1
ستاد ویژه توسعه فناوری نانو Iran Nanotechnology Innovation Council بستن
  • ستاد ویژه توسعه فناوری نانو

  • بانک اطلاعات شاخص های فناوری نانو

  • سایت جشنواره فناوری نانو

  • سیستم جامع آموزش فناوری نانو

  • شبکه آزمایشگاهی فناوری نانو

  • موسسه خدمات فناوری تا بازار

  • کمیته استانداردسازی فناوری نانو

  • پایگاه اشتغال فناوری نانو

  • کمیته نانو فناوری وزارت بهداشت

  • جشنواره برترین ها

  • مجمع بین المللی اقتصاد نانو

  • اکو نانو

  • پایگاه اطلاع رسانی محصولات فناوری نانو ایران

  • شبکه ایمنی نانو

  • همایش ایمنی در نانو

  • گالری چند رسانه ای نانو

  • تجهیزات فناوری نانو

  • صنعت و بازار

  • باشگاه نانو

مروری بر روش های تولید انبوه و کاربردهای نانوالیاف

افراد مقاله : ‌ مترجم - صادق قربان زاده , مترجم - زهرا اکرمی

موضوع : آموزش و ترویج - علم و پژوهش - صنعت و بازار کلمات کلیدی : نانوالیاف - الکتروریسی تاریخ مقاله : 1399/11/13 تعداد بازدید : 2986

نانوالیاف به دلیل ویژگی‌های نو و کاربرد گسترده‌ی خود به سرعت توسعه پیدا کردند. تولید مقیاس‌پذیر نانوالیاف برای کاربردهای آتی آن ها بسیار مهم است. این مقاله مروری مختصر پیرامون فعالیت‌های پژوهشی فعلی مربوط به سنتز نانوالیاف با روش‌های ریسندگی مبتنی بر محلول، ازجمله الکتروریسی، ریسندگی دمشی، ریسندگ مبتنی بر سانتریفیوژ و ریسندگی کششی ارائه می‌کند. در میان این روش‌ها، الکتروریسی به طور گسترده‌تری مورد مطالعه قرار گرفته و امکان تولید لیف‌هایی با کمترین میانگین قطر را در میان این چهار روش فراهم می‌سازد. رسیندگی دمشی و ریسندگی مبتنی بر سانتریفیوژ به دلیل نیروی محرک بسیار کارآمد، دارای بیشترین بازدهی در میان روش‌های ریسندگی هستند. ریسندگی کششی برای تولید نانوالیاف تک و بسیار بلند یا مش نانوالیاف مناسب است، هرچند این روش در میان سایر روش‌ها بازدهی پایینی دارد. علاوه‌براین، این مقاله برخی از کاربردهای مقیاس‌پذیر نانوالیاف در حوزه‌های مختلف، از جمله فیلترها، الکترونیک انعطاف‌پذیر و عایق‌های حرارتی سرامیک فشرده را نیز بررسی می کند.

 

مقدمه

کاهش اندازه‌ در یک یا چند بعد، رویکردی موثر برای آماده سازی مواد با ویژگی‌های جدید نسبت به شکل توده‌ای آن هاست. در دهه‌های اخیر، نانومواد توجه بسیاری را به خود معطوف کرد و بیشتر مطالعات مواد جدید در حوزه‌های محیط زیست، انرژی و سلامت روی آن صورت گرفته است. همانطور که در شکل 1 نشان داده شده، تعداد مقالاتی که طی چند سال گذشته با علم و تکنولوژی نانو سر و کار داشته‌اند رو به افزایش است. چندین نانوماده یا نانوساختار مانند نانولوله‌ها، نانوکریستال‌ها، نانولایه‌ها، نانومیله‌ها، نانوکره‌ها و نانوالیاف ها، با ویژگی‌های نو و پتانسیل بسیار در کاربردهای مختلف تکنولوژی در سال‌های اخیر توسعه پیدا کرده‌اند.

در میان این نانوساختارهای تک بعدی، نانوالیاف به طور گسترده‌ای مورد مطالعه قرار گرفته‌اند و اهمیت کاربردی آن‌ها در سال‌های اخیر مشخص شده است (شکل 1). در این مقاله‌ی مروری، ما نانوالیاف را به عنوان مواد تک بعدی با قطر کمتر از یک میکرومتر و نسبت ابعاد (نسبت طول به قطر) بیش از 50 تعریف می‌شود. نانوالیاف در مقایسه با مواد بالکی، مشخصه‌های منحصربفردی دارند، مثل اثر اندازه و تراکم پایین نقص. علاوه بر این ساختارهای دو بعدی و سه بعدی به دلیل نانوساختار منحصربفردشان دارای ویژگی‌های مکانیکی و حرارتی استثنائی، حجم تخلخل بالا و شفافیت نوری هستند. در این مورد، نانوالیاف به سبب انعطاف پذیری مکانیکی خود و ویژگی‌های الکتریکی، برای دستگاه‌های الکترونیکی منعطف بلوک‌های ساختاری بسیار مطلوبی هستند. شکل 2 بعضی از کاربردهای مرتبط نانوالیاف را در شاخه‌ی الکترونیک، از جمله ابرخازن‌های منعطف، الکترونیک کشسان، لنز تماسی منعطف، پنجره‌های اکتروکرومیک و پوست‌های الکتریکی مصنوعی را نشان می‌دهد. در میان دیگر کاربردها از نانوالیاف می‌توان به ذخیره‌ و تبدیل انرژی نیز اشاره کرد. غشاهای مبتنی بر نانوالیاف با ساختار توری فیلترهای بسیار خوبی در کاربردهای بیوپزشکی محسوب می‌شوند.

جدا از سنتر نانوالیاف و ساخت دستگاه، ادغام نانوالیاف به صورت جداگانه به شکل گسترده با ساختارهای مربوط ، استراتژی مطلوبی برای بهینه‌ سازی عملکرد الکترونک مبتنی بر نانوالیاف به حساب می‌آید. نانوالیاف مسیر جریان مستقیمی برای حامل ارائه کرده و ساختارهای پیچیده و چند کاربردی می‌سازند که به سبب نانوساختار تک بعدی منحصربفردشان برای ساخت الترونیک دو بعدی سودمندند. شبکه‌های دو بعدی نانوفیبری معمولا به عنوان الکترودهای شفاف، واحدهای مدار یا الکترونیک منعطف مورد استفاده قرار می‌گیرند. رساناهای سه بعدی تشکیل شده از نانوالیاف به ندرت مورد مطالعه قرار گرفته‌اند. اسفنج‌های سه بعدی را می‌توان به عنوان هیترهای مبتنی بر قانون ژول، سنسورهای فشار یا دستگاه‌های ذخیره‌ی انرژی با عملکرد بالا مورد استفاده قرار داد. صف بندی نانوساختارهای تک بعدی در آرایه‌های سه بعدی شکاف میان دنیای نانو، میکرو و ماکرو را پر کرده و فرصت خوبی برای رشد یا تنظیم نانوساختارهای تک بعدی به شکل تعریف شده ایجاد می‌کند. هرچند اسفنج‌های سه بعدی تشکیل شده از نانوالیاف در ادبیات حوزه بررسی شده، اما بیشتر این مطالعات در زمینه‌ی ماتریکس‌های سه بعدی ساخته شده از مواد دیگر بود. آماده سازی اسفنج‌های نانوفایبری سه بعدی بسیار چالش بر انگیز است.

 

سنتز نانوالیاف به روش ریسندگی

مفهوم مقیاس پذیری به خوبی تعریف نشده است و هیچ تعریف استانداردی برای تمامی رشته‌ها وجود ندارد. برای مثال، ممکن است چند گرم از یک ماده برای بیشتر آزمایش‌ها در مقیاس آزمایشگاه کافی باشد، در حالیکه برای کاربرد صنعتی شاید چند صد کیلو یا حتی چند تن از ماده‌ لازم باشد. در این مقاله‌ی مروری ما روش‌های پیوسته‌ای که به عنوان روش‌های مقیاس پذیر قابل ترکیب در خط تولید هستند را توضیح می‌دهیم.

