施加電壓，水-乙醇的混合溶液向上流，聚合物溶液隨著它向上流動。水和乙醇很快互溶，而在每一個發射器對面電極上留下了纏結的聚合物絲。研究人員能在一個邊長約35mm的正方形芯片上裝有225個幾毫米長的發射器。在相對低的電壓(約8 kV)下，該設備單位面積的纖維生產率是目前市場上最好的靜電紡絲裝置的4倍。

美國馬里蘭大學的研發人員認為這是一項杰出的且具有創造性的工作。它展示了傳統的MEMS(微機電系統)的制造工藝在類似的納米制造上的應用。相對于其他方法它還有一個潛力，就是在保持生產過程的完整性和準確性的同時，還能擴大規模。

鐘曉慧 譯王依民 校