تعداد زیادی از روش‌های سنتز نانوالیاف گزارش شده‌اند، از جمله سنتز مبتنی بر قالب، خود سامانی مولکولی و روش‌های هیدروترمال. بیشتر کاربردهای نانوالیاف در سطح توسعه‌ی آزمایشگاهی باقی مانده‌اند و فاصله‌ی زیادی از تولید صنعتی دارند. روش‌های ریسندگی شامل الکتروریسی، ریسندگی دمشی، ریسندگی مبتنی بر سانتریفیوژ و ریسندگی کششی به پژوهشگران اجازه می‌دهد از محلول پیش ساز نانوفیبر سنتز کنند.

صرف نظر از این، پساتیمار اعمال شده و نانوالیاف های به دست آمده مشخصه‌های منحصربفردی از خود نشان می‌دهند، و قطرهای بسیار مناسب، نسبت ابعاد بالا و ویژگی‌های مکانیکی فوق العاده از جمله نتایج جهت‌گیری مولکولی بالا در راستای محور فیبر هستند. انواع نانوالیاف های پلیمری را می‌توان از طریق روش‌های ریسندگی به دست آورد. با اعمال پساتیمار مناسب، نانوالیاف های فلزی و سرامیکی را نیز می‌توان از روش‌های ریسندگی تولید کرد. ریسندگی در مقایسه با دیگر روش‌ها، به راحتی با تولید در مقیاس بزرگ صنعتی ترکیب می‌شود. بنابراین، در این مقاله‌ی مروری تمرکز اصلی ما بر روش‌های ریسندگی، یعنی الکتروریسی، ریسندگی دمشی، ریسندگی مبتنی بر سانتریفیوژ و ریسندگی کششی است. 

 

الکتروریسی

الکتروریسی سال‌ها به طور گسترده در ادبیات پژوهشی گزارش شده و در حوزه‌های مختلف پژوهشی مورد استفاده قرار گرفته است. تاریخ الکتروریسی به سال 1745 باز می‌گردد، زمانیکه بوز برای تولید ایروسول‌ از قطرات سیال، از پتانسیل الکتریکی بالایی استفاده کرد. بیش از صد سال بعد، در سال 1887، بویز الکتروریسی را به عنوان روش سنتزی معرفی کرد و پس از آن، نظریه‌های مختلف الکتروریسی مورد مطالعه و گزارش قرار گرفت. در دهه‌ی 1960، تیلور و همکارانش مدلی مکانیکی را گزارش کردند که هندسه‌ی مخروطی قطره‌ی سیال ("مخروط تیلور") را به عنوان نتیجه استفاده از میدان الکتریکی تعریف کرد و از آن پس این هندسه مشهور شد. با توسعه‌ی سریع نانو تکنولوژی، الکتروریسی نیز مورد توجه جهانی قرار گرفته است.

محرک الکتروریسی، نیروی الکتریکی است. دستگاه‌های سنتی الکتروریسی شامل سه بخش هستند، منبع تغذیه با ولتاژ بالا، نازل و یک کلکتور (شکل 3الف). معمولا نازل از سوزن فلزی ساخته شده و از توری‌های فلزی، دیسک‌های چرخان یا دیگر زیرلایه‌های رسانا می‌توان بسته به نیاز به عنوان کلکتور استفاده نمود. در طول فرآیند الکتروریسی، ولتاژ بالایی به نوک نازل اعمال می‌شود که از طریق آن با افزایش ولتاژ، قطره‌ی داخل نوک به شکل مخروطی کشیده می‌شود (مانند مخروط تیلور). زمانیکه نیروی الکتروستاتیکی به قدر کافی زیاد باشد و بتواند کشش سطحی قطره را تحمل کند، جتی که به خوبی شارژ شده از مخروط تیلور خارج شده و یک مسیر حرکت ناپایدار در هوا را می پیماید که حاصل آن شکل گیری سریع فیبرهای نازک به واسطه‌ی تبخیر سریع حلال است.

چندین فاکتور، مورفولوژی نانوالیاف های الکتروریسی شده را کنترل می‌کند. اولین فاکتور مشخصه‌های تنظیمات سیستم الکروریسی است (نرخ تغذیه‌ی محلول پیش ماده، شکل هندسی نازل، فاصله میان نوک و کلکتور و شکل یا حرکت کلکتور). ویژگی‌های محلول دومین فاکتور کلیدی کنترل مورفولوژی این نانوالیاف است. این ویژگی‌ها شامل نوع یا وزن مولکولی پلیمر مورد استفاده، نقطه‌ی جوش حلال، پایداری دی الکتریک یا کشش سطحی حلال، غلظت محلول، ویسکوزیته‌ی محلول یا حضور مواد اضافی است. ویژگی‌های مربوط به محیط، از جمله رطوبت و دما نیز به عنوان سومین فاکتور بر مورفولوژی نانوالیاف تاثیرگذار هستند. شکل 3ب، ج و د تاثیر ویسکوزیته‌ و شکل 3 هـ، و و ی تاثیر رسانایی حلال را بر شکل گیری نانوالیاف های مهره‌ای نشان می‌دهد. پارامترهای موثر بر فرآیند الکتروریسی و مورفولوژیِ نانوالیاف های حاصل، چه از منظر نظری و چه تجربی به خوبی تثبیت شده‌اند. هرچند، تاکنون هیچ پارامتر جهانی برای تمامی مواد و موقعیت‌ها وجود ندارد.

نانوالیاف های پلیمری الکتروریسی شده‌ی قدیمی شامل پلی‌وینیل‌پیرولیدون (PVP)، پلی‌وینیلیدین فلورید (PVDF) و پلی‌وینیل استات می‌باشند. جدا از نانوالیاف های تک جزئی، نانوالیاف های هیبریدی که شامل پلیمرها و دیگر اجزاء از جمله فلزات، اکسید فلزات، سرامیک‌ها یا مواد کربنی می‌باشند نیز با استفاده از روش الکتروریسی قابل تولید اند. نانوالیاف های هبریدی را می‌توان با استفاده از روش‌های مخلوط کردن یا رویکردهای الکتروریسی چند کاناله ساخت. توسعه‌ی نانوالیاف های چند جزئی الکتروریسی شده، ساخت نانوالیاف هایی با ترکیبات، ساختار و عملکردهای مختلف را ممکن می‌سازد. نانوالیاف های هسته ــ پوسته نوعی از نانوالیاف هستند که با استفاده از نازل‌های هم‌محور ساخته می‌شوند. به‌طورکلی، نانوالیاف های الکتروریسی شده به عنوان غشاء‌های تنیده نشده در ساختارهایی با آرایش تصادفی جمع‌آوری می‌شوند. با بهینه‌سازی تجهیزات الکتروریسی (مانند حرکت کلکتور و جهت میدان الکتریکی) یا از طریق محور چرخان پرسرعت، می‌توان نانوالیاف را ردیف و آن‌ها را به صورت دو زیرلایه‌ی موازی با فاصله‌ی بسیار کم آرایش کرد (شکل 4).

برخلاف مزایای قابل توجه الکتروریستی، این روش با چالش‌های زیادی نیز رو به رو است. از آنجاییکه نیروی محرک روش الکترویسی میدان الکتریکی است، وجود ولتاژ بالا که منبع خطر است نیز در تجهیزات ضروری است. در مورد الکتروریسی چند سوزنی، میدان الکتریکی میان سوزن‌های موازی روی یکدیگر تاثیر گذاشته و ادغام را دشوار می‌سازند. علاوه‌براین، الکتروریسی برخلاف مقیاس‌پذیری بالای آن در مقایسه با روش‌های قدیمی تولید، کارآیی تولید الیاف پایینی دارد که بزرگترین محدودیت این روش است. الزامات پایداری دی‌الکتریک حلال‌های مورد استفاده در الکتروریسی، از کاربرد آن در برخی از محلول‌ها با تراکم نمک بالا جلوگیری می‌کند. برای بهبود بیشتر روش‌های ریسندگی نانوالیاف ها، روش‌های جایگزینی جهت ساخت این مواد الزامی است.

 

ریسندگی دمشی

ریسندگی دمشی یکی از روش‌های تولید الیاف است که به عنوان نیروی محرک از گاز پرسرعت به جای نیروی الکتریکی استفاده می‌کند. برخلاف روش الکتروریسی، این روش خیلی مورد توجه قرار نگرفته است. کارهایی که با ریسندگی دمشی صورت می‌گیرد در مقایسه با روش الکتروریسی بسیار کمتر است. تجهیزات ریسندگی دمشی نیز شامل سه بخش مخزن گاز پرسرعت، نازل و کلکتور است (شکل 5الف). نازل متمرکز است و محلول اولیه از طریق اسپینرت داخلی پمپ می‌شود، در حالیکه جریان گاز پیوسته و پرسرعت از طریق نازل بیرونی پایدار می‌باشد. با توجه به اصل هیدرومکانیک، تغییرات فشار در نوک نازل به انرژی جنبشی تبدیل می‌شوند و نیروی محرکی ایجاد می‌کنند که انحلال پیش ماده را سرعت می‌بخشد. گاز پرسرعت نیز در قسمت تماس گاز/محلول برشی ایجاد می‌کند و دفرمگی مخروطی شکل محلول را در نازل داخلی به وجود می‌آورد. محلول پیش ماده توسط گاز پرسرعت کشیده می‌شود و مخروط تایلری از سر نازل در هوا امتداد می‌دهد. در حین امتداد به دلیل نسبت سطح به حجم بالا، حلال رشته‌ها به سرعت تبخیر می‌شود و پیش از چسبیدن به زیرلایه نانوفیبر را شکل می‌دهد. فشار گاز تاثیر بسزایی بر قطر فیبر دارد. معمولا، هرچه سرعت گاز بالاتر باشد، نانوالیاف های تولید شده نازک‌تر هستند. برای ریسندگی دمشی موفق، بایستی میان سرعت گاز و نرخ جت محلول، تعادلی برقرار باشد.

در مقایسه با الکتروریسی، ریسندگی دمشی به دلیل بازدهی بالای گاز پرسرعت، تولید فیبر بالاتری دارد. نیروی محرک ریسندگی دمشی تنها از طریق نازل تامین می‌شود، بنابراین ویژگی‌های زیرلایه‌های کلکتور هیچ تاثیری بر نانوالیاف ندارد. موقعیت کلکتورها، فاصله‌ی ریسندگی موثر بر قطر نانوالیاف و تراکم ناحیه‌ی شبکه‌ی بدست آمده را تعیین می‌کند. توزیع نانوالیاف روی هر زیرلایه‌ی نارسانا بدون نیاز به میدان الکتریکی ولتاژ بالا آزاد است. همانطور که در شکل 5ب نشان داده شده، روش ریسندگی دمشی را می‌توان برای تولید نانوالیاف روی هر سطح بیولوژیکی مورد استفاده قرار داد.

همچنین اجرای روش ریسندگی دمشی برای آماده‌سازی نانوالیاف های هیبریدی و چند ساختاری امکان‌پذیر است. نانوالیاف های پلیمری پلی(متیل متا آکریلات) هسته ــ پوسته، پلی آکریلونیتریل (PAN)، نایلون-6، پالپ سلولز چوب و پلی اتیلن اکسید (PEO) به روش ریسندگی دمشی تولید شده‌اند. توری‌های نانوالیاف های پلیمری به دلیل تخلخل و قابلیت چرخش‌پذیری آن، کاندیدهای بسیار خوبی برای استفاده به عنوان داربست‌های سلولی بر سطوح بیولوژیکی هستند. مهندسی بافت و پزشکی ترمیمی از انعطاف کلربردی ریسندگی دمشی بهره‌ می‌برند. فیلترها را می‌توان مستقیما روی هر سطحی سنتز کرد. مواد رسانای انعطاف‌پذیر را نیز می‌توان با استفاده از ریسندگی دمشی از محلول‌های پیش ماده شامل غلظت بالای نمک یا نانوذرات به دست آورد. در طول تولید نانوالیاف های هیبریدی، محلول پیش ماده با غلظت بالای نمک غیرارگانیک، به راحتی می‌تواند نوک نازل الکتروریسی را مسدود کنند، چراکه رسانایی الکتریکی پیش ماده با افزودن نمک غیرارگانیک بالا می‌رود. اما محلول پیش ماده با غلظت بالای نمک به دلیل نبود میدان الکتریکی و نیروی قوی گاز پرسرعت، به راحتی به صورت دمشی تولید می‌شوند. نانوالیاف های سرامیکی و فلزی را نیز می‌توان با تیمارهای مناسب بعد از کار تولید کرد (شکل 5ج). با توجه به دیگر فاکتورهای موثر بر مورفولوژی نانوالیاف (برای مثال اجزاء محلول و ویژگی‌های پلیمر)، آن‌ها گرایشات مشابهی با ریسندگی دمشی از خود نشان می‌دهند. ریسندگی دمشی فرصت‌های جدیدی برای ساخت سریع و سفارشی مواد در شاخه‌های مختلف، از جمله الکترونیک، فیلتراسیون و مهندسی بافت ایجاد می‌کند.

 

ریسندگی مبتنی بر سانتریفیوژ (گریز از مرکز)

ریسندگی مبتنی بر سانتریفیوژ برای کشش محلول مذاب یا مایع به داخل الیاف، از نیروی مکانیکی به عنوان نیروی محرک استفاده می‌کند. این روش اولین بار در سال 1942 به عنوان پتنت آمریکایی US1500931 گزارش شد. این روش با نام های دیگری همچون ریسندگی جت چرخان یا ریسندگی مبتنی بر نیرو نیز شناخته می شود.

شاید معروف‌ترین تجهیز ریسندگی مبتنی بر سانتریفیوژ ماشین پشمک باشد. اصولا اجزای پایه‌ای ریسندگی مبتنی بر سانتریفیوژ از دو بخش تشکیل شده (1) نازلی که در چرخنده نگه داشته می‌شود، جاییکه نیروی محرک از نیروی گریز از مرکز می‌‌آید و (2) زیرلایه‌ی کلکتور. شکل 6-الف نمودار شماتیک بالا به پایین تجهیزات معمول ریسندگی مبتنی بر سانتریفیوژ را نشان می‌دهد. در ریسندگی مبتنی بر سانتریفیوژ، نیروی گریز از مرکز بر کشش سطحی محلول در نازل چرخان مرکزی غالب می‌‌شود و مایع خارج می‌شود. نیروی گریز از مرکز و نیروی اصطکاک هوا جت را امتداد می‌دهد که متعاقبا فرآیند کششی را متحمل شده و عاقبت روی کلکتورها لایه‌نشانی می‌گردد.

پارامترهای مختلفی بر قطر نانوالیاف در این روش تاثیر می‌گذارند. همانطور که در شکل 6ب نشان داده شده، ویسکوزیته‌ی سیال و سرعت چرخش نقش مهمی در مورفولوژی الیاف حاصل دارند. همچنین، قطر، طول و ساختار نازل در کنترل قطر فیبرها بسیار مهم است. بنابراین، با ایجاد فاصله‌ی زیاد میان نازل و کلکتور، فیبرهایی با قطر کمتر حاصل می‌شود. برای درک فرآیند تشکیل نانوالیاف در روش ریسندگی مبتنی بر سانتریفیوژ، مطالعات شبیه‌سازی و مدل‌سازی صورت گرفته است. از لحاظ نظری، شعاع فیبر را می‌توان بر اساس پارامترهای فرایند، از جمله ویسکوزیته، سرعت چرخش و فاصله تا کلکتور محاسبه کرد.

ریسندگی مبتنی بر سانتریفیوژ، به دلیل بازدهی بالا‌ی نیروی گریز از مرکز پرسرعت، تولید فیبر بالایی دارد. این کارایی بالا بدون نیاز به میدان الکتریکی ولتاژ قوی حاصل می‌گردد. ریسندگی مبتنی بر سانتریفیوژ، به راحتی نانوالیاف های منظمی تولید می‌کند چراکه جت به وسیله‌ی نیروی گریز از مرکز در یک جهت کشیده می‌شود. هرچند، ریسندگی مبتنی بر سانتریفیوژ در مقایسه با الکتروریسی فیبرهایی با میانگین قطر بیشتری تولید می‌کند.

 

ریسندگی کششی

همانطور که در مورد ریسندگی مبتنی بر سانتریفیوژ اشاره شد، ریسندگی کششی نیز برای کشیدن لیف‌ها از نیروی مکانیکی استفاده می‌کند. قابلیت چرخش‌‌پذیری این روش اصولا با دو ویژگی ذاتی ویسکوزیته‌ و کشش سطحی بالا تعیین می‌شود. ریسندگی کششی مذاب به طور گسترده برای تولید صنعتی الیاف شیشه‌ای یا بازالتی با قطر بیشتر از چند میکرومتر مورد استفاده قرار می‌گیرد. با توجه به نانوالیاف ها، ریسندگی کششی محلول تنها روش در دسترس است.

سیستم های ریسندگی کششی معمولا از دو بخش تشکیل شده است، یک نازل (برای انتقال محلول پیش ماده) و زیرلایه‌ی کلکتور. نیروی محرک ریسندگی کششی، نیروی مکانیکی است که الیاف را مستقیما از مخزن (معمولا چرخان، شکل 7الف و ب) خارج می‌کند. در ریسندگی کششی، نرخ تغذیه‌ی محلول پیش ماده را می‌توان از طریق پمپ سرنگ کنترل کرد. این نرخ تغذیه جهت حفظ تعادل سرعت جذب که برای ریسندگی موفق الزامی است، تنظیم می‌شود. تبخیر حلال و بهبود لیف هر دو به محض بیرون آمدن محلول از نازل و تماس با هوا اتفاق می‌افتد. تبخیر سریع حلال در این فرآیند الزامی است. فرآیند بهبود به پارامترهای محیطی بستگی دارد، ازجمله رطوبت و دما. تبخیر حلال را می‌توان با انتخاب حلال‌های مناسب یا دستگاه‌های حرارتی کمکی تسریع کرد. فاصله‌ی اسپینرت از زیرلایه‌ی کلکتور برای زمان تبخیر مهم است.

در ریسندگی کششی، سرعت چرخش، قطر لیف را طوری کنترل می‌کند که سرعت بالا به تولید الیاف نازک بیانجامد. بنابراین، همانطور که در شکل 7ج نشان داده شده، با استفاده از روش ریسندگی کششی می‌توان الیافی با قطر صدها نانومتر تا چند میکرومتر تولید و سر هم کرد. همچنین فاصله میان نانوالیاف را می‌توان با تنظیم سرعت حرکت زیرلایه کنترل کرد. بنابراین، با تغییر زاویه‌ی زیرلایه می‌توان به الگوی هندسی دوره‌ای دست پیدا کرد (شکل 7د). جدا از آرایش بی‌نقص الیاف، ریسندگی کششی با تغییر بعضی از ویژگی‌های ذاتی لیف ها، فیبرهایی با زنجیره‌ی مولکولی جهت‌دار تولید می‌کند.

 

بحث

طی ده سال گذشته، بیشترین مطالعات صنعتی و آکادمیک بر روش الکتروریسی صورت گرفته است (شکل 8). تعداد مقالات و پتنت‌های مربوط به الکتروریسی بسیار بیشتر از سه روش دیگر است. ریسندگی دمشی، ریسندگی مبتنی بر سانتریفیوژ و ریسندگی کششی نقاط برجسته‌ی مطالعات آکادمیک نیستند، البته  برای تولید فیبرها در مقیاس صنعتی و با قطر بیشتر از 1 میکرومتر در غیاب ولتاژ بالا بسیار مورد استفاده قرار گرفته‌اند (مثلا فیبر شیشه‌ای).

در مقیاس آزمایشگاهی، نانوالیاف از یک نازل ریسیده می‌شوند و این روش برای تولید صنعتی کارآمد نیست. بنابراین، تجهیزات چند سوزنی و بدون سوزن رویکردهای مفیدی برای افزایش مقیاس تکنولوژی ریسندگی به تولیدات صنعتی است.

فرآیند الکتروریسی تک نازلی می‌تواند در طول یک ساعت 1 تا 100 میلی‌گرم نانولیف تولید کند. در حال حاضر، سه کمپانی (دوپونت، نانواستاتیک و دونالدسو) از تکنولوژی الکتروریسی چند سوزنی استفاده می‌کنند. بازدهی تجهیزات نانواستاتیک به 100 متر بر دقیقه با عرض 1-2 متر می‌رسد. المارکو کمپانی معروف در تولید نانوالیاف الکتروریسی شده، با استفاده از یک سیلندر برای جایگزینی نازل، تجهیزات الکتروریسی بدون سوزن مقیاس‌پذیر جدیدی به نام "نانواسپایدر" توسعه داده است.  این ایده‌ی نوآورانه، تولید نانوفیبرها را از یک لایه‌ی باریک پلیمر مایع، بدون هیچ نازلی امکان‌پذیر می‌سازد. در الکتروریسی، زمانیکه  میدان الکتریکی اعمال می‌گردد، مخروط‌های تیلور مختلفی از محلول روی سطح سیلندر ایجاد می‌شود (شکل 9الف). بازده دستگاه جدید نانواسپایدر به 278 گرم بر ساعت با تراکم 0.1 تا 5 گرم بر متر مربع می‌رسد. مدل NS 8S1600U در این سری می‌تواند در یکی از تجهیزات   متر مربع بر سال تولید داشته باشد. هرچند، ولتاژ اعمال شده در الکتروریسی بدون سوزن در مقایسه با الکتروریسی سنتی بسیار بیشتر است.

ریسندگی دمشی، در مقایسه با الکتروریسی، محدودیت‌های کمتری دارد و امکان توسعه‌ی تجهیزات چند سوزنی صنعتی با کارآیی و تولید بهتر را فراهم می‌سازد (شکل 9ب). از لحاظ نظری، بازدهی ریسندگی دمشی حداقل ده برابر بیشتر از الکتروریسی بوده و به 0.5-1 گرم بر ساعت در یک نازل می‌رسد. گروه ما به طور گسترده‌ای بر روش‌های تولید رسیندگی دمشی در مقیاس صنعتی متمرکز بوده است و بازدهی تجهیزات چند سورنی ما به 400 گرم بر ساعت با تراکم 0.1 تا 20 گرم بر متر مربع رسیده است، به صورتی که در یک دستگاه 400 تا 600 سوزن وجود دارد. ریسندگی دمشی بدون سوزن، مشابه با روش چند سوزنی، امکان‌پذیر بوده و در ساخت نانوفیبرها در مقیاس آزمایشگاهی قابل استفاده است.

ریسندگی مبتنی بر سانتریفیوژ و ریسندگی کششی، هر دو از نیروی مکانیکی به عنوان نیروی محرک در فرآیند ریسندگی استفاده می‌کنند. هرچند، نیروی محرک ریسندگی کششی از کلکتورها و نیروی محرک ریسندگی مبتنی بر سانتریفیوژ از نازل‌ها تامین می‌گردد. این دو روش به طورگسترده‌ای در صنعت و برای تولید فیبرهایی با قطر بیشتر از 1 میکرومتر (مانند فیبرهای شیشه‌ای) مورد استفاده قرار می‌گیرند. ریسندگی کششی و ریسندگی مبتنی بر سانتریفیوژ در مقایسه با الکتروریسی و ریسندگی دمشی از محلول‌های پیش ماده با ویسکوزیته‌ی بالاتر استفاده کرده و فیبرهایی با میانگین اندازه‌ی بیشتری تولید می‌کنند.

بالا بردن مقیاس ریسندگی مبتنی بر سانتریفیوژ با استفاده از روش چند سوزنی آسان است. برای این هدف، هماطور که در شکل 9ج نشان داده شده، تعداد حفره‌های روی مرکز چرخان بایستی افزایش پیدا کند. بر اساس گفته‌ی برخی از پژوهشگران، بازدهی ریسندگی مبتنی بر سانتریفیوژ می‌تواند بیشتر از 50 گرم بر ساعت در یک نازل باشد که این مقدار حداقل دو برابر بیشتر از الکتروریسی است. چند سوزنی را می‌توان به آسانی در زمان ایجد حفره‌های بیشتر پیرامون دیواره‌ی جانبی، مونتاژ کرد. یک دستگاه با ده‌ها سوزن 500 گرم بر ساعت بازدهی دارد. همانطور که در شکل 9د نشان داده شده، توسعه‌ی تکنولوژی ریسندگی، یکپارچه‌سازی الکتروریسی مبتنی بر سانتریفیوژ را تسهیل کرده است. در الکتروریسی مبتنی بر سانتریفیوژ در مقایسه با الکتروریسی، با افزودن نیروی گریز از مرکز ولتاژ بسیار کمتری اعمال می‌کنند  که برای محلول‌های ریسندگی با رسانایی بالا سودمند است. دو کمپانی ریتر او اف تی و آلمان آی تی وی، تجهیزات الکتروریسی مبتنی بر سانتریفیوژ را توسعه دادند که می‌توانند نانوفیبرهایی با قطر 80 نانومتر و بازدهی بسیار بیشتر از الکتروریسی معمولی تولید کند.

برای تولید نانوفیبرهای بسیار بسیار بلند تکی می‌توان از ریسندگی کششی استفاده کرد، هرچند این روش برای توسعه‌ی شبکه‌ی نانوفیبری مناسب نیست. گروه مونیکو از ریسندگی کششی سرعت بالا با بازدهی تقریبا 1000 متر بر دقیقه استفاده می‌کند. گروه لین ریسندگی کششی و الکتروریسی را در یک دستگاه باهم ترکیب کرده تا نخ‌های نانوفیبری کربنی با بازدهی بالا تولید کند (شکل 9هـ).

بعضی مواقع مقایسه‌ی بازدهی‌های گزارش شده در کارهای متفاوت دشوار است، چراکه در استانداردهای متفاوتی اندازه‌گیری شده‌اند. در میان آن‌ها، بازدهی مبتنی بر وزن و اندازه‌ی شبکه‌ی بافته نشده بیش از سایرین مورد بحث قرار گرفته است. هرچند، اگر لیف ها تراکم یکسانی نداشته باشند، بازدهی مبتنی بر اندازه آسان نیست، درحالیکه بازدهی مبتنی بر وزن نیز به قطر لیف ها مرتبط است. به‌کارگیری روش‌های الکتروریسی و ریسندگی دمشی برای ساخت لیف ‌های بافته نشده در صنعت آسان است و تراکم شبکه عامل اصلی عملکرد آن‌هاست. در جدول1، لیستی از بازدهی مبتنی بر وزن الکتروریسی، ریسندگی دمشی و ریسندگی مبتنی بر سانتریفیوژ ارائه شده است.

ریسندگی دمشی برای ساخت نانوفیبرهای تکی در مطالعات منتشر شده گزارش شده است و ما بازدهی محصول را بر اساس طول نانوفیبرها تخمین زدیم. در این جدول، ریسندگی مبتنی بر سانتریفیوژ بالاترین بازدهی را در حالت تک نازلی دارد. اما تجهیزات بدون سوزن در الکتروریسی بیشترین قابلیت جهت تقویت بازدهی را دارند. در حالت چند سوزنی، هرچه تعداد سوزن‌ها بیشتر باشد، بازدهی نیز بیشتر است. اما بازدهی بالاتر در حالت تک نازل با بازدهی بالای‌ یکسان در هر سوزن حالت چند سوزنی به دلیل تاثیر ادغام تجهیزات یکسان نیست. تا به اینجا، بازار نانوالیاف به تعداد بالایی نرسیده، چراکه هیچ کدام از روش‌ها به اندازه‌ی کافی برای تولید نانوالیاف در مقیاس بزرگ تکامل پیدا نکرده‌اند. فرآیند توسعه‌ی صنعتی را می‌توان به چهار گام تقسیم کرد (آزمایشگاه، تست، صنعتی، تکامل). وضعیت چهار روش ریسندگی مطالعه شده در این پژوهش در جدول1 آورده شده است. قطر فیبرهای ریسیده شده در این جدول از موارد نرمال به دست آمده است. با توجه به اینکه پارامترهای تجربی به دقت کنترل شده‌اند، این چهار روش ریسندگی می‌توانند در تولید فیبرهای بسیار نازک به کار روند.
 

نانوالیاف کاربردی

در طول فرآیند ریسندگی، پلیمرها جهت افزایش ویسکوزیته‌ی محلول پیش ماده به گونه‌ای اضافه می‌شوند که جت در طول ریسندگی ساخته می‌شود. غلظت بالای پلیمر، ویسکوزیته‌ی محلول را افزایش می‌دهد. پلیمر در فرآیند ریسندگی ضروری است و به عنوان اسکلت فیبر‌های اولیه عمل می‌کند. جدا از نانوفیبرهای پلیمری، نانوفیبرهای فلزی و سرامیکی را نیز می‌توان با اجرای روش‌های پساترمیم مناسب، سنتز کرد. بنابراین، ذرات فلزی و سرامیکی، و همچنین پیش ماده‌های آن‌ها را می‌توان به عنوان اجزای محلول ترکیبی پیش ماده مورد استفاده قرار داد. گاهی عناصر مختلف در یک محلول قرار می‌گیرند. استات، نیترات و کربنات به صورت گسترده به عنوان پیش ماده‌های فلزی و سرامیکی مورد استفاده قرار می‌گیرند و نانوفیبرهای فلزی و سرامیکی حاصل را می‌توان از طریق پساترمیم سنتز کرد. پلی‌وینیل‌پیرولیدون و پلی‌وینیل الکل رایج‌ترین پلیمرها‌ی مورد استفاده هستند، چراکه در محلول‌های مختلف قابلیت حل بالایی داشته و سازگاری خوبی با بسیاری از مواد دارند.

 

نانوالیاف پلیمری قابل فیلتر

نانوالیاف پلیمری خالص کاربردهای بسیاری دارند. ماتریس‌های نانوالیاف پلیمری به طور گسترده‌ای در کاربردهای مختلف از جمله فیلتراسیون، مراقبت شخصی، بیوپزشکی و داروسازی مورد بررسی قرار گرفته‌اند. از آنجاییکه جهت‌گیری مولکولی نانوفیبرهای ریسیده شده را می‌توان در طول فرآیند ریسندگی صف آرایی کرد، این مواد ویژگی‌های مکانیکی فوق‌العاده‌ای از خود نشان داده‌اند (برای مثال مقاومت کششی بالا). در این بخش، ما بر نانوالیاف پلیمری و کاربردهای آن در زمینه‌ی فیلتراسیون متمرکز هستیم. غشاء‌های نانوالیاف بافته نشده به دلیل ویژگی‌های منحصربفرد خود از جمله مساحت سطح بالا، تخلخل بالا و ساختار متخلخل متصل، به طور گسترده‌ای به عنوان مدیای متخلخل در کاربردهای مختلف فیلتراسیون مورد استفاده قرار گرفته‌ است (از فیلتر هوای خانگی تا تجهیزات محافظت شخصی) (شکل 10الف). 

تعداد زیادی سیستم‌ پلیمری نظیر پلی‌آمید6، پلی‌آمید66، پلی آکریلونیتریل، پلی‌اورتان (PU)، پلی وینیل الکل، پلی‌ اتیلن اکسید (PEO) و پلی کربنات یا کوپلیمرها مانند پلی آکریلونیتریل/ پلی‌متیل متا آکریلات، پلی‌وینیل کلرید/پلی کربنات گزارش شده‌اند. شکل 10ب شبکه‌ی نانوالیاف پلیمر کامپوزیتی را نشان می‌دهد که برای اهداف فیلتراسیون مورد استفاده قرار گرفته است. مساحت سطح ویژه‌ی خاص و بالای غشاء‌ها حساسیت به گاز را بهبود می‌بخشند. علاوه‌ براین، ساختار متخلخل انتقال جریان هوا را از میان غشاءها تسهیل نموده و مقاومت هوا در زمان استفاده از فیلتر کاهش را می‌دهد (شکل 10ج). کانال و ساختار غشاء فیلتر در زمان استفاده برای اهداف فیلتراسیون، بایستی با اندازه‌ی ذرات یا قطرات مطابق باشد. در این خصوص، غشاءهایی که قطر لیف کمتری دارند عملکرد فیلتراسیون بهتری از خود نشان می‌دهند. هرچند، افزایش چشمگیر در کارآیی فیلتراسیون گزارش شده است، اما این امر به کاهش نفوذپذیری غشاء‌ها می‌انجامد.

ذرات معلق در هوا مورد توجه جهانی قرار گرفته‌اند و یکی از جدی‌ترین مشکلات محیط زیستی تلقی می‌شوند. این ذرات مخلوط پیچیده‌ای از ذرات جامد کوچک و قطرات مایع معلق در هوا هستند. ذرات معلق را می‌توان بر اساس اندازه‌ی ذرات جامد به دو دسته‌ی متفاوت دسته‌بندی کرد (مثلا PM2.5 و PM10). PM2.5 برای سلامت انسان بسیار مضر است، زیرا اندازه‌ی آن به قدری کوچک است که به آلوئول نفوذ می‌کند و وارد سیستم گردش خون بدن می‌شود. علاوه‌براین، غلظت بالای PM2.5 می‌توان به طور جدی دید و تابش مستقیم نور خورشید را کاهش داده و بر آب و هوا و اکوسیستم‌ها تاثیر مخراب داشته باشد.

نانوالیاف به دلیل ویژگی‌های جذاب آن‌ها، فرصت جدیدی برای فیلتراسیون ذرات معلق ایجاد کرده است. بنا به گزارشات، در مقایسه با الیاف پلی‌پروپیلن غیرقطبی در غشاء‌های فیلتراسیون موجود، پلی آکریلونیتریل، نایلون و پلی‌ایمید (PI) میل ترکیبی زیادی با ذرات معلق از خود نشان می‌دهند. بنابراین، در مقایسه با غشاء‌های فیلتراسیون نانو الیاف پلی‌وینیل‌پیرولیدون، پلی‌متیل متا آکریلات و نایلون-66، غشا‌ءهای فیبری پلی آکریلونیتریل عملکرد حذفی بالایی در برابر PM2.5 و PM10 ازخود نشان می‌دهند. تعاملات دوقطبی-دوقطبی یا دوقطبی القایی می‌توانند تا حد زیادی تعاملات ذرات معلق با سطح الیاف را افزایش دهد. کوی و همکارانش عملکرد به دام اندازی بالایی با غشاء‌های نانو الیاف پلیمر دوقطبی تولید شده به روش الکتروریسی را گزارش کرده اند(شکل 10د). نانوساختارهای این مواد استفاده از غشاءهای نانو الیاف نازک روی شبکه‌های پشتیبان را ممکن ساخته و همچنین شفافیت نوری خوب و مقاومت هوای کمی از خود نشان می دهند. این گروه همچنین امکان ساخت رول به رول را نیز مطرح کرده‌اند (شکل 10هـ)‌. گروه ما نیز مفهوم جدیدی توسعه داده‌اند تا برای فیلتراسیون ذرات معلق داخل خانه، به طور مستقیم روی پنجره‌ها به روش ریسندگی دمشی با نانو الیاف پوشش داده شود (شکل 10و). بنابراین یک مدیای فیلتر نانوالیاف به وسیله‌ی تجهیزات کوچک، دستی و مساحت پوشش‌دهی بزرگ مقیاس قابل تولید است. فیلتر هوای شفاف با شفافیت نوری 80% و تاثیر جزئی روی تابش نور خورشید می‌تواند عملکرد حذفی استاندارد 99% نسبت به PM2.5 دشته باشد. این روش را می‌توان برای تولید صنعتی رول به رول نیز پیاده‌سازی کرد. پایداری حرارتی بالای این مواد به ما این امکان را می‌دهد تا نانو الیاف پلی‌ایمید با عملکرد حذفی خوب نسبت به PM2.5 (بیش از 99.5%) در دمای بالا (تا 400 درجه‌ی سانتی‌گراد) تولید کنیم، این ویژگی آن‌ها را به موادی ایده‌آل برای فیلتراسیون گاز داغ تبدیل می‌کند.

جدا از فیلتراسیون ذرات معلق، تصفیه‌ی آب نیز به سبب کمیابی منابع آب شیرین، حوزه‌ای با پتانسیل بالا به شمار می‌رود. همانطور که در شکل 11الف نشان داده شده، نانوالیافی پلی‌آمید6 عملکرد فیلتراسیون خوب و نفوذپذیری بالایی دارند. استخراج عناصر از آب نیز به دلیل کمیابی برخی از آن‌ها بسیار مهم است. گروه ما نانوالیاف جاذب پلی ایمید دیوکسیم (PIDO NF) را به روش ریسندگی دمشی تهیه کرده است. این جاذب برای استخراج اورانیوم از آب دریا مورد استفاده قرار گرفت. ساختار سه بعدی و متخلخل این ماده امکان نفوذ آسان آب/یون‌ها را فراهم می‌کند. علاوه‌براین، ساختار کتان مانند به تولید فابریک‌های بافته نشده یا الیاف‌های بافته شده کمک می‌کند (شکل 11ب). نانوالیاف‌ PIDO جایگاه‌های کی‌لیتی[1] بی‌شمار و آبگریزی فوق‌العاده‌ای دارند، و عملکرد خوبی نسبت به استخراج اورانیوم (تا 98.5% بعد از پاکسازی) از خود نشان داده‌اند. از لحاظ تولید مقیاس‌پذیر، روش ریسندگی دمشی چند نازلی برای ساخت نانوالیافی PIDO، مناسب برای پاکسازی چندین تُن آب دریا مورد استفاده قرار گرفت (شکل 11ج). غشاء‌های فیلتراسیون پلیمری را می‌توان برای جداسازی آب/نفت و دیگر حوزه‌های فیلتراسیون مورد استفاده قرار داد.

 

نانوالیاف‌ فلزی شفاف

نانو رساناها برای دستیابی به اهداف مختلف در ساخت قطعات الکترونیک، از جمله صفحات نمایش منعطف، سلول‌های خورشیدی، ترانزیستورهای اثر میدانی، سنسورها و الکترونیک اپیدرمال، واحدهای کلیدی محسوب می‌شوند.

فلزات بالک با اینکه منعطف نیستند، اما به دلیل ساختار سطح انرژی‌شان رسانایی بهینه‌ای از خود نشان می‌دهند. فلزات برخلاف شکنندگی‌شان، به دلیل رسانایی ذاتی خود جایگزین‌های فوق‌العاده‌ای برای دیگر پلیمرها هستند. مواد کربنی مانند نانولوله‌ها و گرافن، انعطاف‌پذیر و رسانا هستند. هرچند، رسانایی الکتریکی آن‌ها به اندازه‌ی فلزات بهینه نیست و برخی الزامات الکترونیک مدرن را برآورده نمی‌کنند. در رساناهای فلزی منعطف معمولی، فلزات نانوساختار نقش پر کننده‌های رسانا را ایفا کرده و مسیری رسانا در مواد نارسانا ارائه می‌کنند (برای مثال ذرات فلزی در پلیمرها). توسعه‌ی نانوتکنولوژی به دانشمندان اجازه می‌دهد شبکه‌های نانوالیاف فلزیی توسعه دهند که خواص مکانیکی و الکتریکی مناسبی داشته و به عنوان رساناهای منعطف، پتانسیل بسیار خوبی دارند.

شبکه‌های نانوالیاف فلزی را می‌توان در رساناهای منعطف و شفاف مونتاژ کرد. از لحاظ نظری، قطرهای نانومقیاس از طریق پراش، الیاف‌هایی با شفافیت بهینه می‌سازند. در اپتیک، زمانیکه یک نور تصادفی با سطح تماس پیدا می‌کند، ممکن است بازتاب، منتقل و یا شکسته شود که بیشتر نور از دست رفته بازتاب پیدا می‌کند. شکست نور بازتاب شده با ناحیه‌ی سطح تماس طوری افزایش پیدا می‌کند که هرچه لیف کوچکتر باشد، نور کمتری از دست می‌رود. بنابراین رسانایی شبکه‌ی نانوالیاف‌ با افزایش طول نانوالیاف (افزایش فاصله‌ی انتقال) یا کاهش قطر (جهت کاهش پراکندگی نور) و حرارت دادن اتصال نانوالیاف (جهت کاهش مقاومت) بهبود پیدا می‌کند. طول موج طیف نور مرئی از 400 تا 700 نانومتر است. گروه ما شبیه‌سازی موج کامل سطح مقطع بهینه‌ی نانوالیاف را انجام داد و اثبات کرد که نور تصادفی تنها کمی در اطراف نانوالیاف پراکنده می شود، این امر گویای سطح مقطع بهینه‌ی کوچک است (شکل 12الف). در مورد شبکه‌های نانوالیاف، مقاومت اتصال عامل اصلی کنترل رسانایی شبکه است. بنابراین، آن طور که در شکل 12ب نشان داده شده، شبکه‌های نانوسیم‌های طولانی‌تر رسانایی بالاتری دارند. شکل 12ج ارتباط میان انتقال و مقاومت در شبکه‌ای نانوالیاف با نسبت ابعاد مختلف را نشان می‌دهد. همانطور که در شکل 12ج نشان داده شده، ارتباط معکوس میان انتقال و مقاومت مشخص شد. نسبت ابعاد بالا منجر به درصد بار پایین در مسیر انتشار (مثلا مقاومت پایین) شد. شکل 12د ارتباط نظری میان مقاومت و ناحیه‌ی شکست را نشان می‌دهد.

نقره به دلیل رسانایی بالا در مقایسه با دیگر فلزات، رایج‌ترین رسانای مورد استفاده است. در برخی از دستگاه‌ها مانند صفحه‌های نمایش منعطف و سلول‌های خورشیدی، الکترودهای شفاف که از نانوالیافی نقره ساخته شده جایگزین رساناهای شفاف معمولی ایندیوم قلع اکساید شده‌اند. گروه ما از شبکه‌ی بسیار شفاف و منعطف نانوالیاف نقره که با شفافیت بالا (تا 97%) و مقاومت صفحه‌ی 6 اهمی که به روش ریسندگی دمشی تولید شده‌اند، گزارشی ارائه کرده است. طول نانوالیاف به دست آمده بیش از 2 میلی‌متر و قطر آن تقریبا 200 نانومتر بود که نسبت ابعاد بالایی محسوب می شود.

اندازه‌ی رساناهای منعطف، اندازه‌ی ادوات الکترونیک منعطف را محدود می‌کند. همانطور که در شکل 13الف نشان داده شده، گروه ما خط تولید پیوسته‌ی ریسندگی دمشی چند سوزنی را با تابش کاهنده فرابنفش و فرآیند رول به رول غیرحرارتی برای آماده‌سازی الکترودهای شبکه‌ی نانوالیاف نقره‌ی مقیاس پذیر مونتاژ کرده است.

همانطور که در شکل 13ب نشان داده شده،  ما شبکه‌ی نانوالیاف نقره‌ی وسیع، شفاف و منعطف ساخته ایم. با استفاده از این شبکه‌ها، پنجره‌ی هوشمند الکتروکرومیک هوشمند به اندازه‌ی برگه‌ی A4 ساخته شد (شکل 13ج). برخلاف کلسینه کردن معمولی (که به اندازه‌ی کوره محدود است)، تابش کاهنده فرابنفش یک پسا تیمار مقیاس پذیر است. تمام فرآیند ساخت در غیاب واکنش‌های شیمیایی شدید بود که امکان تولید صنعتی را در آینده فراهم می‌سازد.

رساناهای سه‌بعدی کاربردهای متنوع و گسترده‌ای در صفحات نمایش، پوست‌های الکترونیکی و عملگرهای بیولوژیکی دارند. رساناهای سه ‌بعدی معمولی برای دستیابی به رساناهای منعطف سه بعدی، شامل نانوالیافی فلزی مخلوط با دیگر مواد از جمله گرافن، یا ماتریکس‌های پلیمری هستند. ریسندگی دمشی برای دستیابی مستقیم به رساناهای فلزی خالص سه بعدی منعطف در مقیاس بالا روش مناسبی به شمار می‌رود.

 

نانوالیاف‌ سرامیکی فشرده

سرامیک‌ها پیوندهای یونی و کووالانسی دارند، این پیوندها مسئول پایداری شیمیایی، پایداری حرارتی و ویژگی‌های مکانیکی و الکتریکی خوب آن‌ها در چند زمینه هستند. هرچند، سرامیک شکننده بوده، سختی کم، حالت ارتجاعی و مدول کششی ضعیفی دارد که کاربردهای مواد سرامیکی به صورت بالک را به صفر می‌رساند. از نانوالیاف سرامیکی می‌توان به عنوان اجزاء ساخت دیگر اشکال و صورت‌های پیچیده با ویژگی‌های ارتقا یافته استفاده کرد. این مواد برای کاربردهای تکنولوژیکی مختلف بسیار جالب توجه هستند. با توسعه‌ی فناوری نانو، نانوالیافی سرامیکی با ویژگی‌های منحصربفرد توسعه پیدا کردند و به عنوان  مواد نیمه‌رسانا، ذخیره کننده‌ی بار الکتریکی، کاتالیستی، مغناطیسی و زیست سازگار توجه بسیاری را به خود جلب کرده‌اند.

در ریسندگی، نانوالیافی کامپوزیتی عمل آوری شده، به منظور ساخت نانوالیافی سرامیکی، بایستی تحت پساتیمار قرار گیرند. تیمار حرارتی یا کلسینه کردن رایج‌ترین روش برای پساتیمار است. در طول کلیسنه کردن، عامل پلیمری خارج شده و ذرات سرامیکی زینتر می‌شوند. سپس پیش ماده‌ی سرامیکی به منظور شکل‌دهی مواد سرامیکی طی کلیسنه شدن، واکنش می‌دهد. نانوالیاف سرامیکی اکسید را می‌توان در اتمسفر O2 تولید کرد، درحالیکه نانوالیاف سرامیکی غیراکسید در اتمسفر H2، N2 و Ar تولید می‌شوند. هرچند ساختار لیف همیشه بعد از کلسینه شدن به دست می‌آید، چراکه ممکن است مورفولوژی لیف‌های به دست آمده  به تیمار کلیسنه حساس باشند. در این صورت، برای حذف اجزاء ارگانیک، نرخ پایین حرارت‌ و درعین‌حال جلوگیری از شکستن نانوالیاف سرامیکی ضروری است. در طول فرآیند کلسینه شدن، معمولا دماهای بالا با تخریب ترکیبات ارگانیک، منجر به تشکیل نانوالیاف سرامیکی متخلخل می‌شوند. سطوح نرم ترجیحا در دماهای پایین تشکیل می‌شوند. بنا بر گزارشات، افزایش بیشتر دمای کلسینه، سبب ساخت نانوالیافی سرامیکی دانه درشت می‌شود.

نانوالیاف سرامیکی مختلفی به روش الکتروریسی سنتز شده‌اند. جدا از لیف‌های سرامیکی اکسید ساده مانند اکسید تیتانیوم، اکسید آلومینیوم و اکسید روی، لیف‌های سرامیکی اکسید پیچیده نیز با این روش قابل سنتر هستند. نانوالیاف سرامیکی الکتروریسی شده ویژگی‌های منحصربفردی از خود نشان می‌دهند و امکان کاربرد آن‌ها در زمینه‌های مختلف از جمله زیست شناسی، ذخیره‌ی انرژی، دستگاه‌های الکتریکی و مغناطیسی وجود دارد. ژانگ و همکارانش نانوالیافی الکتروریسی شده‌ی Li 0.33La 0.557TiO3 با میانگین قطر 110 نانومتر تولید کرده و از آن‌ها به عنوان الکترولیت در باتری‌های لیتیومی حالت جامد استفاده کردند (شکل 14الف و ب). پان و همکارانش نیز نانوالیاف الکتروریسی شده‌ی گالیوم نیترید سنتز کرده‌اند که به عنوان شناساگر نور فرابنفش از عملکرد بالایی برخوردار است (شکل 14ج). هرچند، بیشتر مقالات منتشر شده در زمینه‌ی نانوالیافی سرامیکی الکتروریسی شده، مشکل شکنندگی را حل نکرده‌اند. شکل 14د نانوالیافی اکسید قلع ایندیوم (ITO) الکتروریسی شده را نشان می‌دهد که در آن اکسید رسانا در شبکه‌ای منعطف مونتاژ می‌شود تا رسانای منعطف شفاف صورت دهد.

در مورد نانوالیافی الکتروریسی شده‌ی معمولی، این مواد معمولا  لایه نازکی از نانوالیافی تصادفی یا جهت‌دار شکل می‌دهند، هرچند به راحتی در شبکه‌های سه بعدی بزرگ مقیاس قابل مونتاژ نیستند. گروه ما نانوفیبرهای سرامیکی منعطف در مقیاس بالا ساخته و آن‌ها را به روش ریسندگی دمشی در اسفنج‌های فشرده‌ی سه بعدی مونتاژ کرده است. همانطور که در شکل 15الف نشان داده شده، این اسفنج‌ها  در دماهای بالا سفتی و مقاومت خود را حفظ می‌کنند و به همین دلیل برای عملیات در محیط‌های حاد مکانیکی و حرارتی مواد مناسبی هستند. سرامیک‌های سه‌بعدی فوق سبک اکسید تیتانیوم، اکسید زیرکُنیوم، اکسید زیرکُنیوم پایدار شده با اکسید اینتریوم (YSZ) و تیتانات باریم نیز با استفاده از ریسندگی دمشی سنتز شده‌اند. اسفنج‌های نانوالیاف سرامیکی YSZ را می‌توان به عنوان فیلترهای دمای بالا مورد استفاده قرار داد (شکل 15ب).

 

نتیجه‌گیری و دیدگاه‌ها

با توسعه‌ی سریع فناوری نانو، ما شاهد پیشرفت‌های چشمگیری در سنتز نانوالیاف بودیم. هرچند نانوالیاف نقش مهمی در فناوری‌های مبتنی بر نانو ایفا کرده و در بسیاری از حوزه‌های علمی و پژوهشی به کار گرفته می‌شوند، اما یکی از مسایلی که هیچگاه مورد بررسی قرار نگرفته است سمیت نانوالیاف هاست. استنشاق نانوالیاف می‌تواند مسبب بعضی از رویدادهای شیمی فیزیکی در ارگان‌های زنده باشند. اندازه‌، اصلاح سطحی و ماهیت مواد پارامترهای مهمی در تعیین نحوه‌ی عملکرد نانوالیاف در سلول‌های پستانداران است. حذف نانوالیاف بلند با ماکروفاژ به دلیل شکل لیفی‌شان، کار دشواری است و سبب خستگی فاگوسیتوز یا مرگ ماکروفاژ می‌شود. نانوالیافیی که اصلاح سطحی داشته‌اند ممکن است سبب انتشار یون‌های سمی یا واکنش‌های شیمیایی در سلول‌ها شوند. ماهیت شیمیایی نانوالیاف از یک ماده به ماده‌ی دیگر تفاوت فاحشی دارد و مقاومت زیستی یکی از پارامترهای قضاوت ایمنی نانومواد است. نانوالیافیی با بیشترین مقاومت زیستی دارای بیشترین پتانسیل فیبروژنیک و سرطان‌زایی هستند و می‌توانند در دوز موثری انباشته شوند. حتی انسان روزانه در معرض سطح پایینی از این مواد قرار دارد. در بعضی از موارد، نانوالیافی که مقاومت زیستی ندارند را می‌توان به قسمت‌هایی تقسیم یا در بدن حل کرد و در نهایت آن را حذف کرد. سمیت نانوالیاف‌ نقره به اصلاح سطح آن بستگی دارد. سمیت نانوالیاف‌ اکسید روی که برای ماکروفاژ‌های تک هسته‌ی انسان سمی هستند، به انحلال آن‌ها مربوط است. در بعضی از نانوالیاف‌ فلزی از جمله نانوالیاف آهن و نیکل نیز سمیت پایینی مشاهده شده است. مطالعات بر روی سمیت نانوالیاف‌ در مورد ضرورت استفاده از آن‌ها جهت جلوگیری از آسیب به بدن و محیط، هشدار بزرگی به ما می‌دهد.

در میان تعداد زیادی از روش‌های توسعه یافته برای ساخت نانوالیاف، ریسندگی تنها روش مناسب برای تولید مقیاس‌پذیر است. هزینه‌ی روش ریسندگی بیشتر مربوط به مواد (مثلا پلیمر و حلال) و تجهیزات است. برای چهار روش ریسندگی، هزینه به فرآیند تولید واقعی و بازدهی بستگی دارد. الکتروریسی یکی از روش‌هایی است که به طور گسترده مورد مطالعه قرار گرفته و نسبت به دیگر روش‌ها امکان تولید لیف‌هایی با قطر کمتر را فراهم می‌سازد. ریسندگی دمشی و ریسندگی مبتنی بر سانتریفیوژ به دلیل نیروی محرک کارآمد، بازدهی بالاتری نسبت به الکتروریسی و ریسندگی کششی دارند. روش آخر مونتاژ تجهیزات چند سوزنی ساده‌تری داشته و می‌توان لیف‌ها را روی هر زیرلایه‌ی نارسانا، حتی سطوح زیستی نیز بریسد. ریسندگی کششی پتانسیل خوبی برای تولید الگوهای نانوالیاف‌ در سنسورها دارد اما بازدهی پایینی داشته و با تولید صنعتی فاصله دارد. ریسندگی کششی چرخان پرسرعت، روشی ممکن برای تولید مقیاس‌پذیر نخ‌های نانوالیاف در آینده می‌باشد.

علیرغم پیشرفت‌های اخیر در تولید مقیاس‌پذیر نانوالیاف‌، چالش‌های بسیاری پیش روی ماست. نخست، کیفیت نانوالیاف‌ در تولید صنعتی است. تکنولوژی ریسندگی به سادگی تحت تاثیر ناپایداری جت قرار می‌گرد و باعث توزیع لیف های با قطرهای زیاد می‌شود. انسداد محلول نیز مشکلی جدی برای ریسندگی پیوسته به شمار می‌آید. دوم، نانوالیاف به سادگی توسط عوامل خارجی آسیب می‌پذیرند و برای بعضی از کاربردها به اندازه‌ی کافی قوی نیستند. همچنین دارای پایداری مکانیکی ضعیفی هستند که برای فرآیندهای آتی بسیار مهم است. بنابراین، طراحی و سنتز نانوالیاف‌ پایدار و بادوام، چالش قابل توجهی به شمار می‌آید. سوم، با اینکه تکنولوژی ریسندگی که در اینجا مطرح شد پتانسیل عظیمی برای تولید صنعتی و رد شدن از مقیاس آزمایشگاهی دارد، اما هنوز شکاف بزرگ میان آزمایشگاه و صنعت واقعی را به لحاظ تولید ماهانه ( برای مثال چندین تُن) را پر نکرده است.

در این نقطه، برای غلبه بر این چالش‌ها بایستی پژوهش‌های جدی در آینده صورت گیرد. با بررسی عمیق‌تر ویژگی‌های مواد و فرآیندهای ساخت، نانوالیاف می‌توانند الزامات کاربردهای عملکردی صنعتی را رفع کنند.

 

منبع

Huang, Y., Song, J., Yang, C., Long, Y., & Wu, H. , "Scalable manufacturing and applications of nanofibers", Materials Today, 28 (2019) 98–113.